Zkušenosti s verifikací ozařovací techniky VMAT Rapid Arc

Zkušenosti s verifikací ozařovací techniky VMAT Rapid Arc Karel Nechvíl, Jiří Mynařík Multiscan s.r.o., RC Pardubice www.multiscan.cz XXXIII. DNI RADIAČNEJ OCHRANY Hotel Sitno Štiavnické vrchy - Vyhne 7.11. -11.11.2011

Osnova 1. Úvod 2. Metodika 2.1 testy hodnotící nastavení ozařovače» 2.1.1 PF test, DRGS test, DRMLC test 2.2 testy hodnotící jednotlivé ozařovací plány 3. Výsledky 4. Závěr» 2.2.1 měření ionizační komorou v bodě ve fantomu» 2.2.2 porovnání 2D dávkových distribucí - Epiqa» 3.1 porovnání ionizačních komor FC65-G, FC65-P, CC01, CC13» 3.2 vliv rozměrů (resp. umístění) IK na přesnost měření» 3.3. dlouhodobé hodnoty (Epiqa, IK)

Úvod Cílem této práce je popsat rozšíření QA programu pro lineární urychlovač o systém RapidArc a program pro verifikaci dávky z jednotlivých ozařovacích plánů tvořených touto technikou QA program by měl pokrývat kritické součásti techniky RapidArc (VMAT) [2, 4] : přesnost pohybu DMLC (0-3 cm/s) měnící se (modulovaný) dávkový příkon během ozařování (0 600 MU/min) modulovanou rychlost gantry (0.5 4.8 /s) VMAT (volumetric modulated arc therapy) je relativně nové technika, jejímž cílem je doručení konformních dávkových distribucí v krátkém čase a tudíž zlepšení komfortu pacienta a snížení chyb, ke kterým může dojít během jednotlivých frakcí [1] Různí výrobci přijaly tuto techniku doručení radiační dávky na svých lineárních urychlovačích různými způsoby. Firma Varian Medical System uzpůsobila tuto techniku pod názvem Rapid Arc

Rapid Arc rozvinutá podoba IMRT techniky IMRT = Intenzity Modulated RadioTherapy popadající fotonový svazek je modulovaný vysoce konformní technika zvýšení doručené dávky, šetření rizikových orgánů VMAT v podání Varianu, tj. Rapid Arc, implicitně představuje doručení dávky během jedné 360-stupňové rotace gantry zahrnující 177 fixních řídících bodů (ačkoliv vícenásobné kyvy jsou taktéž podporovány) [2] základními znaky Rapid Arc jsou: nižší počet MU kratší ozařovací čas ekvivalentní nebo lepší dávková distribuce oproti IMRT plány založené na optimalizaci popsané v práci [3, K. Otto, Volumetric modulated arc therapy: IMRT in a single gantry arc, Med. Phys. 35, 310-317 (2008)]

Rapid Arc-ový plán posouvá svou komplexností doručení radiační dávky na další úroveň není možné uvažovat pouze s dynamickým pohybem lamel během ozařování, ale přesnost doručení dávky významně ovlivňují další faktory. přesná rotace objemného mechanismu gantry požadavek na nastavení složitých elektronických komponent, které je třeba při změnách dávkového příkonu Nezávislá verifikace doručení takto složitých plánů je nezbytný předpoklad před zahájením ozařování pacientů těmito plány

Metodika Rutinní QA program pro Rapid Arc lze rozdělit do dvou kategorií: testy související s nastavením ozařovače mechanické dozimetrické testy související s jednotlivými ozařovacími plány nezávislá kontrola přesnosti doručené dávky

