FIGYELEM! Az előadás teljes anyaga az összes animációval együtt letölthető a következő címről:

Átírás

1 FIGYELEM! Az előadás teljes anyaga az összes animációval együtt letölthető a következő címről: Mérete > 300 M!!! A letöltött.zip fájlt egy önálló könyvtárba csomagolja ki, majd indítsa el az 1. rész.ppt nevű fájlt. A bemutatóban fellelhető beágyazott ikonok rájuk kattintva lejátszák a képeket, filmeket. A bemutató végén értelem szerűen folytassa a 2. rész.ppt, ill. 3. rész.ppt részekkel!

2 Sugárterápia Technikai alapok

3 Bevezetés Daganatos betegek kezelése: Sebészet Sugárterápia Kemoterápia Sugárkezelés a betegek 50%-a A tumoros esetek 60%-ában lokalizált tumor (áttétek még nem jelentkeztek) ezek a betegek potenciálisan gyógyíthatók (kuratív). A sugárterápia célja: valamennyi tumoros sejt elpusztítása sugárzással. Nehézségek: rizikószervek a tumor közelében.

4 A sugárterápia kettős célja: Emelni a dózist a céltérfogatban Csökkenteni a dózist a környező egészséges szövetekben. 1. jobb tumor kontroll TCP Tumor Control Probability 2. csökken a mellékhatások valószínűsége NTCP Normal Tissue Complication Probability A kettő együtt növeli a gyógyulás esélyét.

5 KONVENCIONÁLIS KONFORMÁLIS Orvosi fizika és számítástechnika fejlődése Modern computer hard és szoftverek Tumor lokalizáció Besugárzás tervezés Szimuláció Kezelés kontrollja és verifikáció

6 KONVENCIONÁLIS KONFORMÁLIS IMRT Orvosi fizika és számítástechnika fejlődése Modern computer hard és szoftverek Tumor lokalizáció Besugárzás tervezés Szimuláció Kezelés kontrollja és verifikáció

7 A sugárterápiás folyamat lépései Radiotherapy treatment chain Rögzítés Képalkotás Tumor Lokalizáció Besugárzás Tervezés Pozícionálás Kezelés Minőségbiztosítás és Verifikáció

8 I. A beteg rögzítése Nagy TU dózis, alacsony OAR (rizikószerv) dózis Közeli tumor és rizikószerv nagy dózisesés kis távolságon beteg beállítás, rögzítés kritikus, ti. kis hiba aluldozirozást (tumorban) v. túldozirozást (egészséges szövetben) okozhat. Általános megfontolások 1. A Target térfogatok definíciója (ICRU 50 és ICRU 62) GTV (Gross Tumor Volume) a diag. képeken látható, v. más klinikai vizsgálatból nyílvánvaló tumor CTV (Clinical Target Volume) a GTV + margó, amely a mikroszkópikus kiterjedést tartalmazza PTV (Planning Target Volume) beállítási bizonytalanságok, szervmozgások, szervek deformációja

9 A PTV-nek a teljes kezelés alatt tartalmaznia kell a CTV-t! 2. Bizonytalanságok forrásai RÖGZÍTÉS a. Beállítási bizonytalanságok b. Szervmozgás és deformáció 3. Beállítási követelmények Általános követelmény csökkenteni a CTV-PTV biztonsági zónát. Reprodukálhatóság. Kompatibilitás a képalkotó modalitással. Praktikus, könnyű használat. Kényelem a beteg számára.

