Αξιολόγηση χωρικών και δοσιμετρικών σφαλμάτων σε σύγχρονες εφαρμογές ακτινοθεραπείας με χρήση χημικής δοσιμετρίας

Abstract

Stereotactic Radiosurgery-Radiotherapy (SRS) has been proven to offer increased efficacy in the treatment of neoplasms and other diseases, compared to conventional radiotherapy tech-niques, while technological advancements are enabling more frequent application of this method. Stereotactic radiotherapy is achieved through the administration of high doses in one or a few sessions. The success of the treatment depends on the accuracy of target tumor and critical organ localization, the precision of dose distribution calculations, and the accuracy of dose delivery to the patient. Magnetic Resonance Imaging (MRI) is widely used in modern radiotherapeutic applications, especially in treatment planning for stereotactic radiosurgery in intracranial therapies. This choice is justified by the excellent soft tissue contrast that MRI provides compared to Computed Tomography (CT). Thus, MRI images allow for better description and characterization of the target tumor. Specifically, for the treatment of brain metastases and other lesions, MRI is the imaging technique of choice for both the tumor-target and organs at risk. However, this choice compromises geometric accuracy, as MRI images inherently carry geometric distortion. After presenting the relevant theoretical background (Sections 1-6), in Sections 7, 8, and 9 of the experimental part of this study, three different brain stereotactic radiotherapy workflows are compared in terms of tumor localization accuracy. As described in the theoretical section, treat-ment planning in stereotactic radiosurgery units can be done entirely on MRI images (MR-only) or on MR/CT fused images (MR/CT). These are the two workflows compared, while the third involves treatment planning on MRI images corrected for geometric distortion (MR-corrected) using the mean image method. In Sections 7 and 9, the spatial accuracy of tumor target localization is examined for the three workflows using a VIP polymer gel phantom. After preparing the solution and filling the con-tainer, the phantom was imaged using CT. It was then irradiated at 26 points with a nominal diameter of 4 mm in a Gamma Knife (GK) unit. The coordinates of the irradiation points in the Leksell stereotactic space (LSS) serve as reference points. The phantom was then imaged with a 1.5T and 3T MRI scanner using a stereotactic radiotherapy protocol with T2-weighted images. The centers of mass of the irradiated areas (where polymerization occurs) were identified using an algorithm developed in MATLAB R2019a (The MathWorks, Inc., MI), and by comparing these with the reference points, the spatial inaccuracy of the MRI images was calculated. Next, MRI images were co-registered with CT images in the treatment planning system soft-ware, and the same algorithm was used to identify the irradiation centers, which were then compared with the reference centers. The MR images were corrected using the mean image method, and the same localization and inaccuracy calculation process was applied to the cor-rected images. For both MR fields, sequence-dependent distortions were first calculated using the reversed gradient technique and then the target localization accuracy for each workflow was evaluated. For the 1.5T images, the MR-corrected images showed the highest target localization accuracy (median value 0.2 mm), while the MR-only and MR/CT-fused images had greater inaccuracies (median values 0.8 mm and 0.6 mm, respectively). For the 3T images, the MR-corrected images also showed the highest accuracy (median value 0.5 mm), whereas MR-only and MR/CT fused images exhibited higher inaccuracies (median values 0.8 mm and 0.9 mm, respectively). It is worth noting that in all 3T image sets (MR-only, MR/CT-fused and MR-corrected), spatial inaccuracies increased with distance from the isocen-ter, with statistically significant correlation.In Section 8, tumor target localization accuracy was evaluated for the three workflows using 1.5T MR images of patients with multiple brain metastases. Localization accuracy was assessed by comparing the coordinates of tumor centers in corrected MR images to those in the images under evaluation. T1W MR and CT images from 15 patients (a total of 81 metastases) were used. The MR-only workflow led to spatial offsets significantly correlated with distance from the MRI isocenter, reaching up to 1.1 mm and median 0.6 mm. Similar results were observed for the MR/CT-global workflow, with a maximum deviation of 1.4 mm and median of 0.7 mm. The MR/CT-ROI workflow improved localization accuracy, resulting in a maximum deviation of 1.1 mm and median 0.4 mm. In Section 10, geometric distortions related to 3Τ MRI images induced by stereotactic frames were assessed. An acrylic phantom was used which includes 1978 control points and was de-signed to be compatible with the head coil and both stereotactic frames developed by Elekta (Leksell G-frame and Vantage frame) used for patient immobilization and definition of stereo-tactic space in SRS applications. The phantom was then scanned on a 3T MRI scanner using a brain metastasis imaging protocol. Sequence-independent distortions were assessed with and without the presence of the stereotactic frame. The phantom includes control points throughout its volume. Without a stereotactic frame, the average distortion was 0.7 mm, with a maximum of 1.6 mm. With the Leksell G-frame, there was an increase in average distortion to 0.9 mm across the entire phantom and 0.8 mm in the irradiated volume with a maximum 2.7 mm at points close to the frame base. With the Vantage frame, the average distortion was 0.7 mm, [14]with a maximum of 1.6 mm. Heavy distortions were also observed near the base of the frame, due to eddy currents induced in its closed aluminum loop.