Testy související s nastavením ozařovače Testy doplňující QA ozařovače byly poskytnuty firmou Varian Medical System (Palo Alto, CA), byly původně navrženy v práci [2, C. Clifton Ling et al., Commissioning and Quality Assurance of RapidArc radiotherapy delivery system, Int. J. Rad. Onc. Biol. Phys. 72, No. 2, pp- 575-581 (2008)] Měření jsou prováděna pomocí portálového zobrazovače a jedná se o: PF test (picket fence) testuje se přesnost pozice lamel a přesnost vzdálenosti mezi protilehlými lamelami DRGS test (dose-rate and gantry speed) hodnotí schopnost měnit dávkový příkon a rychlost gantry během RapidArc ozařování DRMLC test (dose-rate and MLC speed) hodnotí schopnost přesně měnit rychlost lamel MLC a dávkového příkonu během RapidArc ozařování

PF test (picket fence) V tomto testu přejede 60 párů lamel MLC přes clonami kolimované pole 200 mm x 390 mm s tím, že se MLC zastaví každých 20 mm po rotaci ramene o 28.6 stupňů a dojde k ozáření 1 mm široké mezery. Výsledkem je deset proužků získaných během rotace gantry. Testuje se přesnost pozice lamel přesnost vzdálenosti mezi protilehlými lamelami Tyto testy jsou hodnoceny použitím programu Epiqa [5] a ImageJ [6].

DRGS test (dose-rate and gantry speed) DRGS test hodnotí regulaci dávkového příkonu a rychlosti gantry. Test se skládá ze sedmi segmentů s tím, že každý segment je tvořen pro různou kombinaci dávkového příkonu a rychlosti gantry tak, aby dávka pro každý z těchto segmentů byla stejná. Řady MLC lamel tvoří otevřené statické pole 200mm x 20mm ozářené během rotace gantry o určitý úhel. MLC lamely se poté simultánně posunou, přičemž během tohoto přesunu je svazek zastaven, posléze je ozářena další část MLC a je vytvořen druhý segment, takto je vytvořeno všech sedm segmentů (viz. obrázek a tabulka)

DRMLC test (dose-rate and MLC speed) DRMLC test hodnotí regulaci dávkového příkonu a rychlost lamel MLC. Test se skládá ze čtyř segmentů tvořených různými kombinacemi dávkového příkonu a rychlosti lamel MLC tak, aby dávka pro každý z těchto segmentů byla stejná Řady MLC lamel jsou na počátku zavřeny. Jedna řada lamel je pak vysunuta tak, aby bylo vytvořeno pole 200mm x 20mm, poté je druhá řada lamel posunuta tak, aby toto pole zavřela. Tyto pohyby se opakují dokud nejsou vytvořeny čtyři stejné segmenty v různých částech EPID. Pro to, aby bylo možno udržet stejnou dávku v 2. segmentu při dosažení maximální rychlosti lamel (2.4 cm/s), je nutné snížit rychlost gantry na 4.0 stupně/s

testy související s jednotlivými ozařovacími plány nezávislá kontrola přesnosti doručení plánované dávky jednotlivým pacientům pacient related QA Přístrojové vybavení pro tento typ QA: film 2D, resp. 3D pole detektorů: ArcCheck (Sun Nuclear) Delta4 (ScandiDos) MatriXX / cube (IBA Dosimetry) Octavius (PTW) ionizační komora EPID

Proč je vhodné dělat tento typ testů? (tj. testů souvisejících s jednotlivými plány) Složitost dávkových distribucí IMRT polí IMRT technika (včetně její modifikace RapidArc) v sobě zahrnuje doručení složitých tvarů dávkových distribucí a často umístění velkých dávkových gradientů blízko kritických struktur Modulace fluence umožňuje oddělit cílový objem a geometrii kritické struktury i přes to, že svazek směřuje přímo přes tyto kritické struktury proces optimalizace fluence limituje dávky kritickým strukturám na rozdíl od 3DCRT procedury nemůže být pro kontrolu kritických struktur použito portálové zobrazování Konvenční 3DCRT procedury obvykle využívají BEV (beam eye view) přístup a plány jsou tvořeny superpozicí relativně velkých polí s nízkým gradientem fluence Časový charakter doručení IMRT dávky Pro 3DCRT procedury je svazek většinou statický v tom smyslu, že gantry, kolimátor a lůžko jsou při ozařování statické. Jelikož je svazek statický může být charakteristika svazku dána ionizační komorou ve vodním fantomu, s tím, že je možné místa mezi měřícími body popsat interpolací Dozimetrická přesnost ionizačních komor umožňuje kvantitativní měření. Při uvádění 3DCRT plánovacího systému do provozu tak není nutné měřit všechny klinicky používané konfigurace svazku [7] stačí určitá podmnožina těchto svazků Doručení IMRT dávky je často dynamický proces, kde dopadající tvar a intenzita fluence se během léčby mění, tudíž přístup ke commissioningu (uvedení do provozu) plánovacího systému stejným způsobem jako pro 3DCRT by byl nepraktický proto pro IMRT plány je měření dávky omezeno na integrální dozimetrické techniky

