Initial testing of EPID pre-treatment dosimetry for the varian LINAC

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ladeira, Tatiana Marques
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/26000
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016
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spelling Initial testing of EPID pre-treatment dosimetry for the varian LINACControlo de qualidadePré-tratamentoDosimetria com EPIDFFF beamsTeses de mestrado - 2016Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016A Radioterapia Externa assume atualmente uma elevada importância no tratamento oncológico. A utilização controlada de fontes de radiação ionizantes com elevada energia tem como principal objetivo controlar a ação proliferativa e provocar a morte de células tumorais, salvaguardando, no entanto, os tecidos sadios adjacentes. A necessidade de minimizar o risco de toxicidade e morbidade dos tecidos sadios, otimizando a irradiação do volume tumoral, levou ao desenvolvimento de novas técnicas de entrega de radiação que permitem uma maior conformação geométrica assim como a modulação da intensidade do feixe de radiação, surgindo assim a Radioterapia de Intensidade Modulada (IMRT). Com a introdução da Arco Terapia Volumétrica Modulada (VMAT) que incorpora para além da rotação da gantry em torno do paciente, a variação da taxa de dose por grau, tornou-se possível irradiar eficaz e totalmente o volume tumoral. Paralelamente, têm sido exploradas com base em diversas evidências radiobiológicas, novas abordagens nos regimes de fracionamento do tratamento radioterapêutico, surgindo um interesse crescente em regimes hipofracionados. É importante referir que os tratamentos de Radioterapia em regime hipofracionado consideram, comparativamente ao regime de fracionamento convencional, um menor número de frações e consequentemente a entrega de uma dose mais elevada por fração. Para além dos regimes hipofracionados, também os regimes de fração única têm sido considerados no tratamento de diversos tipos de tumor. A elevada conformação geométrica dos feixes de radiação, inerente às técnicas de IMRT e VMAT, associada à administração de elevadas doses por fração, prescritas nos regimes hipofracionados e de fração única, traduz-se numa maior necessidade de controlo dos tratamentos, reforçando a importância dos procedimentos de Controlo Qualidade (QA). De acordo com a altura no qual são realizados, antes ou durante a sessão de tratamento, é possível distinguir QA de pré-tratamento e in vivo, respetivamente. O principal objectivo da implementação de QA de pré-tratamento é avaliar se a distribuição de dose reproduzida pelo acelerador linear (LINAC) não se desvia significativamente da planeada. A deteção de erros mecânicos ou humanos, antes do início da sessão de tratamento, tem especial significado quando se trata de regimes hipofracionados ou de fração única em que um erro numa primeira fração pode comprometer negativamente a totalidade do tratamento bem como resultar em lesões graves e irreversíveis. Complementarmente, o QA in vivo tem como intuito determinar se a dose entregue pelo LINAC é recebida pelo paciente de acordo com o planeado, sendo possível detetar todos os erros que ocorrem durante a sessão de tratamento, entre os quais erros devidos à respiração, alterações anatómica, posicionamento e movimento do paciente. Os procedimentos de QA de pré-tratamento são os mais frequentes na prática clínica, sendo que a maioria dos Departamentos de Radioterapia recorrem a um fantoma. Neste sentido, o plano do tratamento do paciente é recalculado no fantoma, a duas ou três dimensões (2D ou 3D), obtendo-se a distribuição de dose planeada no fantoma. Posteriormente o fantoma é irradiado e a distribuição de dose medida pelo fantoma é comparada com a planeada. As medições podem ser realizadas com câmaras de ionização, detetores termoluminescentes ou díodos. Devido à elevada resolução bem como à aquisição rápida e automatizada de imagens, o potencial dosimétrico dos dispositivos eletrónicos de imagem portal (EPIDs) tem sido amplamente explorado. O facto do EPID se encontrar acoplado ao LINAC, mais precisamente, montado na base da gantry em oposição à cabeça de irradiação do LINAC, representa também uma vantagem na medida em que permite rentabilizar o tempo de realização de procedimentos de QA. Considerando os procedimentos de QA de pré-tratamento é possível distinguir dois métodos de dosimetria com EPID tendo em conta se a radiação passa ou não através de um meio de atenuação (fantoma), dosimetria de transmissão e de não-transmissão respetivamente. Consequentemente, a verificação da distribuição de dose pode ser realizada ao nível do EPID ou dentro do fantoma. Ao nível do EPID, a distribuição de dose determinada a partir da imagem portal adquirida pelo EPID é comparada, através de um software específico, com a distribuição de dose calculada ao nível do EPID, tendo em conta as características