10 Rögzítési technikák Fejrögzítés: Invazív rögzítés sugársebészet teljes dózis egyetlen frakció Beállítási bizonytalanság < 1mm

11 INVAZÍV RÖGZÍTÉS

12 Nem invazív rögzítés harapás-blokk és/vagy maszk maszk minden betegre egyénileg készül, termoplasztikus anyag, poliuretán hab, megszilárduló ragasztó szalagok

13 FEJRÖGZÍTŐ MASZK KÉSZÍTÉSE

14 Extracraniális céltérfogatok rögzítése (test) A fejrögzítésnél nehezebb feladat a test nem merev kiterjedése nagyobb szervmozgások, ld. fentebb Néhány lehetséges megoldás Vákuum párnák alulról rögzítik a testet Vákuum rögzítők felülről rögzítik a testet Levegőn megszilárduló anyagok termoplasztikus lapok, ragasztó szalagok Egy példa a légzés hatásának csökkentésére Emlő besugárzások az egyik legkomplikáltabb feladat ellenoldali emlő rögzítése karok pozíciója

15 VÁKUUM PÁRNA

16 VÁKUUM PÁRNA ELKÉSZÍTÉSE

17 VÁKUUM RÖGZÍTŐ

18 RÖGZÍTÉS MEGSZILÁRDULÓ ANYAGGAL

19 LÉGZÉS HATÁSÁNAK CSÖKKENTÉSE

20 II. Képalkotás A terápiás célból történő képalkotás a következő célokat szolgálja A Target (TU) és a rizikószervek a tervezés alapja 3D beteg -modell sugárirányok kiválasztása A dózisszámítás CT-képeken alapul. DVH-k ábrázolhatók a TU-ra és a rizikószervekre A 3D-anatómiai modell a beteg pozícionálásnak a kezelés előtt is alapja Általában a 3D-modell alapja CT. A funkcionális képekalkotók (MRI, PET, SPECT) a tumor meghatározásban hasznosak, mert láthatóvá teszik a tumor mikroszkópikus kiterjedését. 1. Komputer tomográfia (CT) 2. Képalkotás mágneses rezonanciával (MRI). 3. Nukleáris Medicina módszerek SPECT (Single Photon Emission Tomograph) PET (Positron Emission Tomograph)

21 III. Tumor Lokalizáció A képeken tervezés előtt be kell jelölni kül. struktúrákat Mely struktúrák fontosak? Hogyan lehet ezeket körvonalazni? Hogyan kombinálhatók kül. modalitások? 1. Volumen definíciók Két fontos struktúra a tervezéshez Target volumen Rizikószervek (OAR Organ at Risk) ICRU Report 50 (1993) és ICRU Report 62 (1999) (International Commission on Radiation Units and Measurements) GTV, CTV, PTV GTV a képalkotón jól látható tumor CTV GTV + mikroszkópikus kiterjedés PTV CTV + beállítási és szervmozgás okozta bizonytalanság

22 FONTOS STRUKTÚRÁK

23 ICRU DEFINÍCIÓK

24 2. Kép-szegmentáció Szegmentáció az a folyamat, amellyel megkülönböztetjük a releváns struktúrát/térfogatot a környezetétől. 1 szelet 2D szegmentáció 1-nél több szelet 3D szegmetáció Szegmentáció a besugárzás tervezéshez a PTV a rizikószervek a testkontúr Manuális szegmentáció Félautomatikus szegmentációs algoritmus Automata szegmentációs algoritmus A szegmentációs algoritmusok két csoportja Régió-alapú algoritmus (azonos értékeket keres) Él-detektáló algoritmus (hirtelen változást keres)

25 3. Kép regisztráció Különböző képalkotó modalitások képsorozatai CT, MRI, PET, SPECT A különböző képelemeket (pixeleket) meg kell feleltetni egymásnak. Regisztráció: azok a módszerek, melyekkel ez a megfeleltetés (transzformáció) megtörténik. Pl. legalább 3 összetartozó pontpár transzformációs mátrix kiszámítása korreláció két szekvencia között. Manuális regisztráció: a felhasználó közreműködésével. Félautomatikus regisztráció: a felhasználó részleges közreműködése. Automatikus regisztráció: nem kell a felhasználónak beavatkozni. A transzformáció érvényességi határa: globális vagy helyi Geometriai jellemzők: merev rugalmas transzformáció Képfúzió: a regisztrált szekvenciák egyidejű megjelenítése.