Η Στερεοτακτική Ακτινοχειρουργική-Ακτινοθεραπεία (ΣΑΘ) είναι αποδεδειγμένο ότι παρέχει αυξημένη αποτελεσματικότητα στην αντιμετώπιση νεοπλασιών και άλλων νόσων σε σχέση με συμβατικές τεχνικές ακτινοθεραπείας ενώ η τεχνολογική εξέλιξη επιτρέπει την όλο και πιο συχνή εφαρμογή αυτής της μεθόδου. Η Στερεοτακτική ακτινοθεραπεία επιτυγχάνεται με την χορήγηση υψηλών δόσεων σε μία ή λίγες συνεδρίες. Η επιτυχία της θεραπείας εξαρτάται από την ακρίβεια καθορισμού της θέσης του όγκου-στόχου και των κρίσιμων οργάνων, καθώς και από την ακρίβεια του υπολογισμού των θεραπευτικών κατανομών δόσης καθώς και την διαδικασία χορήγησής τους στον ασθενή. Η Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (ΑΜΣ) χρησιμοποιείται ευρύτατα στις σύγχρονες ακτινοθεραπευτικές εφαρμογές και ιδιαίτερα στο σχεδιασμό πλάνου θεραπείας στη Στερεοτακτική Ακτινοχειρουργική για ενδοκρανιακές θεραπείες. Η επιλογή αυτή δικαιολογείται από την εξαιρετική αντίθεση μαλακού ιστού που προσφέρει η ΑΜΣ σε σχέση με την Υπολογιστή Τομογραφία (ΑΤ). Έτσι, με τη βοήθεια εικόνων Μαγνητικού Συντονισμού επιτυγχάνεται καλύτερη περιγραφή και χαρακτηρισμός του όγκου-στόχου. Ειδικότερα για θεραπείες εγκεφαλικών μεταστάσεων και άλλων βλαβών, η ΑΜΣ αποτελεί την πρώτη επιλογή απεικονιστικής τεχνικής τόσο για τον όγκο-στόχο όσο και τους υγιείς ιστούς. Αυτή η επιλογή όμως έρχεται σε βάρος της γεωμετρικής ακρίβειας, καθώς οι εικόνες ΑΜΣ φέρουν εγγενώς χωρική παραμόρφωση. Μετά από παράθεση του σχετικού θεωρητικού υποβάθρου (Ενότητες 1-6), στις Ενότητες 7,8 και 9 του πειραματικού μέρος της παρούσας εργασίας, συγκρίνονται ως προς την ακρίβεια εντοπισμού του όγκου στόχου τρεις διαφορετικές ροές εργασίας στερεοτακτικής ακτινοθερα-πείας εγκεφάλου. Όπως περιγράφεται στο θεωρητικό μέρος ο σχεδιασμός θεραπείας σε μονά-δες στερεοτακτικής ακτινοχειρουργικής μπορεί να πραγματοποιηθεί εξ ολοκλήρου σε εικόνες ΑΜΣ (MR-only) ή σε ευθυγραμμισμένες εικόνες ΑΜΣ/YΤ (MR/CT). Αυτές είναι οι δυο ροές εργασίας που συγκρίνονται ενώ η τρίτη αφορά σχεδιασμό θεραπείας σε εικόνες ΑΜΣ οι οποίες έχουν διορθωθεί ως προς την γεωμετρική τους παραμόρφωση (MR-corrected) με την μέθοδο της μέσης εικόνας. Στις Ενότητες 7 και 9 εξετάζεται η χωρική ακρίβεια εντοπισμού του όγκου στόχου για τις 3 ροές εργασίας με χρήση ομοιώματος