Fantasma robotico dinamico in movimento per la garanzia della qualità specifica del paziente nella radioterapia di monitoraggio del tumore in tempo reale

Giappone: monitoraggio del tumore in tempo reale e controllo della qualità con fantasmi stampati in 3D e piattaforma robot mobile

I ricercatori dell’Università di Yamaguchi in Giappone hanno arruolato tre pazienti con carcinoma polmonare in uno studio sul loro lavoro di valutazione di un sistema fantasma mobile dinamico in grado di riprodurre l’anatomia del paziente e il movimento del tumore 3D, oltre a utilizzare un sistema di tracciamento del tumore per eseguire la garanzia di qualità specifica del paziente di radioterapia gated respiratoria. Hanno riferito dei loro risultati in ” Un nuovo sistema fantasma robotico dinamico in movimento per la garanzia della qualità specifica del paziente nella radioterapia di monitoraggio del tumore in tempo reale “.

Quando si tratta di utilizzare la radioterapia corporea stereotassica (SBRT) per il trattamento del cancro, il movimento di un tumore localizzato nelle regioni addominale o toracica durante la respirazione può causare problemi nell’accurata somministrazione della dose. Hai bisogno di ampi margini interni, o IM, per coprire i cambiamenti nella geometria che si verificano durante la respirazione libera, ma questa correzione provoca un problema diverso: la tossicità per i tessuti sani. Il focus di questo studio è un nuovo sistema per la gestione del movimento del tumore causato dalla respirazione, realizzato combinando il sistema di radioterapia TrueBeam di Varian con il sistema di radioterapia di monitoraggio in tempo reale (RTRT) SyncTraX .

“Questo studio è stato condotto con l’obiettivo di valutare un nuovo sistema phantom in movimento dinamico sviluppato in grado di riprodurre il movimento del tumore 3D del paziente e l’anatomia del paziente, e di eseguire un QA specifico del paziente per la radioterapia con respirazione mediante SyncTraX”, ha scritto il team.

Le posizioni dei tubi a raggi X e dei colori II possono essere selezionate tra tre opzioni. I marcatori fiduciali potrebbero essere osservati usando la fluoroscopia durante il trattamento con radiazioni con raggi non complanari. Questa cifra si basa sull’interfaccia utente grafica di SyncTraX.

È necessaria un’interazione tra il movimento interno del tumore e marcatori o sensori esterni per utilizzare le strategie di gestione del movimento, come la radioterapia di localizzazione del tumore, il respiro trattenuto e la radioterapia respiratoria. Il sistema SyncTraX può ridurre i messaggi istantanei utilizzando un marker fiduciale interno per il gate respiratorio, mentre i tubi a raggi X e due intensificatori di immagini a colori (IIs) aiutano a calcolare le coordinate 3D dei marker fiduciali vicino a un tumore nel sistema TrueBeam.

“In uno studio preliminare, il nostro gruppo ha riferito che questo sistema è in grado di tracciare il movimento di un marcatore fiduciario e controllare l’erogazione delle radiazioni con ragionevole accuratezza”, hanno affermato.

Quando questo studio è stato condotto nel 2015, i ricercatori hanno affermato che un file di registro SyncTraX e un dispositivo di immagine del portale elettronico sono stati in grado di verificare la “precisione geometrica e posizionale” nel trattamento, ma non sono stati in grado di “confermare la regione di dose che potrebbe essere suscettibile alla tossicità da radiazioni per l’organo a rischio. 4 Inoltre, non è stata stabilita l’assicurazione della qualità specifica del paziente (QA) prima del trattamento. “

Nel frattempo, è stato raggiunto il “QA dosimetrico specifico del paziente per la radioterapia a ventilazione respiratoria”, ma i fantasmi tumorali in movimento commercialmente non sono in grado di riprodurre il movimento respiratorio 3D che un fantasma mobile in movimento può – importante perché il surrogato in movimento, o fantasma, causa la radiazione segnale di trigger beam-on.

“Recentemente, la tecnologia di stampa 3D ha aperto la possibilità di personalizzare una vasta gamma di applicazioni in campo medico”, ha osservato il team. “È in grado di produrre fantasmi individualizzati che imitano il polmone ed è quindi potenzialmente utile per studiare l’accuratezza della radioterapia con respirazione mediante SyncTraX.”

I tre pazienti in questo studio “sono stati sottoposti a SBRT respiratorio con SyncTraX per un tumore polmonare” e in ciascun paziente sono stati impiantati alcuni marker fiduciali con un diametro di 1,5 mm vicino ai loro tumori. Uno scanner Siemens CT è stato utilizzato per scansionare i polmoni mentre trattenevano il respiro per circa 15 secondi e un “algoritmo analitico anisotropico” è stato utilizzato per eseguire il calcolo della dose.

Nuovo fantasma robot dinamico e installazione sperimentale. Il manipolatore robot era immobilizzato sul lettino. È stata designata la postura del manipolatore. Il WEP era fissato sulla punta del braccio robotico. I tre assi di movimento sono lungo le direzioni sinistra-destra (LR, X), superiore-inferiore (SI, Y) e anteriore-posteriore (AP, Z).