26 EGYIDEJŰ MEGJELENÍTÉS

27 RÉSZLEGES RÁVETÍTÉS

28 TELJES RÁVETÍTÉS

29 IV. 3D Besugárzás Tervezés A tervezés célja: megtalálni az optimális tervet. Alapja: a 3D páciens anatómia. - segítségével megtalálhatóak az optimális mezőirányok - a mező-alakok pontosan a tumor formájára alakíthatóak (dózis minimalizálás a környező egészséges szövetekben) - pontosan kiszámítható a fizikai dózis-eloszlás A 3D páciens modell előállítása - 3D tomografikus képalkotók (CT,MR,PET) - 2D szeletet 3D (image cube) 3D Model

30 3D beteg modell

31 3D navigáció

32 - Az összes kontúr berajzolása után transzformáció 3D modellbe (interpoláció) A Sugárterápiás Tervezési Ciklus - a dózist a target volumen-re kell koncentrálni, több mezőt (sugárnyalábot) alkalmazni - tumorban: mezők összegződnek - egészséges szövetben: toleranciaszint alatt tartható

33 3D modell felépítése

34 Izodózis eloszlások

35 A TERVEZÉSI CIKLUS CT, MR és PET képsorozatok Tumor, target volumen és rizikószervek definíciója Kezelési paraméterek definíciója Virtuális terápiás szimuláció Optimalizálás Dózis számítás A dózis eloszlás kiértékelése A páciens kezelése

36 1. A kezelési irányok kiválasztása - Ismerni kell a térbeli viszonyt a target és a rizikószervek között! - Fő kritérium: a mező (nyaláb) teljesen tartalmazza a target volument, és egyáltalán ne tartalmazzon rizikószervet.ha nem teljesíthető, akkor minimalizálni kell a rizikószerv nyalábba eső térfogatát. Eszközök: Beam's Eye View (BEV) (Sugárnézet) A sugárforrás irányából nézünk a 3D felületi modell felé Beam s Eye View Interaktiv Beam s Eye View

37 Beam's Eye View

38 Beam's Eye View BEAM 1 BEAM 2 BEAM 3

39 Beam's Eye View BEAM 1 BEAM 2 BEAM 3

40 Beam's Eye View BEAM 1 BEAM 2 BEAM 3

41 Beam's Eye View

42 - Observer's View (Megfigyelő nézet) tetszőleges irányból szemléljük a nyalábokat Observer s View Observer s View Elősegíti minimalizálni azt a térfogatot, ahol az egyes nyalábok átfedik egymást - Spherical View (Gömbi nézet) Spherical View

43 Observer s View

44 Observer s View

45 Gömbi nézet

46 3. További kezelési paraméterek Eddig nyaláb irányok és mező kontúrok (alak) További fontos paraméterek: - Sugárzás típusa: fotonok - általában elektronok - felületi, felület közeli tumorok protonok, nehéz ionok - Sugárzás energiája, sugárminőség - Sugármódosító eszközök kiválasztása blokkok, ékek, kompenzátorok, dinamikus kollimátorok szerepük: a 3D-s dóziseloszlás a lehető legjobban kövesse a tumor alakját

47 3. Dózis számítás - Egy dózis számító algoritmus kiszámolja a tervezés során definiált nyalábok alkalmazása esetén várható dózis-eloszlást. 4. A besugárzási tervek kiértékelése Általában ugyanarra a problémára több terv készül feladat: a legjobb terv kiválasztása A dózis eloszlás kvalitatív kiértékelése Biológiai modellek: TCP, NTCP Forward tervezés, inverz tervezés

48 Hagyományos és inverz tervezés

49 - Térbeli dóziseloszlás: izodózis felületek - Izodózis eloszlás szeletről-szeletre: izodózis görbék, vonalak, color wash - Dózis-Volumen-Hisztogramok DVH - a 3D dózis eloszlás ábrázolásának egy módja A kumulatív DVH-k azt mutatják meg, hogy egy struktúra térfogatának mekkora része kapja meg a dózis egy adott százalékát, és viszont