γέλης πολυμερισμού VIP. Μετά την παρασκευή του δια-λύματος και την πλήρωση του δοχείου, το ομοίωμα απεικονίστηκε σε YΤ. Στη συνέχεια ακτινοβολήθηκε σε 26 σημεία ονομαστικής διαμέτρου 4 mm σε μονάδα Gamma Knife. Οι συντεταγμένες των σημείων ακτινοβόλησης στον στερεοτακτικό χώρο Leksell (LSS) λειτουργούν ως σημεία αναφοράς. Στη συνέχεια το ομοίωμα απεικονίστηκε σε Μαγνητικό Τομογράφο 1.5Τ και 3Τ σε πρωτόκολλο ΣΑΘ λαμβάνοντας εικόνες βαρύτητας Τ2. Τα κέντρα μάζας των περιοχών ακτινοβόλησης (στις οποίες προκαλείται πολυμερισμός) εντοπίστηκαν με αλγόριθμο που αναπτύχθηκε στο MATLAB R2019a (The MathWorks, Inc, MI) και συγκρινόμενα με τα αντίστοιχα σημεία αναφοράς υπολογίζεται η χωρική ανακρίβεια των εικόνων ΑΜΣ. Στην συνέχεια, εικόνες ΑΜΣ ευθυγραμμίστηκαν με εικόνες YΤ στο λογισμικό του συστήματος σχεδιασμού θεραπείας και χρησιμοποιώντας τον ίδιο αλγόριθμο εντοπίζονται τα κέντρα ακτινοβόλησης τα οποία συγκρίνονται με τα αντίστοιχα κέντρα αναφοράς. Τέλος οι εικόνες ΑΜΣ διορθώθηκαν με την μέθοδο της μέσης εικόνας και εφαρμόστηκε η ίδια διαδικασία εντοπισμού κέντρων ακτινοβόλησης και υπολογισμού της χωρικής ανακρίβειας. Στις εικόνες ΑΜΣ και των δύο πεδίων αρχικά υπολογίζονται οι εξαρτώμενες από την ακολουθία παραμορφώσεις χρησιμοποιώ-ντας την μέθοδο αναστροφής πολικότητας της βαθμίδας του πηνίου ανάγνωσης και στη συνέχεια η ακρίβεια εντοπισμού του όγκου-στόχου σε κάθε ροής εργασίας. Όσον αφορά τις εικόνες 1.5Τ, οι διορθωμένες εικόνες ΑΜΣ (MR-corrected) παρουσιάζουν την υψηλότερη ακρίβεια εντοπισμού του όγκου στόχου (ενδιάμεση τιμή απόκλισης 0.2 mm) ενώ οι εικόνες ΑΜΣ (MR-only) και οι ευθυγραμμισμένες εικόνες ΑΜΣ/YΤ (MR/CT-fused) παρου-σιάζουν υψηλότερες χωρικές ανακρίβειες (διάμεσος 0.8 και 0.6 mm, αντίστοιχα). Για τις εικόνες 3Τ οι διορθωμένες εικόνες ΑΜΣ (MR-corrected) παρουσιάζουν την υψηλότερη ακρίβεια εντοπισμού του όγκου στόχου (ενδιάμεση τιμή απόκλισης 0.5 mm) ενώ οι εικόνες ΑΜΣ (MR-only) και οι ευθυγραμμισμένες εικόνες ΑΜΣ/ΥΤ (MR/CT-fused) παρουσιάζουν μεγαλύτερες χωρικές ανακρίβειες (ενδιάμεσες τιμές 0.8 και 0.9 mm, αντίστοιχα). Αξίζει να σημειωθεί ότι σε όλα τα σετ εικόνων 3Τ (MR-only, MR/CT-fused, MR-corrected) οι χωρικές ανακρίβειες αυξάνονται με την απόσταση από το ισόκεντρο παρουσιάζοντας στατιστικά ση-μαντικά