Embed Size (px)
Citation preview
1
Universitatea din București Facultatea de Fizică
Școala Doctorală de Fizică
Cristina OANCEA
Optimization of proton and carbon ion therapy in presence
of metallic implants: dosimetry experiments and Monte
Carlo simulations
Teză de doctorat
REZUMAT
Conducător Științific:
Prof. Dr. Aurel POPESCU
București, 2018
2
3
Cuprinsul Tezei
Abstract ................................................................................................................. 5
Abbreviations ........................................................................................................... 8
1 Introduction 13 1.0.1 Principles of hadron therapy ............................................................ 14
1.0.2 Physics of PT and C-ion therapy ..................................................... 16
1.0.2 Particle beam delivery techniques ................................................... 17
1.0.2 Biology of hadron therapy ................................................................... 20
1.0.2 The objective of the work ................................................................ 21
2 Materials and Methodology 23 2.0.1 Solid-State Nuclear Track Etched Detectors (TEDs) .................... 23
2.0.2 Film dosimetry–Gafchromic self-developing dosimetry films........27
2.0.3 Treatment planning systems (TPSs) .............................................. 28
2.0.4 Image Acquisition: Computer Tomography (CT) .......................... 30
2.0.5 Monte Carlo (MC) Simulations ...................................................... 32
3 LET spectra behind hip implants exposed to proton and C-ion beams 35
4 LET spectra behind dental implants irradiated with a proton pencil
beam 57
5 Effect of dental implants on proton therapy delivered for head tu- mors using an anthropomorphic phantom 73
5.0.1 Introduction ..................................................................................... 73
5.0.2 Results I: Comparison between the planned and measured
dose distributions delivered by a scattering system (at JINR)........75
5.0.3 Results II: Dose distribution delivered by pencil scanning beam
system .............................................................................................. 83
3.0.1 Introduction–Hip implants in PT and C-ion therapy ...................... 35
3.0.2 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.0.3 Results I –Experiment PTC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.0.4 Results II –Experiment HIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.0.5 Discussion and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.0.1 Introduction–Ti dental implants....................................................... ...................................... 57
4.0.2 Experimental setup and MC simulation ........................................ 58
4.0.3 Results............................................................................................. 60
4.0.4 Discussion and conclusions ..................................................... ... ......... 70 70
4
5.0.4 Results III: Comparison of X-ray CT and proton-based CT
planning in the presence of Ti dental implants ............................... 90
5.0.5 Discussion and conclusion ................................................................. 94
6 General conclusions and recommendations 95
7 Personal contribution 97 7.0.1 List of publications in ISI-indexed journals ....................................... 97
7.0.2 Participation in International Conferences ..................................... 97
Bibliography 100
5
1. Introducere
Hadronoterapia este un tip eficient de radioterapie externă cu particule
―grele‖, utilizată împotriva cancerului [1]. Hadronoterapia se utilizează pentru
a trata cazurile complicate de tumori cerebrale, tumori radio-rezistente sau
localizate în profunzime, cancerele de prostată și plămân, tumorile de sân sau
tumorile localizate în zona gâtului și a trunchiului.
În zilele noastre, numărul centrelor de terapie cu particule ―grele‖ este
în creștere, datorită avantajelor bine-cunoscute ale protonilor și ionilor de
Carbon (C) [2] în comparație cu radioterapia convențională [14].
Potrivit statisticilor PTCOG (Particle Therapy Co-Operative Group) [3],
au fost inaugurate 68 de centre de terapie cu protoni, 10 cu ioni de C și peste
60 de centre de hadronoterapie sunt în construcție sau într-o etapă incipientă,
în lume.
În Europa, există mai multe unități de hadronoterapie dotate cu
fascicule de protoni decât cu ioni de C, deoarece proprietățile curative ale
protonilor sunt mai bine înțelese.
Tratamentul cu protoni a fost propus de către Wilson în 1946 [4] și, de
atunci, metoda a fost continuu îmbunătățită și aplicată, cu succes, pentru
multe tipuri de cancer.
1.1 Scop și motivație
Există cazuri foarte complicate de pacienți cu implanturi metalice
localizate lângă o posibilă tumoare canceroasă, de exemplu, carcinom la cap,
sarcom sau cancer la nivelul zonei pelviene (de exemplu, la prostată).
Această teză de doctorat are ca scop studiul influenței implanturilor de
șold și dentare, fabricate din diverse materiale, în hadronoterapie, în cazul în
care particulele (protoni, ioni de C) sunt livrate spre tumoră, prin implanturi.
Teza și-a propus să estimeze contribuția particulelor primare și secundare la
spectrul Transferului Liniar de Energie (TLE) și să măsoare doza absorbită
(D), precum și distribuția dozei (DD) în timpul terapiei cu protoni.
Utilizând detectorii Solid-state nuclear track-etched (TED) și simulări
Monte Carlo (MC) s-a cuantificat contribuția particulelor primare și secundare
la întregul spectru TLE și s-au identificat tipurile de particule care au
determinat spectrele. În plus, s-a măsurat doza absorbită în spatele fiecărui
implant, în zona fără implanturi și la granița dintre implanturi și materialul
echivalent țesutului, unde s-au găsit particule împrăștiate.
6
Într-o configurație mai sofisticată, s-a folosit o fantomă a capului, de
tip Alderson (Alderson®, Dispozitive de suport pentru radiologie, Long
Beach, SUA), ce prezintă două implanturi dentare fabricate din Titan (Ti),
pentru a compara distribuția de doză planificată într-un sistem de planificare
a tratamentului (TPS) cu DD a fasciculelor de protoni măsurată cu ajutorul
filmelor EBT2. Scopul acestor experimente a fost de a investiga precizia cu
care este elaborat un plan de tratament care interferă cu implanturile dentare.