50 3D izodózis megjelenítések

51 2D izodózis megjelenítések

52 Dózis-Volumen Hisztogram

53 V. A páciens pozícionálása A pozícionálás alapvető fontosságú. A beteget, v. tartományt fixálni és rögzíteni. Pozícionálni a besugárzó eszköznél. 1. lépés: A beteghez rögzített koordináták megadása. 2. lépés: Képalkotás. A tervezés alatt ált. a target pont megadása beteghez rögzített koordináta rendszerben. 3. lépés: Pozícionálás a besugárzó eszköznél. (A target pontot az izocenterbe kell mozgatni.)

54 Beteghez rögzített koordináta-rendszer

55 Beteghez rögzített koordináta-rendszer

56 Sztereotaxiás pozícionálás

57 Pozícionálás a kezelő eszköznél

58 Pozícionálás a kezelő eszköznél

59 2. Port filmek és elektronikus portok Film: ellenőrizni a repozícionálást a képalkotás és kezelés között, ill. frakcióról frakcióra. Elektronikus portok (EPID): valósidejű képek, gyors ellenőrzés a repozícionáláskor (akár minden fr. előtt) Fajtái: Fluoroszkópikus rendszerek kamera Ionizációs kamra-sorozatok Külső markerek alapján a poz. néha pontatlannak bizonyul páciens anatómiai pontok a kezelés előtt. Összevetni: Szimulációs felvétel Port felvétel DRR Port felvétel

60 A Beamview-rendszer

61 Röntgen felvételek és portok

62 VII. A kezelés A. Készülékek 1. Lineáris gyorsítók (linac) Alapötlet: elektronokat gyorsítani hullámvezetőben haladó elektromágneses hullámok mezejében. Egy elemi gyorsító működése: röntgencső A 10 MV nagyságú feszültség elektromos szigetelési problémát, vagy nagy méretet eredményez. Nagyfeszültség helyet több egymás utáni kisebb elektr. mező. (Ezek előállítása mikrohullámmal).

63 Linac

64 Az elektron sebességének növekedése

65 Az elemi gyorsító működési elve

66 Mikrohullámú üregek elektron oszcilláció a falban gyorsítás az üregben (apertúra) Haladó-hullámú gyorsító: negyed hullámhossz hosszúságú mikrohullámú üregek sorozata. 10 MeV elektronnyaláb 125 cm-es gyorsítócső Nagyobb energiáknál állóhullámú gyorsítócső

67 Elektron gyorsítás elve

68 Haladó hullámú gyorsítás

69 Haladó hullámú gyorsítás

70 Gyorsító cső metszete

71 Állóhullámú gyorsító: ha az RF energia a végeken visszaverődik, álló hullám alakulhat ki Az üregek negyed hullámhossz hosszúságúak Minden második üregben a mező mindig 0, a nyaláb tengelyétől eltávolíthatók. (Rövidített haladó hullámú gyorsítócső.) 2. A gyorsítók főbb részei structure gantry. Ezekben helyezkednek el a főbb részek. RF forrás (magnetron vagy klystron), modulator, circulator, hullámvezetők, elektron ágyú, AFC rendszer, hűtő rendszer, gáz rendszer, vákuum rendszer. a fej részei: bending mágnes, target, primer kollimátor, flattening filter, monitor kamra, szekunder kollimátor.