spletitost IMRT 3D dávky spolu s potlačením vazby geometrie svazku výsledná dávka (díky optimalizaci fluence) znamená, že QA pro IMRT distribuce se musí zaměřit kumulativní doručenou dávku měření ionizační komorou v bodě ve fantomu spíše, než na QA jednotlivých segmentů jako v případě 3DCRT Stejně tak je pro IMRT nutná kontrola dávky ve více místech [7] porovnání 2D dávkových distribucí - Epiqa

měření ionizační komorou v bodě ve fantomu pro měření dávky v bodě se používá cylindrická ionizační komora (má vhodné vlastnosti: výborná stabilita, lineární odezva na absorbovanou dávku v bodě, malá směrová závislost, návaznost na primární standard) typ ionizační komory IBA Dosimetry Cavity volume (cm³) Cavity length (mm) Cavity radius (mm) Wall thickness (g/cm 2 ) CC13 0,13 5,6 3,0 0,070 Pro IMRT měření je důležité vysoké prostorové rozlišení je vhodné zvolit komoru s malým aktivním objemem (velké dávkové gradienty a segmenty malých polí v IMRT plánech) [7] Před měření byla provedena křížová kalibrace vůči lokálnímu sekundárnímu standardu je stanovena odezva IMRT ionizační komory; v rámci přípravy na měření by mělo dojít k teplotní rovnováze (fantom, komora, teplota v ozařovně) Fantom a ionizační komora jsou nastaveny a orientovány správně s ohledem na lineární urychlovač prostorový souhlas izocentra při nastavením měření a při výpočtu dávky v TPS by měl být menší než 1 mm [7]

v TPS je nejprve vytvořen verifikační plán, tj. klinický plán je spočten ve fantomu a dávka znormalizovaná tak, aby v referenčním bodě - izocentru bylo 100 % dávky pro danou frakci v izocentru je následně změřěna dávka dle protokolu TRS-398; změřená dávka je porovnána s dávkou spočtenou v TPS

v rámci testování byl proveden výpočet dávky v TPS ve pěti různých referenčních bodech ve fantomu v těchto bodech bylo provedeno srovnávací měření pomocí předem vybraných (viz. Výsledky) ionizačních komor

porovnání 2D dávkových distribucí - Epiqa pro porovnání 2D dávkových distribucí (vypočtená v TPS a změřená pomocí portálového zobrazovače) se používá program Epiqa; www.epidos.eu Tento software je založený na kalibračním algoritmu GLAaS (General Linear calibration Algorithm for Varian A-Si Portal Vision) GLAaS algoritmus konvertuje PV-aS500 (as1000) obrazy pro IMRT (RapidArc) pole na absolutní dávkovou matici v hloubce maximální dávky d max ve voděekvivalentním materiálu [8, G.A. Nicolini et al., An absolute dose calibration algorithm for an amorphous silicon portal imager. Application to IMRT verification, Med. Phys. 33, 2839-2851, 2006] GLAaS algoritmus lze považovat za účinný QA nástroj pro verifikací RapidArc polí [9, G.A. Nicolini et al., The GLAaS algorithm for portal dosimetry and quality assurance of RapidArc, an intensity modulated rotational therapy, Radiation Oncology, 3:24, 2008]