Rezultatele obținute pentru două situații clinice, în care implanturile
dentare erau localizate fie în regiunea de intrare, fie în punctul maxim al
curbei Bragg, au arătat că acest tip de tratament este foarte imprecis. Erori
cauzate de Tomografia Computerizată (CT), de artefactele de imagine și de
sistemul de planificare au condus la efectuarea unui tratament greșit.
Pentru a diminua aceste erori și pentru a putea lua în considerare
pacienții cu implanturi metalice, aflate în vecinătatea tumorilor, s-a efectuat
un alt set de experimente.
Folosind un nou tip de imagistică (proton CT = pCT) s-au colectat
imagini de o calitate superioară care nu prezintă artefacte. Utilizând direct
puterea de stopare a protonilor, pentru a calcula distribuția de doză, s-au
eliminat și erorile induse de conversia din Unități Houndsfield (HU) în putere
de stopare. În ultimul experiment efectuat, s-au conturat aceleași ținte folosite
anterior pe o imagine obținută cu proton CT și s-a calculat DD cu ajutorul
unui program de planificare a tratamentului bazat pe metoda Monte Carlo.
1.2 Structura tezei
Teza este structurată în 7 capitole.
În capitolul 1, Introduction, este prezentată o scurtă introducere a
modalităților de tratament în hadronoterapie, subliniind incertitudinile
raportate în terapia cu particule ―grele‖.
Capitolul 2, Materials and Methodology, conține descrierea
detaliată a tipurilor de detectori utilizați în acest studiu. Principiile
operaționale ale TED sunt furnizate împreună cu parametrii care pot fi
obținuți prin măsurarea urmelor (in English: tracks) detectate: fluența
particulelor, TLE, doza absorbită (D) și DD. În plus, este prezentată o
descriere a dozimetriei cu film, inclusiv a principiilor operaționale și a analizei
DD. În acest capitol, sunt caracterizate sistemele de planificare a
tratamentului și modalitățile de imagistică.
7
În capitolul 3, LET spectra behind hip implants exposed to
proton and C-ion beams, au fost studiate spectrele TLE, D și DD în funcție
de TLE în spatele implanturilor de Ti și oțel inoxidabil (SS), expuse la
fascicule terapeutice de protoni și ioni de C.
În capitolul 4, LET spectra behind dental implants irradiated
with a proton pencil beam, este investigat câmpul de radiație produs de
fasciculele de protoni monoenergetici (fascicule filiforme) ce traversează
implanturile dentare din Ti.
Spectrele TLE și D măsurate în spatele implanturilor de Ti au fost
obținute experimental utilizând TED și, de asemenea, prin simulări MC.
Datele prezentate în aceste capitole sunt importante pentru validarea
sistemelor de planificare a tratamentului 3D, bazate pe metoda MC, care sunt
din ce în ce mai frecvent utilizate în terapia cu protoni.
În capitolul 5, Effect of dental implants on proton therapy
delivered for head tumors using an anthropomorphic phantom,
este stabilită o cuantificare detaliată a erorilor induse de două implanturi
dentare, care interferă cu planurile de tratament cu protoni.
Capitolul 6, General conclusions and recommendations,
prezintă concluziile generale și recomandările făcute pe baza acestui studiu.
In capitolul 7 se regăsește o listă detaliată a contribuțiilor personale,
incluzând articolele publicate și conferințele la care rezultatele au fost
prezentate.
2. Materiale și Metode
2.1 Detectorii folosiți
Detectorii utilizați pentru studiul TLE se numesc Solid-State
Nuclear Track Etched Detectors (TED). Principalele avantaje ale TED
constau în faptul că materialul din care sunt fabricați este echivalent cu apa,
din punct de vedere al absorbției pariculelor utilizate în experimente
Rigiditatea sa permite modelarea detectorilor în diferite forme și mărimi,
astfel încât aceștia să poată fi amplasați în zone dificil de accesat sau foarte
înguste. Unul dintre principalele dezavantaje este că nu pot detecta electroni
sau particule cu TLE sub 7 keV/μm.
Pentru a lărgi urmele formate de particule la trecerea prin detectori, s-a
folosit o soluție chimică de gravare. În lipsa acestei proceduri, urmele sunt
greu de observat prin microscopie optică. Detectorii sunt gravați cu soluție de
NaOH (5N) la temperatura de 70 °C. Temperatura este controlată permanent
de către un termostat. Timpul de gravare a fost de 18 ore (corespunzând
8
îndepărtării unui strat cu o grosime de 14,86 μm pe fiecare parte a
detectorului). Ulterior, detectorii au fost scanați cu un microscop optic și au
fost analizate toate urmele lăsate de particulele încărcate care au penetrat
detectorul.
În acest studiu, TEDs au fost calibrați la TLE nerestricționat în apă, în
conformitate cu protocoale bine stabilite [5] și au fost utilizați ca
spectrometre. În cele ce urmează, atunci când ne referim la măsurătorile TLE,
ne referim la TLE nerestricționat.
Spectrometrul TLE ne permite să determinăm doza absorbită în
intervalul de detecție al TED și DD în intervalul TLE.
Dozimetria filmului GafCromic poate fi utilizată în diverse
câmpuri de radiație: protoni, neutroni, fotoni [6], electroni sau câmpuri de
radiații mixte [7]. De aceea, acest tip de dozimetrie a fost utilizat cu succes
pentru verificările planului de tratament [8] în radioterapia convențională [9,
10], terapia cu protoni [11], terapia cu ioni C [12], brahiterapie [ 13] sau pentru
asigurarea calității acceleratorilor [14].
Avantajele filmelor dozimetrice constau într-o rezoluție spațială foarte
înaltă, în auto-developare, care poate fi utilizată la temperatura camerei (20
°C) și în lumina din încăpere, fără a fi expuse la lumina soarelui [15]. Filmele
GafCromice sunt supuse unei auto-colorări după iradiere [6]. Filmele EBT2
pot furniza informații privind distribuția dozei 2D și, împreună cu analizele
indceului gama, se poate evalua acuratețea dozei livrate și planificate [10].