72 Álló hullám generálása

73 Álló hullámú gyorsítás

74 Rövidített álló hullámú cső

75 Rövidített álló hullámú cső

76 Rövidített álló hullámú cső és metszete

77 3. A multi-leaf collimator (MLC) A sugárterápiás gyakorlatban gyakran szükséges szabálytalan alakú mezők előállítására. Két lehetőség: mező formálás blokkal multi-leaf kollimátor(mlc) alk. Integrált MLC-k: gantry-be épített eszközök közepes és nagy mezők (40x40 cm 2 -ig) Kiegészítő (accessory típusú) MLC-k: pl. sztereotaxia kis mezők (10x10 cm 2 ), mikro-mlc-k

78 Integrált MLC

79 Kiegészítő micro-mlc

80 Kiegészítő micro-mlc

81 Kiegészítő micro-mlc

82 Mező alakok micro-mlc-vel

83 Fontos jellemzők Maximális mezőméret 40x40 cm 2, 10x10 cm 2 Leaf szélesség 1 cm, 2-3 mm Maximális overtravel Milyen messze lehet túlhúzni a középvonalon Működési mód Sztatikus: Dinamikus: Fókuszálási tulajdonságok és félárnyék A félárnyék függ a forrás méretétől és a forráskollimátor távolságtól Cél: éles dózis gradiens, azaz keskeny félárnyék (penumbra)

84 MLC sztatikus módban

85 MLC dinamikus módban

86 B. Kezelési eljárások (konformális sugárterápia) 1. Konvencionális (klasszikus) konformális RT Alapprobléma: - PDD a mélység exp. csökkenő függvénye - a dózis a felszín közelében nagyobb, mint a tumor mélységében Megoldás: - több mező alkalmazása - mezőalakokat illeszteni a tumorhoz ekkor a dózis eloszlás konformitása növekszik Konformitás: - a 3D dózis eloszlás kövesse a 3D tumor alakot, ugyanakkor a rizikószervek legyenek kímélve.

87 Többmezős besugárzás

88 Hogyan lehet jó konformitást elérni? Nyalábok számának növelése. Sugárirányok optimalizálása. Energia optimalizálása (fotonok). MLC alkalmazása. Az MLC-leafek vastagságának csökkentése. Több target pont alkalmazása. Mozgó mezős besugárzások. A konvencionális konformális RT határai A konformális és homogén dózis eloszlást nem mindig lehet elérni - Nem találunk elég sok jó irányt. - Túlzottan nagy a mezőszám, mező-átfedések.

89 Micro-MLC

90 Tumor és rizikószervek

91 Sokmezős besugárzás

92 2. Intenzitás Modulált RadioTerápia (IMRT) Megoldás: IMRT-technika Lényege: intenzitás modulált mezőket generálni, és ezekkel végezni el a kezelést (Az ábra egy 7 mezős elrendezést mutat, az egyik intenzitás mudulált mező kinagyítva is látható). Hogyan állítsuk elő az ilyen mezőket? Step-and-Shoot technika (egymásra rakunk szabálytalan alakú, egymást részben átfedő mezőkomponenseket) Sliding Window technika, v. dinamikus MLC (egymástól függetlenül, kül. sebességgel mozgó leafek, sugárzás alatt) Fizikai kompenzátorok (abszorber anyag)

93 Az IMRT elve

94 Intenzitás modulált mezők

95 Step-and-Shoot technika

96 Dinamikus MLC technika

97 a, Step-and-Shoot technika (sztatikus technika, Bortfeld-Boyer technika) Általában az intenzitás modulált mezőket szabálytalan alakú, egymást részben átfedő homogén mező-komponensekből lehet összetenni Terminológia: intenzitás-térkép, csatorna, intenzitásszint, mező-komponens (almező, szegmens) Close-in technika (bekerítés) Sweep technika (átseprés) Close-in: a leaf-ek mindkét irányban mozognak Sweep: a leaf-ek csak az egyik irányban (pl. balról jobbra) mozognak

98 Step-and-Shoot Close-in technika

99 Elnevezések az IMRT technikában

100 Step-and-Shoot Close-in technika

101 Step-and-Shoot Close-in technika Egy leaf-pár mozgása

102 Step-and-Shoot Sweep technika

103 Step-and-Shoot Sweep technika

104 Step-and-Shoot Sweep technika Egy leaf-pár mozgása

105 Step-and-Shoot Close-in és Sweep technika

106 b, Dinamikus technika A Sweep technika határesetének tekinthető Leaf-pozícióban igen nagy pontosság kívánatos + Rövidebb kezelési idő Komplex, bonyolult Nincsenek kis dózisú mezők Verifikáció is c, Fizikai kompenzátorok Kompenzátor: váltakozó vastagságú sugárelnyelő anyag. Az egyes vastagságokat úgy választják meg, hogy az előírt intenzitást adják.

