Inclusion of biology in treatment planning for proton therapy

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gonçalves, André Lourenço
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/30372
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiação em Diagnóstico e Terapia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Inclusion of biology in treatment planning for proton therapyDistribuição de doseDistribuição de LETIMPTOtimização biológica da doseRBETeses de mestrado - 2017Departamento de FísicaTese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiação em Diagnóstico e Terapia), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017As doenças tumorais são das mais letais em todo o mundo, e são a causa do maior número de mortes após as doenças cardiovasculares. De acordo com a OMS (Organização Mundial de Saúde), estas foram responsáveis por 8,8 milhões de mortes, ou seja, 1 em cada 6 mortes no ano de 2015, e um aumento de 70% da incidência de cancro é esperado num futuro próximo. Em Portugal, o cancro foi responsável por 2516 mortes por milhão de habitantes em 2015, segundo um relatório da DGS (Direção Geral da Saúde). A radioterapia é uma das modalidades de tratamento prevalentes usadas para o combate ao cancro, a par da quimioterapia e da cirurgia, e que consiste no uso de radiação ionizante de um certo tipo e energia para provocar a destruição de células tumorais. No uso desta modalidade de tratamento, o pretendido é fazer a deposição da radiação no tecido tumoral, enquanto se reduz ao máximo a quantidade de radiação incidente nos tecidos saudáveis circundantes. Deste modo, é possível uma redução ou a completa destruição das células tumorais em crescimento descontrolado, enquanto as funções de tecidos e órgãos adjacentes são preservadas. Para que os efeitos secundários advindos de tratamentos com radiação sejam minorados, é também de grande importância a obtenção de imagens médicas da região de interesse. Estas permitem o delineamento das estruturas próximas ao tecido tumoral, e têm sido, a par das técnicas de tratamento, desenvolvidas nos últimos anos. Entre estas técnicas encontram-se as imagens de CT (Computerized Tomography), usadas abundantemente. Técnicas de tratamento são também continuamente desenvolvidas, das quais é exemplo a técnica VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) no tratamento com irradiação usando fotões, em que o tumor é irradiado de vários ângulos, o que permite uma deposição de dose rápida e muito precisa; e o desenvolvimento e uso crescente de irradiação usando partículas carregadas, especificamente iões pesados e protões. Existem algumas vantagens no uso de protões, e da técnica de IMPT (Intensity Modulated Proton Therapy) – modalidade em que, através de planeamento e otimização, a intensidade do feixe usado para o tratamento é alterado para que o perfil de dose coincida com a região do tumor – em relação ao uso de fotões para irradiação, que se prendem com a forma como a sua energia é depositada ao longo do seu percurso, e que culminam nos seus diferentes perfis de deposição de dose. Enquanto os fotões depositam a sua energia maioritariamente a baixas profundidades no tecido que atravessam, levando a uma deposição de dose (energia depositada por unidade de massa) máxima próximo à pele – no caso do uso de EBRT (External Beam Radiation Therapy), terapia em que se utiliza radiação produzida no exterior do paciente –, e com um decréscimo contínuo de energia depositada à medida que atravessa tecido. Por outro lado, os protões depositam a sua energia de uma forma abrupta ao chegar a uma certa profundidade num tecido: a deposição é ténue a baixas profundidades e atinge um pico, denominado pico de Bragg, que se encontra localizado a uma profundidade que está intimamente relacionada com a sua energia inicial; e deposita uma grande parte da sua energia numa curta distância. A profundidades superiores àquela em que se localiza o pico de Bragg, o perfil de deposição de dose decai muito rapidamente, com uma deposição residual apenas alguns milímetros após o pico. Devido a estas diferenças, a dose recebida por órgãos e tecidos que se encontrem numa posição proximal à região a irradiar é reduzida quando é usado um feixe de protões, reduzindo a probabilidade de danificar os mesmos; ajustando a energia do feixe de protões, é possível controlar a posição do pico de Bragg em profundidade, o que permite maximizar a dose depositada por cada feixe no tumor; e devido ao rápido decaimento no perfil de deposição de dose na zona distal ao pico de Bragg, os órgãos localizados nestas regiões podem ser mais protegidos. Por outro lado, a IMPT tem a desvantagem de ser um procedimento mais dispendioso do que a convencional IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy), equivalente da IMPT usando fotões, e os aparelhos para o seu uso menos disseminados. Para além disso, o facto de ser um tipo de radiação com propriedades diferentes das dos fotões leva a que o seu efeito em sistemas biológicos seja diferente. Face ao longo e abundantemente estudado uso de fotões, e a estudos conduzidos sobre o efeito de irradiações com feixes de protões sobre culturas celulares, está atualmente estabelecido pelo ICRU (International Commission of Radiation Units and Measurements) que para aplicações clínicas, se deve ter em conta que para atingir o mesmo efeito biológico de uma irradiação com fotões de uma certa dose é necessária uma dose de fotões 10% superior, ou seja, que o RBE (Relative Biological Effectiveness) de protões tem o valor de 1,1. O RBE pode ser usado para que, dada uma distribuição de dose de protões medida, se possa obter a distribuição de dose de fotões que produz efeitos equivalentes. O valor recomendado para o RBE é, no entanto, contestado. Em particular, diferentes estudos radiobiológicos reportam valores mais elevados para regiões de maior profundidade em tecido, e o seu aumento de acordo com o do LETd (Dose-averaged Linear Energy Transfer), a energia depositada por unidade de comprimento de trajeto, que é elevado em profundidades próximas ao pico de Bragg e para lá deste. Assim, destas publicações surgem diferentes modelos para o cálculo do RBE baseados no modelo LQ (Linear-Quadratic) que usam dados de irradiações de múltiplas linhagens celulares. Estes modelos são baseados nos valores