2.2 Sistemele de planificare a tratamentului (TPS)
În Teză, au fost folosite mai multe sisteme de planificare a
tratamentului (TPS), printre care: RayTreat, un sistem necomercial și XiO
furnizat de compania ELEKTA. Aceste TPS sunt bazate pe algoritmul „pencil-
beam” (fascicul filiform) pentru a calcula DD. Cel de-al treilea TPS folosit
provine de la compania RaySearch Laboratories și se numește RayStation. S-a
folosit versiunea clinică a sistemului RayStation bazată pe algoritmi Monte
Carlo.
Între sistemele RayTreat și XiO nu există diferențe majore, ambele
utilizând metoda analitică pentru calculul dozei de protoni, în timp ce
RayStation TPS utilizează algoritmii de calcul al dozei bazați pe metoda MC și
are caracteristici suplimentare, de exemplu, putând calcula distribuția de TLE.
2.3 Achiziția de imagini: tomografie computerizată (CT)
Fantoma cap de tip Alderson a fost scanată folosind un CT convențional
și, pe baza acestor imagini, s-a conturat o țintă imaginară și a fost calculat un
plan de tratament.
9
A fost dezvoltată o nouă tehnologie, CT bazat pe protoni, cu scopul de a
realiza o imagine mai precisă pentru planificarea tratamentului. Proton-CT se
bazează pe măsurarea puterii de stopare a fiecărui proton ce traversează ținta.
Scanerul proton-CT folosește fascicule de protoni cu energie foarte mare
pentru colectarea datelor.
2.4 Simulări Monte Carlo
Codul de simulare Geant4-MC a fost utilizat pentru a furniza informații
suplimentare privind contribuția particulelor primare și secundare la spectrele
TLE. Simulările MC au fost efectuate pentru fantomele de șold și dentare
fabricate din aliaje metalice expuse la fascicule de protoni.
3. Spectrele TLE măsurate în spatele implanturilor de șold
expuse la fasciculele de protoni și ioni de Carbon
Unii dintre pacienții care prezintă implanturi de șold pot avea cancer în
regiunea pelviană, ca de exemplu, cancer de prostată. Motivația de a studia
influența implanturilor de șold asupra terapiei cu particule a pornit de la
modalitatea de livrare a tratamentului pentru cancerul de prostată. De obicei,
o tumoare la prostată tratată cu ajutorul radioterapiei externe (fotoni, protoni
sau ioni de C) implică utilizarea a două fascicule opuse care traversează
șoldurile. O astfel de configurație de iradiere nu poate fi aplicată pacienților cu
implanturi de șold datorită incertitudinilor dozimetrice cauzate de densitatea
mare a implanturilor [16].
Implanturile metalice au fost asociate cu erori în DD [17], erori cauzate
de algoritmii folosiți de sistemele de planificare a tratamentului și de
artefactele în imaginile CT cu raze X [18-20].
În experimentul prezentat în acest capitol, a fost aplicat un fascicul de
protoni care a traversat fantome ce conțineau implanturi de șold. Scopul
acestui experiment a fost de a evalua efectele secundare cauzate de
planificarea unui asemenea tratament.
S-au efectuat experimente dozimetrice utilizând un fascicul filiform de
protoni în Centrul de Terapie cu Protoni din Praga (PTC), Republica Cehă,
pentru a măsura DDs și TLE în spatele fantomelor ce conțineu implanturi de
șold.
Folosind două materiale diferite, care sunt utilizate, în mod obișnuit, în
producția mondială de implanturi, s-au creat fantome de șold de 2, 5, 10, 15 și
20 mm grosime. Implanturile de șold au fost plasate în spatele materialului
din plastic de 80 mm grosime. Fantomele de șold constau fie dintr-un aliaj de
Ti foarte dens, fie dintr-un aliaj din SS.
S-au efectuat experimente microdozimetrice pentru a studia
producerea particulelor secundare, după ce fiecare fantomă a fost expusă la un
fascicul de protoni.
10
Pentru a simula eventualele cazuri clinice de tratament pentru tumori
canceroase, localizate în zona capului și a gâtului, s-au proiectat două
aranjamente experimentale:
(a) fantomele au fost iradiate cu fascicule de protoni cu energii înalte
(226 MeV), astfel încât spectrul TLE al particulelor încărcate să poată fi
înregistrat corespunzând zonei de început a curbei Bragg și
(b) punctul maxim al curbei Bragg a fost setat să coincidă cu sfârșitul
implantului de 15 mm.
Rezultatele experimentale au fost completate de simulările Monte Carlo
utilizând codul Geant4 pentru a identifica contribuția fiecărui tip de particule
la spectrele TLE (inclusiv protoni, electroni, neutroni, ioni de C, deuteriu și
alte particule) și pentru a estima TLE deasupra limitelor de detecție ale TED.
Când datele au fost măsurate în regiunea de intrare a curbei Bragg,
rezultatele au arătat consistență în spectrul TLE al aceluiași material. Nu s-au
observat modificări semnificative la creșterea grosimii materialului de la 2
mm la 20 mm. Mai mult, contribuția simulată a particulelor secundare, la
întregul spectru TLE, a fost minimă.
Numeroase urme, corespunzătoare particulelor cu TLE sub 100
keV/μm, au fost detectate pentru toate materialele. Pentru aliajul de SS, se
constată un număr mult mai mare de protoni primari cu TLE < 9 keV/μm, în
comparație cu aliajul de Ti. Această diferență poate fi explicată prin numărul
mare de particule detectate la marginile celui mai gros implant și plastic.
Aceste particule au rezultat din împrăștierea protonilor din aliaje de Ti și SS.
D în această zonă a crescut de mai mult de 9 ori, în cazul aliajelor de Ti și de
peste 6 ori, în cazul aliajelor din SS, comparativ cu D în apropierea
extremităților materialului plastic.
