Radyoterapi Tedavi Planlarının Optimizasyon Problemleri

Doç.Dr. Bahar Dirican

GATA Radyasyon Onkolojisi AD

21 Mart 2015 – Ankara

13 Haziran 2015 – İzmir

Medikal Fizik Derneği Eğitim Toplantısı

Tedavi Planlama

• Radyoterapi tedavi planlamaları bütün tedavi işlemlerinin önemli bir kısmıdır.

• Tedavi planlama basamakları: Teşhis,tümör evreleme,tedavi planlama için

görüntüleme

Tümör ve sağlıklı doku hacimleri

Optimal demet yerleştirme

Tedavi simülasyonu ve optimizasyon

• OPTİMİZASYON işlemi çözüm için iterativ bir araştırmadır. Minimum maliyet maksimum iyilik hedeflenir.

• OPTİMİZASYON tanımlanan değerlerin tamamını ayarlamayı, farklı amaçlar arasında bir uzlaşmayı başarmaya çalışır.

OPTİMİZASYON

• Tedavi tanımlamalarının modifikasyonu etkin olarak bu amaç fonksiyonunu modifiye eder.

• Çözümün iterativ doğası ve tedavi değerlerinin değişimine ihtiyaç nedeniyle ters planlama terimi yerine optimize planlama terimi kullanılmıştır.

• 1970 lerde BT tabanlı bilgisayarlı tedavi planlama sistemleri ile doz dağılımları hasta anatomisi üzerinde yer aldı.

İleri TPS de

• Hasta anatomisi,

• Tümör hedef ,

• Doz dağılımları

üç boyutlu modellerle

temsil edilir.

Digitally Reconstructed Beams-Eye Views

Radiographs DRR (BEV)

BEV MLC şeklini

tanımlamada

Faydalıdır.

Room’s Eye View Room’s Eye View kullanıcıya gantri ve masa

arasındaki ilişkiyi verir .

Gantri masa arasında Çarpışma yok Çarpışma var

Heterojenite düzeltmeleri

Hastada ışınlanan

ortamın rölatif

elektron yoğunluğu

hasta BT veri

setinden tayin

edilebilir.

Optimizasyon

• OPTİMİZASYON bir hastaya mümkün olan en iyi tedaviyi vermek için tedavi parametrelerini tayin etmeye yinelemeli,tekrarlayıcı bir döngü (iterativ loop) ile çabalar.

Optimizasyon döngüsü

• Görüntüleme (BT,MR,PET)

• Hedef hacim ve kritik yapıların tanımlanması

• Tedavi parametrelerinin tanımı

• Hasta ışınlanmasının simülasyonu

• Doz hesaplanması

• Doz dağılımının değerlendirilmesi

• Tedavinin verilmesi

Optimizasyon kriteri • Plan optimizasyonu tanımlanan plan

spesifikasyonlarını yerine getirmeye plan karakteristiklerinin otomatik olarak ayarlandığı

(bilgisayar ile) bir yöntemdir. Bu tür algoritmalar iki gruba ayrılır. 1.Fiziksel optimizasyon Optimizasyon doza dayanan spesifikasyonlar

kullanır. (mak. doz, min. doz, doz-hacim v.s) 2.Biyolojik optimizasyon Optimizasyon klinik olarak ilgili spesifikasyonları kullanır.(TCP,NTCP veya komplikasyonsuz tümör

kontrolü (P+))

Optimizasyon kriteri 1.Fiziksel optimizasyon

a) Esnek(Çoklu sınırlamalar kolayca tanımlanır.)

Şeffaf,açık(Sonuç doz doğrudan sınırlamalar ile ilgilidir.)

b)Optimizasyon parametrelerinin geniş sayısı

Doz yalnız klinik sonuçlara göredir.

2.Biyolojik optimizasyon

a) Optimizasyon kriteri tek değere azaltılabilir.(?)

b)Esnek olmayan(Farklı end-point ‘ler için farklı modellere ihtiyaç var.)

Modellerin geçerliliği çoğu organ için şüphelidir.