flat-panely na bázi amorfního silikonu (a-si) vykazují vysoké prostorové rozlišení (0.392 mm/pxl), poměrně velkou detekční plochu, stabilitu, dynamický rozsah a schopnost akvizice v reálném čase dozimetricky zajímavou vlastností je lineární odezva a-si panelů D(Gy)=m*R+q IMRT a RapidArc pole se však během doručení dávky průběžně mění. GLAaS algoritmus bere tyto změny v čase a pozici v úvahu použitím parametrů m a q, a rozlišuje primární a transmisní (pod MLC) záření na bázi pixel-by-pixel Celková dávka d i v i-tém pixelu pro celé doručení dávky (kyv) je: d i = d pr,i + d tr,i d i N s 1 m pr, s ( EwwF ) r q m, q jsou parametry lineární odezvy (přímka - sklon, průsečík) pro pole velikosti EwwF (Equivalent window width Field) m r je odečet (reading) pro primární záření a pro daný řídící bod s ( R ) q R je celkový PV odečet, popisek pr a tr odpovídá primárnímu a transmisnímu záření i, s pr, s tr i N s 1 r i, s tr pole je bráno jako součet N segmentů řídích bodů. Klíčové prvky algoritmu GLAaS jsou stejné jak pro jedno statické pole, tak i pro RapidArc: znalost tvaru MLC a stavu (velikosti) doručené dávky v každém okamžiku -tyto informace jsou plně obsaženy v DICOM-RT plánech z plánovacího systému. RapidArc je charakterizován měnícím se dávkovým příkonem během doručení dávky. Bylo prokázáno [10], že odezva detektoru je nezávislá na dávkovém příkonu; v tomto ohledu lze tedy použít sadu kalibračních parametrů pro celé pole získané při jakémkoliv dávkovém příkonu

konfigurace GLAaS algoritmu se skládá z analytického určení sady empirických parametrů (a, b, c, d, k, q pr, q tr ) tyto parametry umožňují pro každé pole o velikosti EwwF, bez nutnosti rozsáhlých tabulkových dat, výpočet potřebného uhlového koeficientu m pr (EwwFs) použitého pro konverzi odečtu EPID na dávku OF( EwwF ) m pr ( OF) m c d ln( EwwF ) 1 a OF b k tr m pr EwwF. je equivalent field size pro každý segment m pr. je sklon (úhlový koeficient) pro primární záření OF. je output factor změřený pomocí PV zobrazovače

změřené matice a zkonvertované pomocí GLAaS algoritmu jsou porovnány s maticemi spočtenými v TPS Elipse. pro každý Rapid Arc plán je generován tzv. verifikační plán; Je spočten ve vodním fantomu se stejnými parametry (MLC a dávkový příkon) a stejným výpočetním modelem (AAA ver. 8.9.8) jaké má samotný ozařovací plán toto bývá často zmiňováno jako výhoda oproti klasické EPID, kde se používá PDIP algoritmus k výpočtu verifikačního plánu a porovnávají se vypočtené a změřené fluence, nikoli vlastní dávkové matice konfigurační postup je detailně popsán v manuálu k programu Epiqa, který byl několikrát testován a výsledky byly publikovány i u nás [11, Nový Jičín 2010] změřené dávkové distribuce jsou kvantitativně porovnávány s vypočtenými dávkovými distribucemi metody porovnání jsou založeny na lokálních dávkových gradientech gama analýza, GAI [%] [12], kritéria 3 mm, 3 %