În acest studiu, s-au furnizat date utile despre transportul fasciculelor
de protoni prin implanturi metalice de densitate ridicată.
4. Studiul TLE în cazul fantomelor dentare iradiate cu
fascicule de protoni
In mod frecvent, pacienții cu cancer în cavitatea bucală au implanturi
dentare care pot complica planul de tratament cu fascicule de protoni,
cauzând incertitudini considerabile. Adesea, aceste implanturi dentare sunt
implantate în maxilar sau mandibulă pentru a înlocui un dinte lipsă. De-a
lungul anilor, corpul implantului se integrează în os și nu poate fi îndepărtat
cu ușurință. În general, implanturile sunt fabricate din aliaje de Ti sau Zr
datorită caracteristicilor lor mecanice: rigiditate, rezistivitate la coroziune și
rezistență mecanică. Cea mai importantă proprietate este integrarea lor în
țesutul uman din jur [21].
Similar cu experimentul prezentat în capitolul precedent, s-a investigat
TLE, DD și D în spatele fantomelor dentare cu grosimi de 2, 5, 10 și 15 mm,
iradiate cu fascicule de protoni. Scopul acestui experiment a fost de a oferi o
11
înțelegere mai profundă a interacțiunii fasciculelor de protoni cu implanturile
din Ti care pot fi utilizate pentru fabricarea implanturilor dentare sau a
plăcilor de reconstrucție facială.
Atât spectrul TLE, măsurat cu TED, cât și cel simulat în Geant4, rămân
neschimbate, atunci când crește grosimea de la 2 mm la 15 mm, în cazul în
care datele au fost colectate corespunzătoar zonei de început a curbei Bragg.
Relația constantă dintre spectrele TLE și creșterea grosimilor implanturilor permite implementarea rezultatelor într-un sistem de planificare a
tratamentului.
Pe baza simulărilor MC se poate concluziona că particulele secundare
au o contribuție foarte mică, sub 1 %, la spectrul total TLE. Deoarece efectele
secundare estimate sunt minime, poate fi luată în considerare posibilitatea de
a aplica tratamentul cu fascicule de protoni prin implanturi situate la distanțe
corespunzând primei părți a curbei Bragg.
Efectul iradierii, prin Ti poziționat aproape de maximul vârfului Bragg,
este substanțial. La interfața dintre implanturi și plastic au fost detectate
particule împrăștiate în metale, cauzând o creștere semnificativă a dozei, cu
un factor de 13 (pentru Ti gradul 2) și 12 (pentru Ti gradul 5).
Nu se recomandă aplicarea unei tratament cu fascicule de protoni în
cazul tumorilor situate în spatele implanturilor de Ti. Cu toate acestea,
creșterea D la marginea dinte implant și plastic poate fi luată în considerare în
planificarea tratamentului. Putem concluziona că diferențele dintre spectrele
TLE măsurate în spatele aceluiași material de diferite grosimi sunt neglijabile.
Rezultatele obținute au fost susținute de simulările MC în codul Geant4 [22,
23]. Prin urmare, aceste date ar putea fi utilizate pentru evaluarea unui nou
TPS dotat cu funcții suplimentare, de exemplu calcularea distribuției LET.
5. Efectul implanturilor dentare asupra terapiei cu protoni
aplicată pentru tumori la nivelul capului folosind o
fantomă antropomorfă
Scopul acestor experimente a fost de a cuantifica erorile introduse de
implanturile dentare metalice, pentru a le reduce sau chiar elimina. În acest
studiu, s-a evaluat posibilitatea de a trata pacienții cu implanturi dentare care
interferă cu planul de tratament.
Planificarea tratamentului cu fascicule de protoni este foarte sensibilă
la prezența unor artefacte de imagine. În tratamentul cu fascicule de protoni al
cancerelor de la nivelul capului și gâtului, erorile sunt adesea cauzate de
implanturi dentare sau plombe. Probleme dozimetrice apar în vecinătatea
acestor obiecte metalice, atunci când se efectuează un CT standard.
Adesea, este necesar să se aleagă direcțiile fasciculului astfel încât să se
evite implanturile sau să se elimine acestea, ambele situații fiind de foarte
multe ori imposibile. Acest capitol și-a propus să cuantifice efectul perturbării
12
dozei cauzate de implanturile dentare care nu pot fi îndepărtate, înainte de
terapia cu protoni a tumorilor localizate în zona capului.
Pentru a efectua experimente, cât mai apropiate de o situație reală, s-a
folosit o fantomă pentru cap de la Alderson. In acest sens, au fost implantate
două implanturi dentare în zona maxilară a fantomei. Implanturile au fost
fabricate din Ti-gradul 4. Primele experimente au fost făcule la Complexul
Medico-Tehnic, Institutul Unificat de Cercetări Nucleare - MTC-JINR, Dubna,
Rusia și la Centrul de Terapie cu Protoni (PTC), Praga, Republica Cehă.
Planurile de tratament au fost întocmite în RayTreat (de la MTC) și, respectiv,
în XiO® ELEKTA și constau în două aranjamente experimentale:
(i) o tumoare care conține cele două implanturi în izocentru și
(ii) o tumoare profund localizată, care nu conține implanturile, însă
fasciculul de protoni trece prin implanturi.
În cel de-al doilea caz, implanturile au fost localizate corespunzătoar
regiunii de început a curbei Bragg. Pentru ambele ținte a fost calculat un plan
cu un singur câmp de radiații. A fost efectuată o comparație între planurile
calculate, utilizând sistemele de planificare a tratamentului 3D și distribuția
dozelor măsurate cu filmele GafChromice EBT2 pentru ambele tumori.
Pentru a determina diferențele în distribuțiile de izodoză (atât calculate
cât și măsurate), a fost calculat, pentru fiecare țintă, indicele gamma, având
criterii de toleranță 3 %, 3 mm.