do mesmo. Por outro lado, a partir da distribuição de dose determinada a partir da imagem portal adquirida pelo EPID é possível reconstruir em 2D ou 3D a distribuição de dose dentro do fantoma, sendo esta posteriormente comparada com a distribuição de dose recalculada no fantoma. Atualmente, no Departamento de Radioterapia da Fundação Champalimaud, os procedimentos de QA de pré-tratamento são realizados recorrendo a um fantoma cilíndrico que contém uma matriz de 2D composta por 1386 díodos dispostos helicoidalmente, o ArcCHECKcircl (Sun Nuclear Corporation, Melbourne, LA, USA). Tendo em conta que, 24% dos tratamentos totais, realizados nos LINACs da Varian (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA) disponíveis no Departamento de Radioterapia, são de regime hipofracionado e 35% de regime de fração única, torna-se fundamental otimizar os procedimentos de QA de pré-tratamento de modo a detetar com maior precisão possíveis erros. Neste sentido, o presente projeto teve como principal objetivo a realização de testes iniciais para a implementação de dosimetria de pré-tratamento com EPID. Os testes realizados recorrem unicamente a dosimetria de não transmissão ao nível do EPID e vão de encontro com as especificidades do EPID acoplado a cada um dos LINACs da Varian, o EPID aS1000 ao TrueBeamTM e o aS1200 ao EDGETM. É fundamental referir que para além do EPID, a solução comercial da Varian para realizar dosimetria de pré-tratamento com EPID é composta por um algoritmo que permite calcular a distribuição de dose ao nível do EPID e por um software de Dosimetria Portal que permite comparar e analisar a distribuição de dose determinada a partir da imagem portal adquirida pelo EPID e a calculada pelo algoritmo. Assim, para o Sistema TrueBeamTM foi testada uma solução de Dosimetria Portal (PDPC) que tem como intuito melhorar e simplificar a configuração do algoritmo PDIP bem como a calibração dosimétrica do EPID aS1000. Um conjunto de medições foram realizadas a fim de verificar a correta configuração PDPC. Os excelentes resultados obtidos demonstram a eficácia da matriz de correção do perfil do feixe, introduzida aquando da calibração do aS1000 e que incorpora uma correção melhorada para a dispersão causada pelo braço mecânico do EPID, bem como a validação do algoritmo PDIP pré-configurado, que assume que a dispersão do aS1000 pode ser modelado com base no comportamento de dispersão de diferentes EPIDs do mesmo modelo. A validação clínica do novo método de configuração e calibração para a realização de QA de pré-tratamento com EPID foi realizada com recurso a 34 pacientes anónimos, 11 dos quais com planos IMRT para o tratamento do cancro da mama e 23 pacientes de cancro da próstata com planos VMAT. A comparação da distribuição de dose determinada a partir da imagem portal adquirida pelo EPID com a calculada pelo algoritmo foi efetuada no software de Dosimetria Portal através do método de analise gamma com dois critérios distintos, um com 3% de diferença de dose (DD) e 3 mm de distância de concordância (DTA) e um outro com critérios 2% e 2 mm. Para todos os planos analisados, 71 de IMRT e 86 de VMAT, foram obtidas % >1 superiores a 95 % e 90% com os critérios (3%, 3mm) e (2%, 2mm) respetivamente. No geral, foram obtidos melhores resultados que os obtidos com o ArcCHECK®. Por outro lado, para o Sistema EDGETM foi testado uma nova versão do software de Dosimetria Portal, que recorre a um modelo que converte a distribuição de dose determinada a partir da imagem portal adquirida pelo EPID em valores de dose em água, permitindo obter as distribuições de dose em valores absolutos. Para tal recorreu-se a 10 pacientes anónimos com lesões cancerígenas em diferentes localizações, com planos de tratamentos de IMRT ou VMAT com feixes FFF, isto é sem serem filtrados, e com regimes de fracionamento distintos. A comparação das distribuições de dose foi realizada com recorrendo à análise gamma com um critério (3%,3mm). Foram obtidos excelentes resultados para os 40 arcos analisados, sendo que % >1 superiores a 98% foram obtidos para todos os planos, menos para um. A fim de estudar a sensibilidade do EPID aS1200 foi desenvolvida uma rotina para introduzir erros nos planos clínicos. Primeiro, os planos foram convertidos XML, através do software Veritas. Erros de vários tipos e com magnitudes variando entre 0.5 mm e 1 cm foram introduzidos nas posições das folhas do colimador (MLC) e de seguida os planos XML foram carregados diretamente no LINAC através do Developer Mode. As imagens portal adquiridas foram importadas para o software de Dosimetria Portal, de modo a compará-las com a distribuição de dose calculada pelo algoritmo clínico. Posteriormente, os erros foram também medidos com ArcCHECK®. Mais uma vez, os resultados confirmam a elevada sensibilidade do EPID quando comparada com a do ArcCHECK®. No entanto, mais casos clínicos, considerando diferentes localizações e regimes de fracionamento, devem