Radyoterapi Tedavi Planlarının Optimizasyon Problemleri

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 Radiographs DRR Beams-Eye Views (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 9 Yoğunluk Ayarlı Demet 3 Hedef hacim GTV 76 Gy Subklinik 66 Gy Mikroskopik 54 Gy Nominal sınırlamalar Optik sinir <56 Gy Brainstem <53 Gy Gözler <50 Gy IMXT Her iki plan tamamen aynı sınırlamalar ile hesaplandı.fakat dozlarda açık fark var.

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 düşük dozu(under-dosage) gösterir, fakat neresi olduğu için doz dağılımının analizi 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 endpoint 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