Rezultatele obținute au evidențiat erori în distribuția dozelor. Indicele
gamma, la izodoze mari (peste 90 %) pentru țintele studiate, a fost între 84,3
și 86,4 %, ceea ce depășește puțin limitele acceptate clinic.
Rezultatele obținute într-o configurație experimentală similară,
utilizând un fascicul filiform de protoni de la PTC, au evidențiat mai multe
erori considerabile în prezența implanturilor dentare. În acest caz, indicele
gamma, la izodoze mari (peste 90 %) pentru țintele studiate, a fost între 43 și
47 %. Rezultatele arată că implanturile dentare provoacă perturbări atât în
doza planificată, cât și în doza administrată. Erorile semnificative identificate
în DD planificată/administrată au fost cauzate de faptul că imaginea prelevată
cu un CT cu raze X este perturbată de artefacte, de spațiul de aer din fantomă
și de transformarea coeficientului de atenuare în putere de stopare.
În schimb, CT bazat pe protoni (pCT) poate împiedica artefactele
cauzate de obiecte metalice și face posibilă planificarea unui tratament cu
fascicule de protoni care traversează aceste obiecte. Scopul acestui studiu a
fost de a compara un tratament cu protoni planificat pe imagini prelevate cu
un pCT și CT standard.
Imaginile DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)
obținute cu scanerul experimental pCT și CT standard au fost importate în
versiunea clinică a unui TPS bazat pe metoda MC, RayStation® (RaySearch
Laboratories, Stockholm, Suedia) de la Northwestern Medicine Chicago
Proton Center (NMCPC), Chicago, USA. Artefactele generate de implanturi,
vizibile în CT standard, au fost corectate de planificatorul de tratament.
13
Rezultatele obținute au fost în limitele acceptate, din punct de vedere
clinic, doar pentru planul de tratament planificat pe imagini prelevate cu pCT.
Acest lucru a fost confirmat cantitativ de analiza prin indicele gamma. In cazul
țintelor conturate pe un CT standard, rezultatele obținute au fost sub limitele
clinice.
Prin utilizarea pCT pentru planificarea tratamentului, împreună cu un
TPS bazat pe MC, se poate îmbunătăți în mod eficient concordanța dintre DD
planificată și DD livrată în prezența implanturilor dentare. Imaginea generată
de pCT combinată cu un TPS bazat pe MC a dus la o DD care a fost mai precisă
decât DD planificată cu CT standard, în ciuda unei încercări de corectare a
artefactele CT pe imaginea prelevată cu un CT standard.
Luând în considerare acest avantaj major, se poate concluziona că
planificarea tratamentului cu protoni pentru o țintă care conține sau este
situată în imediata apropiere a implanturilor dentare poate fi făcută cu
precizie, doar utilizând un pCT si un MC TPS.
6. Concluzii generale și recomandari
Cancerul provoacă o mare îngrijorare la nivel global, deoarece numărul
persoanelor diagnosticate cu tumori maligne este într-o continuă creștere.
Există mai multe modalități de distrugere a celulelor canceroase,
printre care terapia externă: radioterapia standard sau terapia cu particule
„grele‖ (hadronoterapia).
În comparație cu radioterapia, hadronoterapia prezintă avantaje
semnificative datorită maximului Bragg, unde particulele depozitează
cantitatea maximă de energie în tumoare. Astfel, țesuturile sănătoase aflate
înaintea tumorii sau în spatele acesteia sunt mai puțin expuse la radiații,
diminuând efectele particulelor asupra acestora.
Odată cu extinderea centrelor de hadronterapie, crește și numărul
pacienților cărora li se prescrie terapia cu protoni, ceea ce conduce la situații
clinice inedite care necesită investigații suplimentare. Un astfel de caz este cel
abordat de această lucrare, care încearcă să ofere o soluție pentru pacienții
care prezină implanturi metalice lângă tumoare și cărora li se prescrie
hadronoterapia ca modalitate de tratament.
Experimentele inițiale au fost efectuate cu scopul de studia spectrele
TLE și D la trecerea unui fascicul de protoni sau ioni de C prin fantome ce
conțin implanturi de șold fabricate din Ti și SS. TLE reprezină o componentă
importantă în caracterizarea câmpului de radiații. Detectarea unui câmp de
radiații cu un spectru TLE extins conduce la efecte biologice semnificative ce
pot provoca efecte secundare nedorite.
Rezultatele din Teză au arătat că spectrele TLE nu se modifică dacă este
folosită o energie înaltă și implanturile sunt localizate corespunzătoar primei
părți a curbei Bragg. Simulările în codul Geant4 au arătat că, pe lângă protonii
secundari, contribuția celorlalte particule secundare este foarte mică. Această
14
constatare permite utilizarea datelor experimentale pentru crearea unui
model teoretic pentru validarea codurilor de simulări MC.
Programele 3D de planificare a tratamentului sunt într-o continuă
dezvoltare și în viitor vor implementa un nou algoritm pentru calcularea
distribuției TLE. Pentru ca versiunea experimentală a acestor programe să fie
acceptată în clinici, ea trebuie să fie validată folosind date experimentale
și/sau simulări MC.
Datele experimentale obținute în această Teză pot fi folosite la
validarea sistemelor de planificare a tratementului care calculează distribuțiile
TLE.
Când implanturile au fost localizate în imediata apropiere a punctului
maxim al curbei Bragg, s-a constatat o creștere semnificativă în fluența
particulelor și DA, la granița dintre implanturi și materialul echivalent
țesutului. Protonii și particulele secundare create în materialele de Ti sau SS s-
au împrăștiat și au format acel surplus de doză la marginea dintre cel mai gros
implant și plastic. În acest caz, riscul de apariție a efectelor secundare este
foarte ridicat. Această doză suplimentară trebuie calculată corect și luată în
considerare în cazul în care există un pacient cu implanturi localizate în
izocentrul tumorii.