do LET e da dose, que podem ser medidos diretamente. Ainda assim contêm grandes incertezas, que advêm das medições feitas em tecidos biológicos e os efeitos de feixes de protões nos mesmos, particularmente por dependerem do tipo de linhagem celular, da radiossensibilidade de diferentes tecidos, etc. Estes modelos revelam ainda assim que existem diferenças entre o valor atualmente utilizado em procedimentos clínicos e o que é observado experimentalmente, e visto que o valor do RBE é mais alto em maiores profundidades no tecido, é necessário que se tenha em conta este aumento, de especial interesse para os casos em que órgãos saudáveis importantes se encontram imediatamente após o tumor na trajetória do feixe. Aí a dose efetiva DRBE (RBE-weighted dose), que pode ser calculada multiplicando a dose física pelo RBE, é mais elevada, e pode levar a que um plano que fosse aceitável baseado na deposição física de dose se torne num plano clinicamente inaceitável por irradiação excessiva dos OAR (Organs At Risk). Devido às incertezas associadas aos modelos do RBE, uma alternativa foi proposta, em que uma versão simplificada do modelo LQ é usada, e que permite relacionar os valores do RBE diretamente com os valores de dose e LET. No âmbito desta tese, foram implementados modelos analíticos para o RBE, LET e também um modelo unidimensional para a dose, ao longo do eixo de propagação do feixe, usando o software MATLAB 2013a. O modelo para a deposição de dose foi útil do ponto de vista da validação da sua implementação, visto ter sido feita de raiz, a partir dum modelo disponível; mas também por permitir o ajuste de parâmetros livres à partida desconhecidos, como a incerteza associada à energia do feixe de protões simulados e um parâmetro de ajustamento entre o cálculo analítico e o obtido do software de otimização – ERASMUS iCycle – e cálculo de dose. O modelo para o LET foi também usado como método de validação por comparação com a publicação de origem e para o cálculo de uma distribuição de LET que não é obtida na otimização, e é usada para calcular a distribuição de RBE. Originalmente, o uso do RBE foi planeado como sendo o alvo de uma nova otimização usando o software ERASMUS iCycle, que mediante o fornecimento de uma matriz com a grandeza a otimizar e um ficheiro com restrições e objetivos – wishlist – baseadas nos contornos dos órgãos feitos por especialistas ou por software de delineamento sobre a imagem médica do paciente, dá como output uma distribuição tão boa quanto possível dessa grandeza sujeita às restrições impostas e objetivos a cumprir. No entanto, uma limitação do algoritmo deste software forçou o uso do produto do LET pela dose como grandeza a otimizar. Para além disso, a otimização desta grandeza com relevância biológica foi feita após uma otimização inicial sobre a dose física de protões, visto que esta não deve ser criticamente sacrificada por motivos de aceitação do plano final, num ambiente clínico. No final, as re-otimizações foram aplicadas em distribuições de dose de fantomas criados por um software com geometrias de interesse e com aproximação a casos clínicos. As distribuições geradas foram analisadas através dos DVH (Dose-Volume Histograms), que mostram a percentagem do volume de órgãos de interesse a receber uma certa quantidade de dose (e também o produto de dose com LET – LETDVH) recebida, e comparados os valores anteriores e posteriores à re-otimização, com diferentes ângulos de incidência do feixe e com e sem robustez – define se a otimização toma em atenção possíveis erros de posicionamento do paciente e do alvo.Intensity Modulated Proton Therapy (IMPT) is particle therapy modality based on the energy deposition profile of protons. Due to the fast energy loss of a proton at a certain depth in tissue, its depth-dose curve has a peak near the end of its range, which depends on its initial energy. For an IMPT treatment, various sets of proton beams are used to generate successive Bragg peaks, starting from a certain depth and decreasing, in order to fill an irradiation target with an as flat as possible dose deposition plateau – a spread-out Bragg peak (SOBP) –, with each set of beams covering the lateral spread of the target. This leads to a delivery of a conformal dose wash inside that target, while the low dose deposition in the entry region and the almost null one in the exit region allow for a high sparing of healthy tissue. Protons are particles with different properties to photons used for conventional radiotherapy, so they have a different effect on biological tissues. For that reason, they are given a relative biological effectiveness (RBE) of 1.1, a value which has been shown to differ depending on LET, dose, biological endpoint, etc. RBE is given by the ratio between a dose of a reference radiation (usually a well characterized photon source) and a dose of another kind of radiation, like protons, that produce the same biological endpoint. In this work, analytical models for dose and linear energy transfer (LET – particle energy loss per unit length) were implemented as a quicker alternative to Monte Carlo (MC) simulations, and to further implement an RBE model, of which the LET is a part of. Furthermore, this implementation was aimed to be used for biological optimization, but the RBE model is not compatible with the in-house built optimization software ERASMUS iCycle, at the Erasmus MC – Cancer Institute. As an alternative, an optimization on Dose × LET was implemented and applied on a water phantom with some similar to clinical scenario properties. Implementation of the analytical models worked well when comparing to the original models and worked without errors on a box-shaped water phantom and a head-shaped structure with water density. Optimization also worked after a previous optimization of the physical dose distribution using iCycle.Heijmen, BenPeralta, Luís Filipe dos Santos Garcia, 1961-Repositório da Universidade de LisboaGonçalves, André Lourenço2018-01-10T15:00:23Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/30372TID:201853540enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:23:13Zoai:repositorio.ul.pt:10451/30372Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:46:08.497505Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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