Cihaz verileri

• Cihaz modaliteleri, demet enerjileri ve aksesuarlar

• Geometrik mesafeler, SAD,kolimatör,aksesuarlar v.s

• İzin verilen mekanik hareket ve limitler; çene

limitleri,asimetri,MLC, masa v.s

• Gantri , kolimatör, masa açıları, masa pozisyonu v.s

Optimizasyon kriteri

Bir optimize plan yalnız optimizasyon işlemine giriş olarak kullanılan plan sınırlamaları kadar iyi olabilir.

Optimizasyon kriteri Optimal nedir?- Bir örnek

Yoğunluk ayarlı proton ve x-ışını planları

IMPT IMXT 9 Yoğunluk

Ayarlı Demet

3 Hedef hacim

GTV 76 Gy

Subklinik 66 Gy

Mikroskopik 54 Gy

Nominal sınırlamalar

Optik sinir <56 Gy Her iki plan tamamen aynı sınırlamalar ile

Brainstem <53 Gy hesaplandı.Fakat dozlarda açık fark var.

Gözler <50 Gy

Optimizasyon kriteri Optimal nedir?-Bir örnek

•

• Tek doz ağırlık

• fonksiyonu •

• Optimizasyon dozları

• sınırlamaların

• aşağısına azaltır.

• IMXT DVH’i ile IMPT DVH’i karşılaştırması

Optimizasyon kriteri Optimal nedir?- Bir örnek

• Optimize planın kalitesi tanımlanan sınırlamalara bağlıdır.

Optimizasyon kriteri Optimal nedir?-Bir örnek

İki ‘optimize’ X-Işını planı iki farklı doz dağılımı Hangisi en iyi?

Plan puanlama 1.Doza bağlı puanlama

Plan puanları hedef ve normal dokulara öngörülen dozlara bağlıdır.

2.Biyolojik puanlama

Plan puanı öngörülen klinik sonuçlara dayanır.

(Kontrol ve komplikasyon olasılıkları)

3.Fiziksel değerlendirme

Planın set-up hatalarına ve harekete duyarlılığının

değerlendirilmesi

Doza bağlı puanlama

Bir planın değerlendirme ve derecelendirilmesi için altın standart ?

Olası puan fonksiyonları

1. 3 boyutlu doz dağılımının görsel değerlendirmesi

2.DVH’in görsel değerlendirmesi

3.Doz dağılımının nicel analizi(konformite indeks,

Homojenite indeks v.s)

4.DVH’in nicel analizi (mak.,min.,doz-hacim v.s)

Doza bağlı puanlama Doza bağlı puanlamada problemler

Görsel değerlendirmeler ölçmek için zordur.

Planı tamamen karakterize etmek için birçok çelişen indis vardır

Biyolojinin altında yatan bilgi olmaksızın çelişen indisler ile karar vermek zordur.

Problemler ve tuzaklar (gizli tehlikeler)

1.DVH ler küçük sıcak ve soğuk noktalara duyarsızdır.

2.Bir DVH in şekli tek başına yanıltabilir.

3.DVH ler yalnız tanımlanan bir VOI(İlgilenilen

Hacim) için hesaplanabilir.

Problem ve tuzaklar 1.DVH ler küçük sıcak ve soğuk noktalara duyarsızdır.

Posterior fossa içinde % 105 lik sıcak nokta

Problem ve tuzaklar 2.DVH in şekli tek başına yanlış fikir verebilir.

< %95 alan mutlak hacim vaka 2 için vaka 1 den çok daha büyüktür.

Bu doz dağılımından açık olarak görülmektedir; Fakat DVH den açık değildir.

Problem ve tuzaklar 3.DVH yalnız tanımlanan VOI için hesaplanabilir. Görsel konrol IMRT planının kabul edilemez olduğunu gösterir.

Problem ve tuzaklar DVH lerde uzaysal konum bilgisi bulunmaz

DVH analizi plan 1 için açıkca neresi olduğu için doz düşük dozu(under-dosage) dağılımının analizi

gösterir, fakat gerekir.

Özet 1 Doz dağılımlarının görsel değerlendirilmesi

• Tedavi planlarının varolan en doğrudan ve eğitici temsili

• 3-Boyutlu doz dağılımları geniştir ve nicel olarak analizleri kullanışsız ve zordur.

• Doz dağılımlarından en çok bilgi esasında kullanıcının katılımı ile elde edilir.(Kesit seçimi/çoklu kesit gösterimi, doz bantları,

doz doğruluğunu sorgulamak v.s.)