107 Dinamikus IMRT technika

108 Kis beállítási hiba nagy dózis eltérés

109 Fizikai kompenzátor

110 Fizikai kompenzátor

111 Néhány sajátosság: - Minden intenzitás-térkép - külön kompenzátor (munkaigényes) - Divergencia - rétegekre bontani - Nagy térbeli felbontás - Gyorsabb, mint a step-and-shoot (kezelési idő) - MLC nem szükséges - Alacsony olvadáspontú ötvözet

112 VII. Klinikai Dozimetria 1. Alapfogalmak A dózis def: az elnyelt dózis az m tömegű anyag dm tömegeleme által elnyelt energia osztva a tömeggel (Gy Gray) Klinikai dozimetriában víz vízben elnyelt dózis Sugárzások típusa: hullám v. részecske a radiológiában kétfajta sugárzás (részecske) játszik szerepet - fotonok: röntgen, vagy gamma-sugárzás, energia kev-tól felfelé, zéró nyugalmi tömeg - elektronok: nem zéró nyugalmi tömeg, negatív töltés, elektronpályák vagy magátmenet (béta-sugárzás)

113 Sugármező: a térnek az a tartománya, ahol sugárnyaláb (részecskék) található Fluxus sűrűség: a nyaláb tengelyére merőleges felületen egységnyi idő alatt átmenő részecskék száma / felület Fotonok és elektronok energia-átadása Fotonok: - fotoelektromos effektus - Compton effektus - Párképződés Ezen folyamatok során szekunder elektronok, melyek újra kölcsönhatnak az anyaggal Elektronok: - ütközés anyag atomjaival és elektronjaival - sugárzásos folyamatok (fékezési sugárzás keletkezése) A héjelektronokkal való rugalmatlan ütközések az atom gerjesztéséhez, ill. ionizációjához vezetnek

114 Fotoelektromos effektus

115 Compton-effektus

116 Párkeltés

117 2. A dózis mérése Különböző fizikai és kémiai effektusokat használunk fel Ionizáció gázban Ionizáció szilárd anyagban Lumineszcencia Kémiai effektusok Termikus effektus ionizációs kamra proporcionális számláló Geiger-Müller számláló félvezető kristályok TLD fotografikus film kémiai doziméterek kaloriméter

118 Abszolút dózismérés Farmer-típusú ionizációs kamra + vízfantom 1. Beállítás 2. Elektrométer 3. Mérés 4. Számítás 5. Korrekciók 1. Beállítás 2. Elektrométer 3. Mérés 4. Számítás N D,w kalibrációs faktor, SSDL ref. felt. 5. Korrekciók k = k ρ k s k p k Q pl. Relatív dózismérés

119 Kamra beállítása vízfantomban

120 Az elektrométer csatlakoztatása

121 Mérés az elektrométerrel

122 Kontroll-forrás sűrűségkorrekcióhoz

123 Levegősűrűség-korrekció

124 3. Fantomok Az abszorbeáló anyag valamilyen geometriáját fantomnak nevezzük Standard fantomok Vízfantom: TBA (Therapy Beam Analyzer) Anatómiai fantomok: Alderson-Rando fantom IMRT fantomok 4. Dózis verifikáció Egy új kezelési módszer bevezetésekor meg kell győződni arról, hogy valóban a terv valósul-e meg Lépései: a, Virtuális kezelés fantommal (tervet átültetni a fantomra) b, A fantom besugarazása mérés c, A terv és a mérés (megvalósulás) összevetése

125 Standard fantom

126 Vízfantom

127 Alderson-Rando fantom

128 IMRT fantom

129 Terv és mérés összevetése