Verifikační plán -TPS PV obraz Epiqa

výběr ionizační komory 6MV: Výsledky rel R measure R R calc calc 100 abs R measure R calc

výběr ionizační komory 18MV: rel R measure R R calc calc 100 abs R measure R calc

měření různými ionizačními komorami v pěti různých bodech ve fantomu 6MV:

měření různými ionizačními komorami v pěti různých bodech ve fantomu 18 MV:

rel. odezva i. komor [%] relativní odezva komor FC65-P, CC13 a CC01 na zvyšující se dávku (modelový plán, u kterého se dávka na frakci postupně zvyšuje 2,2; 4 a 6 Gy): schopnost systému doručit plánovanou dávku různých velikostí odezva ionizačních komor na zvyšující se dávku 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 0,25 0,00 2,00 4,00 6,00 zvyšující se dávka na frakci [Gy]

vliv rozměrů IK a dávkových gradientů na přesnost měření dávky? FC65-G (P)

vliv rozměrů IK a dávkových gradientů na přesnost měření dávky? CC13

vliv rozměrů IK a dávkových gradientů na přesnost měření dávky? FC65-G (P)

vliv rozměrů IK a dávkových gradientů na přesnost měření dávky? CC13

Výsledky - Epiqa 3% 3 mm nom. Energie > 1 [%] GAI [%] počet polí prostata 6 MV 1,21±0,67 98,79±0,67 20 prostata 18 MV 4,18±0,65 95,88±0,59 102 krk 6 MV 3,44±0,99 96,56±0,99 92 Výsledky - IK 2011 CC13 počet pac. rel. [%] abs. [Gy] 6 MV 18MV 251-1,14±1,41-0,02±0,03

Závěr z literatury byla provedena rešerše a rozbor dostupných QA testů a verifikačních metod pro ozařovací techniku Rapid Arc vybrané testy byly zavedeny a výsledky porovnány s literaturou byly testovány vlastnosti jednotlivých ionizačních komor a proveden výběr ionizační komory u testovací skupiny probíhalo měření paralelně v pěti bodech ve fantomu a byl zhodnocen vliv umístění komory pro porovnání 2D dávkových distribucí je využíván systém EPID spolu se softwarem Epiqa, přičemž byly stanoveny dlouhodobé výsledky a porovnány s literaturou

REFERENCES 1. M.Bakhari and L. Kumaraswamy, Using an EPID for pacient-specific VMAT quality assurance, Med. Phys. 38, 1366-1372 (2011). 2. C. Clifton Ling et al., Commissioning and Quality Assurance of RapidArc radiotherapy delivery system, Int. J. Rad. Onc. Biol. Phys. 72, No. 2, pp- 575-581 (2008) 3. K. Otto, Volumetric modulated arc therapy: IMRT in a single gantry arc, Med. Phys. 35, 310-317 (2008) 4. M. K. Jorgensen et al., Tolerance levels of EPID-based quality control for volumetric modulated arc therapy, Med. Phys. 38, 1425-1434 (2011) 5. www.epidos.eu 6. W.S. Rasband, IMAGEJ, U.S. National Institutes of Health, Bethesda, MD (http://rsb.info.nih.gov/ij/), 2009 7. D.A. Low et al., Dosimetry tools and techniques for IMRT, Med. Phys. 38, 1313-1338, 2011 8. G.A. Nicolini et al., An absolute dose calibration algorithm for an amorphous silicon portal imager. Application to IMRT verification, Med. Phys. 33, 2839-2851, 2006

9. G.A. Nicolini et al., The GLAaS algorithm for portal dosimetry and quality assurance of RapidArc, an intensity modulated rotational therapy, Radiation Oncology, 3:24, 2008 10. G.A. Nicolini et al., Testing the portal imager GLAaS algorithm for machine quality assurance, Radiation Oncology, 3:14, 2008 11. Fribertová M., Lojko D. Verifikácia IMRT s využitím portálovej dozimetrie a softwaru Epiqa ; Navrátil M., EPIQA QA lineárního urychlovače pomocí EPID, Sympózium o radiační onkologii, Nový Jičín 2010 12. D.A. Low et al. A technique for quantitative evaluation of dose distributions, Med. Phys. 25, 656-661 (1998)