Özet Doz Hacim Histogramları

• Doz hacim histogramları seçilen VOI içinde 3 boyutlu doz temsilinin nicel ve öz metodudur.

• DVH ler 3- Boyutlu doz dağılımlarının görsel analizi ile birlikte dikkatle değerlendirilmelidir.

• Özellikle geniş hacimlerde kullanılan DVH lerin

analizi dikkatle yapılmalıdır.

• DVH ler daima doz –hacim istatistiği ile birlikte değerlendirilmelidir.

Biyolojik modelleme

Biyolojik puanlama

Plan puanlama TCP ve NTCP gibi biyolojik indislere dayanır.

Avantajları

1.Klinik olarak ilgili puanlama fonksiyonudur.

2.Planı karakterize etmeye indislerin küçük bir sayısı gerekir.

3.Teorik olarak tek kalite figürüne (P+) indirilebilir.

Biyolojik puanlama NTCP için E.G.Lyman’s modeli

3 parametre modeli: TD50 : Tüm organda %50 komplikasyon yaratan doz ;m:TD50 de doz gradyenti

n:hacim parametresi

Biyolojik puanlama The Equivalent Uniform Dose (EUD) model

Tek parametre (a) modelidir. Tümör ve kritik

organların herikisi

için de kullanılır.

Tümörler için a< 0

OAR için a >0

Prostat karsinoma

a -10

rektum a 6

Biyolojik puanlama

1.Biyolojik parametrelerin geçerliliği

2.Düşük NTCP değerlerine normalizasyon

3.NTCP değerleri genellikle tek ve sivri end-point’ lerle tanımlanır.

Tedavi ile ilgili patolojiler end-pointlerin ve

etkilerin tüm spektrumunu içine alabilirler.

4. NTCP ve TCP’nin tek değerine(P+) şüpheyle bakılmalıdır.

Fiziksel değerlendirme

Tedavi verilmesinin pratikliğinin değerlendirilmesi

1.Plan kompleksliği

Mevcut teknolojilerin sınırlamaları

Tedavi zaman/hasta ilişkisi

Klinik düşünceler (palyatif tedaviler)

2.Tedavi verilmesinin güvenliği

Planın, set-up hatalarına duyarlılığı

Planın, dinamik değişkenlere duyarlılığı (organ hareketi)

Fiziksel değerlendirme

Planın set-up hatalarına duyarlılığı

Dinamik uygulanan tedavilerde ITV ve PTV tanımlarında hareketi hesap etmek gerekmez.

Fiziksel değerlendirme

• Yoğunluk ayarlı planın set-up hatalarına duyarlılığı Bir üç alan yoğunluk ayarlı proton planı

Fiziksel değerlendirme Yoğunluk ayarlı bir planın set-up hatalarına

duyarlılığı

Fiziksel değerlendirme

9 alan IMRT planının intra fraksiyon hatalarına

Duyarlılığı Yanlış doz dağılımı

5 mm intra fraksiyon hatası

Plan tanımları

1.Planlar özellikle karşılaştırma yapılacağı zaman

olabildiğince katı tanımlanmalıdır.

2.Kriterler arasındaki anlaşmazlık çözümünün

yöntemi plan derecelendirme ve analizine büyük ölçüde etki eder.

3.Bir optimize plan yalnız onun giriş parametreleri kadar iyidir.

Plan puanlama

• Doza bağlı değerlendirme ‘’altın standarttır’’;

fakat ölçmek zor olabilir.

• Biyolojik puanlar kısa öz sonuçlar verir;

fakat daima büyük dikkatle yorumlanmalıdır.

• Dinamik ve ımrt planlar için emniyet payları

hareket ve set-up hatalarını hesaba katmak için yeterli olmayabilir.

Plan kriteri Anlaşmazlık çözümü

• Birçok durumda hedef kapsanma ve normal doku sınırlamalarının herikisini birden sağlamak mümkün olmayabilir.

• Bu durumda anlaşmazlığın nasıl çözüleceği ile ilgili ek sınırlamalar gerekir. Örnekler; 1. Hedef kapsanması önceliklidir. (plan2) 2. Normal doku önceliklidir. (plan1) 3.Uyuşmazlık çözümü farklı VOI lerin ağırlık faktörlerine dayanır.(Biyolojik Model) 4.Optimize model

Teşekkür Ederim