συσχέτιση. Στην Ενότητα 8 εξετάζεται η ακρίβεια εντοπισμού του όγκου στόχου για τις 3 ροές εργασίας χρησιμοποιώντας εικόνες ΑΜΣ 1.5Τ, ασθενών με πολλαπλές εγκεφαλικές μεταστάσεις (15 ασθενείς με συνολικά 81 μεταστάσεις). Η ακρίβεια εντοπισμού των όγκων-στόχων για κάθε ροή εργασίας αξιολογήθηκε συγκρίνοντας τις συντεταγμένες των κέντρων των όγκων-στόχων σε διορθωμένες εικόνες ΑΜΣ, που λαμβάνονται ως εικόνες αναφοράς, με τις αντίστοιχες συντεταγμένες των κέντρων των όγκων-στόχων των εικόνων προς αξιολόγηση. Η ροή MR-only οδήγησε σε χωρικές μετατοπίσεις που παρουσίασαν σημαντική θετική συσχέτιση με την απόσταση από το ισόκεντρο της ΜΤ, φτάνοντας τα 1,1 χιλιοστά (διάμεση τιμή 0,6 χιλιοστά). Στη ροή εργασίας MR/CT-global, όπου πραγματοποιείται ευθυγράμμιση των εικόνων ΑΜΣ και ΥΤ σε όλη την έκταση των εικόνων ανιχνεύθηκε μέγιστη τιμή 1,4 χιλιοστά και διάμεσος 0.7 χιλιοστά. Η ακρίβεια εντοπισμού του όγκου-στόχου βελτιώθηκε στη ροή εργασίας MR/CT-ROI [11]όπου η ευθυγράμμιση εικόνων ΑΜΣ και ΥΤ πραγματοποιείται σε επιλεγμένο τμήμα των εικόνων, οδηγώντας σε μέγιστη τιμή 1,1 χιλιοστά και διάμεσο 0.4 χιλιοστά. Στην Ενότητα 10 διενεργήθηκε αξιολόγηση γεωμετρικών παραμορφώσεων εικόνων ΑΜΣ 3Τ που επάγονται από στερεοτακτικά πλαίσια. Χρησιμοποιήθηκε ακρυλικό ομοίωμα το οποίο φέρει 1978 σημεία ελέγχου και σχεδιάστηκε ώστε να είναι συμβατό με το πηνίο κεφαλής και τα δύο στερεοτακτικά πλαίσια της εταιρίας Elekta (Leksell G-frame και Vantage frame) που χρησιμοποιούνται για την ακινητοποίηση του ασθενούς και τον ορισμό του στερεοτακτικού χώρου σε εφαρμογές ΣΑΘ. Στη συνέχεια το ομοίωμα απεικονίστηκε σε Μαγνητικό Τομογράφο 3Τ με πρωτόκολλο απεικόνισης πολλαπλών εγκεφαλικών μεταστάσεων. Οι ανεξάρτητες από την ακολουθία παραμορφώσεις των εικόνων, προσδιορίστηκαν με και χωρίς την παρουσία του στερεοτακτικού πλαισίου. Το ομοίωμα φέρει σημεία ελέγχου σε όλο τον όγκο του. Απουσία στερεοτακτικού πλαισίου η μετρούμενη μέση παραμόρφωση που υπολογίστηκε είναι 0.7 mm και η μέγιστη 1.6 mm. Αντίθετα, παρουσία του πλαισίου Leksell G-frame, παρατηρείται αύξηση της μέσης παραμόρφωσης στα 0.9 mm, με τη μέγιστη να ξεπερνά τα 2 mm στην περιοχή κοντά στο στερεοτακτικό πλαίσιο. Παρουσία του πλαισίου Vantage, υπολογίστηκε μέση παραμόρ-φωση 0.7 mm και μέγιστη 1.6 mm.