Alt aspect abordat în această Teză a fost estimarea erorilor dozimetrice
care apar în tratarea unui pacient cu tumori aflate în vecinătatea a două
implanturi dentare. Utilizând tehnologia actuală, erorile detectate au fost
foarte mari, dar fiind sub limitele acceptate clinic pentru ambele situații
clinice investigate.
Au fost detectate erori cauzate de metoda de imagistică, în principal,
artefacte de imagine și erori apărute la conversia HU în puterea de stopare a
protonilor. O altă sursă de erori o reprezină metoda de calcul a DD folosită de
TPS. Deoarece, folosind metodele aplicate în prezent, au apărut erori sub
limita acceptată clinic în terapia cu protoni, s-a continuat cercetarea cu scopul
de a diminua erorile.
Metoda de imagistică standard care folosește un CT bazat pe raze X a
fost înlocuită de o tehnologie inovatoare aflată în stadiu experimental. S-a
utilizat un CT bazat pe protoni pentru a colecta imaginea folosită la diagnostic.
Această imagine, de o calitate cu mult superioară celei colectate folosind un
CT convențional, furnizează direct puterea de stopare a protonilor și nu
prezină artefacte de imagine provocate de implanturi.
Erorile cauzate de TPS au fost eliminate folosind un sistem de
planificare a tratamentului bazat pe metoda MC. Procesele fizice care apar la
interacțiunea particulelor cu implanturile sunt foarte bine caracterizate, iar
doza suplimentară creată de particulele împrăștiate în Ti poate fi corect
estimată.
S-au obținut rezultate acceptate clinic, atunci când s-a conturat ținta pe
o imagine pCT și când distribuția dozei a fost calculată folosind un TPS bazat
15
pe MC. Astfel, pot fi tratați pacienți care au implanturi în vecinătatea
tumorilor și acestea intervin în planul de tratement.
Luând în considerare rezultatele din Teză, se poate concluziona că pCT
și MC TPS vor genera o metodă standard în planificarea viitoare a
tratamentului cu fascicule de protoni pentru pacienții cu implanturi metalice
situate în vecinătatea tumorilor.
7. Contribuții personale 7.1 List of publications in ISI-indexed journals
1. C. Oancea, I. Ambrozova, A. I. Popescu, G. Mytsin, V. Vondracek and M. Davidkova, LET spectra behind high-density titanium and stainless steel hip implants irradiated with a therapeutic proton beam, Radiation Measurements, 110, 7 – 13, 2018. doi: 10.1016/j.radmeas.2018.01.003
2. C. Oancea, K. Shipulin, G. Mytsin, A. Molokanov, D. Niculae, I. Ambrozova, and M. Davidkova, Effect of titanium dental implants on proton therapy delivered for head tumors: experimental validation using an anthropomorphic head phantom, Journal of Instrumentation, volume 12, C03082, 2017. doi:10.1088/1748-0221/12/03/C03082
3. C. Oancea, A. Luu, I. Ambrozova, G. Mytsin, V. Vondracek, M. Davidkova, Perturbations of radiation field caused by titanium dental implants in pencil proton beam therapy, Journal Physics in Medicine and Biology (under revision)
7.2 Participation in International Conferences
Oral Presentations:
1. C. Oancea, The 4th Annual Loma Linda Imaging and IMRT/IMPT algorithm workshop 2018, Loma Linda, California, USA, 6-8 August, ‖Applications of the proton-based CT: a phantom study‖
2. C. Oancea, A. Luu, I. Ambrozova, G. Mytsin, V. Vondracek, M. David- kova, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Prague, Czech Republic, 3-8 June 2018, Oral presentation: ‖Track-etched detectors measurements and Geant4 Monte Carlo simulations of the LET distributions behind dental implants irradiated with therapeutic proton beam‖
3. C. Oancea, The 3rd Annual Loma Linda Imaging and IMRT/IMPT algorithm workshop 2017, Loma Linda, California, USA, 4-10 August, Oral presentation:‖ The Influence of Metallic Implants on the Accuracy of IMPT Plans Proton Cancer Therapy‖
4. C. Oancea et al., NEUDOS 13, Krakow, Poland, 14-19 May 2017 Oral pre- sentation: ―Dose Distributions Delivered by Double Scattering and Pencil Scanning Beam Systems to Head Phantom Containing Dental Implants‖
5. Oancea, I. Ambrozovz, G. Mytsin, V. Vondracek, M. Davidkova, The XX International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2016), 14-18 March 2016, Dubna, Russia, Oral
16
presentation: ―Dose perturbations induced by the presence of dental implants in proton therapy‖
6. C. Oancea, I. Ambrozova, A.I. Popescu, G. Mytsin, V. Vondracek, M. Davidkova, DRO 2015, 9-13 November 2015, Mikulov, Czech Republic, Oral presen- tation: ‖The influence of orthopaedic implants on LET spectra of charged particles during proton irradiation‖
7. C. Oancea, ICPS, Int. Conference for Physics Students, 12-19 August 2015, Zagreb, Croatia, Oral presentation: ‖Physics in Particle Beam‖
8. C. Oancea, The XIX International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2015), 15-19 February 2015, Dubna, Russia, Oral presentation: ―Metallic implants in proton therapy‖
Poster Presentation
9. C. Oancea, K. Shipulin, G. Mytsin, M. Gao, M. Pankuch, G. Coutrakon, C. Ordonez, R.P. Johnson, V. Bashkirov, R. Schulte, ESTRO37, Barcelona, Spain, 19-24 April 2018, Poster: ―Comparison of x-ray CT and proton based CT planning in the presence of titanium dental implants‖ Radiotherapy and Oncology 127:S470-S471 DOI: 10.1016/S0167-8140(18)31198-8