ser estudados de forma a ter uma maior amostra e consequentemente resultados mais expressivos que suportem a implementação do EPID para a realização dos procedimentos de pré-tratamento.Nowadays, External Radiotherapy assumes an important role in the treatment of cancer patients. The clinical introduction of more complex radiation delivery techniques, such as Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) and Volumetric Arc Radiation Therapy (VMAT) as well as with the introduction of hypofractionated and single-shot schemes, patient-specific Quality Assurance (QA) procedures become crucial in order to ensure the accuracy of radiotherapy treatment and to avoid major errors. Patient-specific QA procedures can be performed priori or during the treatment session and according to that it is possible to differentiate pre-treatment and in vivo patient-specific QA, which are complementary to each other. The pre-treatment patient-specific QA procedures are the most common in clinical practice, and its main goal is to verify whether the dose distribution produced by the linear accelerator (LINAC) does not deviate significantly from the planned, allowing to detect errors before the first or only fraction is given. At Champalimaud Foundation the pre-treatment patient-specific QA is performed using a cylindrical detector array (ArcCHECK®). However, due the cumbersome and low-resolution of ArcCHECK®, Electronic Portal Image Device (EPID) has been studied. In the present thesis, two different studies to test pre-treatment patient-specific QA with EPID were conducted, according with the specifics of the EPID coupled to each Varian LINACs (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA) available in the Radiotherapy Department, the TrueBeamTM and EDGETM systems. On the first one, a pre-configured method to calibrate the EPID and to configure the portal dose image prediction (PDIP) algorithm, that allow to obtain a portal dose image at the EPID level with which the portal dose image acquired by the EPID is compared, was tested. The positive results, obtained regarding beam profile accuracy, backscatter correction, central axis (CAX) values and modulation of EPID scatter kernels, shown that Pre-Configured Portal Dosimetry (PDPC) solution is better than the commercial Portal Dosimetry. Consequently, pretreatment patient-specific QAs of IMRT and VMAT plans were evaluated and the results were compared with the ones obtained with ArcCHECK®. A gamma analysis with a dose-difference criterion of 3% and distance-to-agreement (DTA) of 3 mm was used to evaluate the results. In general, better results were obtained for EPID dosimetry than for ArcCHECK®, presenting % <1 values higher than 97%. On the EDGETM System was performed the installation and verification of the Absolute Pre-Treatment Portal Dosimetry that allow to evaluate pre-treatment patient-specific QAs of IMRT and VMAT plans with attening filter free (FFF) beams, which is a new aspect since usually EPIDs saturate with FFF beams. Considering a gamma criteria of (3%, 3mm), excellent results were obtained since a % <1 value higher than 98% was obtained for all patients, with exception of one. An entire routine, including a MATLAB® program to introduce intentional errors XML clinical plans, was developed in order to study the sensitivity of the EPID during pre-treatment patient-specific QA. First, the DICOM-RT plan was converted in XML through Veritas, which is a research software. Then several errors types with magnitudes ranging from 0.5mm to 1 cm were introduced in the leaves positions of multi-leaf collimator (MLC) and therefore the plans were loaded in LINAC through Developer Mode. Acquired portal dose images were imported to the Portal Dosimetry workspace, which allows compare the acquired portal dose image with the dose distribution calculated by clinical algorithm, in Citrix Machine. The errors were also measured with ArcCHECK® and the obtained results were compared. The analysis of the results shown that EPID is more sensitivity than ArcCHECK®. However, more clinical cases, considering several treatment sites and with different fractionation schemes, should be studied with both portal dosimetry and ArcCHECK® in order to verify the obtained results. The obtained first results were very promising and encourages the continuation of the study for implementation of pre-treatment patient-specific QA with EPID, for FFF beams.Stroom, JoepPeralta, Luís Filipe dos Santos Garcia,1961-Repositório da Universidade de LisboaLadeira, Tatiana Marques2017-01-18T15:12:12Z201620162016-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/26000TID:201612380enginfo: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:RCAAP2023-11-08T16:15:51Zoai:repositorio.ul.pt:10451/26000Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:42:47.103538Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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