10. C. Oancea et al., PTCOG56 scientific and educational sessions, Chiba, Yokohama, Japan, 8-13 May 2017, Poster: ‖LET spectra behind high-density dental and hip implants irradiated with a scanned carbon ion pencil beam‖
11. K. Shipulin, C. Oancea et al., PTCOG56 Chiba, Yokohama, Japan, 8-13 May 2017, Poster: ―Verification of the ―XiO‖ TPS using Radiochromic Films‖
12. C. Oancea et al., 3rd ELIMED Workshop MEDical and multidisciplinary applications in laser-driven accelerators, September 7-10, 2016, Catania, Italy, Poster presentation: ―Investigation of the effect of titanium dental implants on proton therapy delivered for head tumors: experimental validation using an anthropomorphic head phantom‖
13. C. Oancea, I. Ambrozova, G. Mytsin, V. Vondracek, M. Davidkova, PTCOG55, May 22-18, 2016, Prague, Czech Republic, Poster: ―Influence of metallic implants on LET spectra of charged particles during proton irradiation―
14. C. Oancea, K.P. Brabcova, I. Ambrozova, G. Mytsin, S. Greilich, M. Davidkova, PTCOG55, May 22-18, 2016, Prague, Czech Republic, Poster: ―Impact of metallic implants on particle spectra in therapeutic carbon beams―
15. C. Oancea, I. Ambrozova, A.I. Popescu, G. Mytsin, V. Vondracek,
M. Davidkova, PTCOG54, 18-23 May 2015, San Diego, USA, Poster: ―Study of the hip phantoms irradiated with proton beams‖
Participation in Courses/Workshops
• International Symposium on Carbon Ion Therapy, 3-4 November 2016,
17
Milano, Italy
• Geant4 Course at the 13th Seminar for Nuclear, Sub-nuclear and Applied Physics, 5-10 June 2016, Porto Conte, Alghero, Italy
• International Conference on Translational Research in Radio-Oncology| Physics for Health in Europe (ICTR-PHE), 14-19 February 2016, Geneva, Switzerland
• ELI Summer School Prague 23-28 August 2015
• SASc-ISOLDE Spring Workshop on GEANT4, April 26 – May 1, 2015, Casta- Papiernicka Centre, Slovakia
Bibliografie selectivă
1. Daniela Schulz-Ertner and Hirohiko Tsujii. Particle Radiation Therapy
Using Proton and Heavier Ion Beams. Journal of Clinical Oncology,
25(8):953–964, 2007.
2. Hirohiko Tsujii, Tadashi Kamada, Masayuki Baba, Hiroshi Tsuji, Hirotoshi
Kato, Shingo Kato, Shigeru Yamada, Shigeo Yasuda, Takeshi Yanagi, Hiroyuki
Kato, Ryusuke Hara, Naotaka Yamamoto, and Junetsu Mizoe. Clinical
advantages of carbon-ion radiotherapy. New Journal of Physics,
10(7):075009, 2008.
3. Particle Therapy Co-Operative Group. webpage http://ptcog.web.psi.ch.
2017.
4. Robert R. Wilson. Radiological Use of Fast Protons. Radiology, page 47,
1946.
5. K. Pachnerova Brabcova, I. Ambrozova, Z. Koliskova, and A. Malusek.
Uncertainties in linear energy transfer spectra measured with track-etched
detectors in space. Radiation Measurements, 713:5–10, 2013.
6. Martin J. Butson, Peter K. N. Yu, Tsang Cheung, and Peter Metcalfe. Ra-
diochromic film for medical radiation dosimetry. Materials Science and
Engineering R: Reports, 41(3-5):61–120, 2003.
7. J. Sorriaux, A. Kacperek, S. Rossomme, J. A. Lee, D. Bertrand, S. Vynckier,
and E. Sterpin. Evaluation of Gafchromic® EBT3 films characteristics in
therapy photon, electron and proton beams. Physica Medica, 29(6):599–606,
2013.
8. M. A. Carrasco, M. Perucha, F. J. Luis, M. Baeza, and M. Herrador. A com-
parison between radiochromic EBT2 film model and its predecessor EBT film
model. Physica Medica, 29(4):412–422, 2013.
9. Christian Fiandra, Umberto Ricardi, Riccardo Ragona, Silvia Anglesio,
Francesca Romana Giglioli, Elisa Calamia, and Francesco Lucio. Clinical use
18
of EBT model Gafchromic film in radiotherapy. Medical Physics, 33(11):4314–
4319, 2006.
10. Omar A. Zeidan, Stacy Ann L. Stephenson, Sanford L. Meeks, Thomas H.
Wagner, Twyla R. Willoughby, Patrick A. Kupelian, and Katja M. Langen.
Characterization and use of EBT radiochromic film for IMRT dose
verification. Medical Physics, 33(11):4064–4072, 2006.
11. G. Gambarini, V. Regazzoni, E. Artuso, D. Giove, A. Mirandola, and
M. Ciocca. Measurements of 2D distributions of absorbed dose in
protontherapy with Gafchromic EBT3 films. Applied Radiation and Isotopes,
104:192– 196, 2015.
12. M. Martišíková and O. Jäkel. Gafchromic® EBT films for ion dosimetry.
Radiation Measurements, 45(10):1268–1270, 2010.
13. Sou-Tung Chiu-Tsao, David Medich, and John Munro. The use of new
GAFCHROMIC® EBT film for I125 seed dosimetry in Solid Water® phantom.
Medical Physics, 35(8):3787–3799, 2008.
14. Friedlieb Lorenz, Adrian Nalichowski, Florin Rosca, Jong Kung, Frederik
Wenz, and Piotr Zygmanski. Spatial dependence of MLC transmission in
IMRT delivery. Physics in Medicine and Biology, 52(19):5985–5999, 2007.
15. International Specialty Products. Self-Developing Film for Radiotherapy
Dosimetry. Film, (August), 2007.
16. Suresh Rana, Gary Larson, Carlos Vargas, Megan Dunn, and Yuanshui
Zheng. Intensity modulated proton therapy versus uniform scanning proton
therapy: Treatment planning study of the prostate cancer in patients with a
unilateral metallic hip prosthesis. Journal of Proton Therapy, 1(1):113, 2015.
17. Chester Reft, Rodica Alecu, Indra J. Das, Bruce J. Gerbi, Paul Keall,
Eugene Lief, Ben J. Mijnheer, Nikos Papanikolaou, Claudio Sibata, and Jake
Van Dyk. Dosimetric considerations for patients with HIP prostheses
undergoing pelvic irradiation. Report of the AAPM Radiation Therapy
Committee Task Group 63. Medical Physics, 30(6):1162–1182, 2003.
18. Oliver Jäkel and Petra Reiss. The influence of metal artefacts on the range
of ion beams. Physics in Medicine and Biology, 52(3):635–644, 2007.
19. Suresh B Rana and Shyam Pokharel. A dosimetric study of volumetric
modu- lated arc therapy planning techniques for treatment of low-risk
prostate can- cer in patients with bilateral hip prostheses. South Asian Journal
of Cancer, 3(1):18–21, 2014.
20. Esther Bär, Andrea Schwahofer, Stefan Kuchenbecker, and Peter Häring.
Im- proving radiotherapy planning in patients with metallic implants using
the iterative metal artifact reduction (iMAR) algorithm. Biomedical Physics &
Engineering Express, 1(2):025206, 2015.
21. Xiaokang Li, Peng Gao, Peng Wan, Yifeng Pei, Lei Shi, Bo Fan, Chao Shen,
Xin Xiao, Ke Yang, and Zheng Guo. Novel Bio-functional Magnesium Coat-
ing on Porous Ti6Al4V Orthopaedic Implants: In vitro and In vivo Study.
Scientific Reports, 7:40755, 2017.
22. J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, H. Araujo, P. Arce Dubois, M. Asai,
19
G. Barrand, R. Capra, S. Chauvie, R. Chytracek, G.A.P. Cirrone, G. Coop-
erman, G. Cosmo, G. Cuttone, G.G. Daquino, M. Donszelmann, M. Dres- sel,
G. Folger, F. Foppiano, J. Generowicz, V. Grichine, S. Guatelli,
P. Gumplinger, A. Heikkinen, I. Hrivnacova, A. Howard, S. Incerti, V.
Ivanchenko, T. Johnson, F. Jones, T. Koi, R. Kokoulin, M. Kossov, H.
Kurashige, V. Lara, S. Larsson, F. Lei, O. Link, F. Longo, M. Maire, A.
Mantero, B. Mascialino, I. McLaren, P. Mendez Lorenzo, K. Minamimoto, K.
Murakami, P. Nieminen, L. Pandola, S. Parlati, L. Peralta, J. Perl, A. Pfeif- fer,
M.G. Pia, A. Ribon, P. Rodrigues, G. Russo, S. Sadilov, G. Santin, T. Sasaki, D.
Smith, N. Starkov, S. Tanaka, E. Tcherniaev, B. Tome, A. Trindade, P.
Truscott, L. Urban, M. Verderi, A. Walkden, J. P. Wellisch, D. C. Williams, D.
Wright, and H. Yoshida. Geant4 developments and appli- cations. IEEE
Transactions on Nuclear Science, 53(1):270–278, 2006.
23. S. Agostinelli, J. Allison, K. Amako, J. Apostolakis, H. Araujo, P. Arce, M.
Asai, D. Axen, S. Banerjee, G. Barrand, F. Behner, L. Bellagamba, J. Boudreau,
L. Broglia, A. Brunengo, H. Burkhardt, S. Chauvie, J. Chuma, R. Chytracek, G.
Cooperman, G. Cosmo, P. Degtyarenko, A. Dell ’ac- qua, G. Depaola, D.
Dietrich, R. Enami, A. Feliciello, C. Ferguson, H. Fe- sefeldt, G. Folger, F.
Foppiano, A. Forti, S. Garelli, S. Giani, R. Gi- annitrapani, D. Gibin, J.J.G.
Omez Cadenas, I. Gonz Alez, G. Gracia Abril, G. Greeniaus, W. Greiner, V.
Grichine, A. Grossheim, S. Guatelli, P. Gumplinger, R. Hamatsu, K.
Hashimoto, H. Hasui, A. Heikkinen, A. Howard, V. Ivanchenko, A. Johnson,
F.W. Jones, J. Kallenbach Aa, N. Kanaya, M. Kawabata, Y. Kawabata, M.
Kawaguti, S. Kelner, P. Kent, A. Kimura, T. Kodama, R. Kokoulin, M. Kossov,
H. Kurashige, E. Lamanna, T. Lamp En Ah, V. Lara, V. Lefebure, F. Lei, M.
Liendl, W. Lockman, F. Longo, S. Magni, M. Maire, E. Medernach, K.
Minamimoto, P. Mora De Freitas, Y. Morita, K. Murakami, M. Nagamatu, R.
Nartallo, P. Nieminen, T. Nishimura, K. Ohtsubo, M. Okamura, S. O ’neale, Y.
Oohata, K. Paech, J. Perl, A. Pfeiffer, M.G. Pia, F. Ranjard, A. Rybin, S.
Sadilov, E. Di Salvo, G. Santin, T. Sasaki, N. Savvas, Y. Sawada, S. Scherer, S.
Sei, V. Sirotenko, D. Smith, N. Starkov, H. Stoecker, J. Sulkimo, M. Takahata,
S. Tanaka, E. Tcherniaev, E. Safai Tehrani, M. Tropeano, P. Truscott, H. Uno,
L. Ur- ban, P. Urban, M. Verderi, A. Walkden, W. Wander, H. Weber, J.P.
Wellisch, T. Wenaus, D.C. Williams, D. Wright, T. Yamada, H. Yoshida, and D.
Zschi- esche. Geant4—a simulation toolkit. Nuclear Instruments and Methods
in Physics Research A, 506(506):250–303, 2003.