Una piattaforma mobile robotizzata a 6 assi è stata utilizzata per eseguire il movimento respiratorio 3D, e un fantasma equivalente all’acqua (WEP) da 6,1 kg “con il fantasma polmonare a placche stampato in 3D è stato impostato sulla punta del braccio robotico”. Le immagini CT sono state utilizzate per progettare fantasmi polmonari a quattro piastre e il surrogato interno, che era un marker fiduciale. I fantasmi specifici del paziente sono stati stampati in 3D dal PLA su una stampante 3D FDM e riempiti con argilla di legno. I fantasmi individualizzati sono stati progettati in modo tale che un dosimetro a luminescenza ottica simulata (OSL) possa essere posizionato all’interno della regione polmonare e i quattro stampati in 3D sono stati inseriti nel WEP.

Creazione dei fantasmi polmonari con placca stampata in 3D.

Il sistema fantasma mobile robotizzato è stato utilizzato per riprodurre il movimento respiratorio 3D del tumore polmonare, che è stato misurato per la prima volta con SyncTraX prima del trattamento. Le coordinate 3D dell’indicatore fiduciale sono state registrate a 30 Hz e quindi registrate.

“Il file di registro che registrava le posizioni 3D del tumore polmonare è stato utilizzato come input per il fantasma robotico dinamico in movimento”, hanno spiegato i ricercatori.

“I valori di comando per la guida di ciascun giunto sono stati inviati dal controller del robot al fantasma robotico dinamico in movimento. Quindi, il fantasma dinamico robotico in movimento riproduceva il movimento respiratorio 3D del tumore polmonare. “

Schema che mostra come il movimento respiratorio 3D viene riprodotto utilizzando il sistema phantom mobile robotico dinamico.

I segnali di guida di ciascuna delle articolazioni del robot fantasma in movimento sono stati inviati al controller del robot. I segnali nel sistema di coordinate congiunte sono stati quindi trasferiti nel sistema della sala di trattamento attraverso il “calcolo della cinematica in avanti” e registrati in un file di registro. I ricercatori hanno utilizzato TPS per misurare la densità di massa, il volume e l’unità di Hounsfield (HU) sia del tumore che del polmone del fantasma stampato in 3D, quindi hanno confrontato i dati con le immagini TC reali del paziente, al fine di determinare l’accuratezza anatomica.

“I volumi del tumore stampato in 3D erano coerenti con quelli delle immagini CT del paziente”, ha scritto il team.

“Sono state osservate piccole differenze nella HU e nella densità di massa del tumore stampato in 3D.

“La HU e la densità di massa del polmone stampato in 3D erano quasi coerenti con quelle delle immagini CT del paziente. La tecnologia di stampa 3D potrebbe riprodurre l’anatomia del paziente con elevata precisione. “

Esempio di immagini TC di WEP con fantasma polmonare plastico stampato in 3D inserito nei piani coronale, assiale e sagittale per il paziente 1.

Per determinare il QA specifico per il paziente, la radioterapia SyncTraX con gate respiratorio è stata inviata al fantasma robotico che ha effettuato il movimento respiratorio 3D e sono state impostate condizioni specifiche in modo che il team potesse riconoscere il marker nel WEP.

“Il WEP è stato guidato per tracciare il movimento respiratorio 3D. La radioterapia gated respiratoria è stata eseguita per guidare il WEP ”, ha scritto il team.

I dosimetri NanoDot OSL e il film Gafchromic sono stati usati per misurare la dose assoluta e la distribuzione della dose per trovare il QA dosimetrico e la dose misurata è stata confrontata con la dose pianificata calcolata dal TPS. Infine, le distribuzioni della dose del fantasma trainante sono state misurate “senza radioterapia con controllo respiratorio per valutare l’efficienza della gestione del movimento”.

“Le differenze tra le dosi assolute pianificate e misurate erano <1,0% nell’isocentro e <4,0% per la regione polmonare”, hanno spiegato. “I rapporti di passaggio gamma di γ 3 mm / 3% e γ 2 mm / 2% nelle condizioni di gating e no-gating erano del 99,9 ± 0,1% e 90,1 ± 8,5% e 97,5 ± 0,9% e 68,6 ± 17,8%, rispettivamente, per tutti i pazienti. Inoltre, per tutti i pazienti, la media ± DS dei valori quadrati medi della radice dell’errore posizionale erano 0,11 ± 0,04 mm, 0,33 ± 0,04 mm e 0,20 ± 0,04 mm nelle direzioni LR, AP e SI, rispettivamente. “

Fantasma polmonare con placca stampata in 3D sul piano dell’isocentro, dove i numeri indicano le singole misurazioni nanoDot OSL nelle posizioni numerate.

Hanno valutato l’accuratezza del tracking SyncTraX, rispetto alla “posizione misurata con la posizione effettiva del marker fiduciale usato come surrogato interno”, per determinare il QA geometrico.

“I valori RMS nella direzione AP erano più grandi di quelli nelle altre direzioni a causa della gravità sul WEP. Tuttavia, indipendentemente dal portale, dall’angolo del lettino e dalla posizione SyncTraX, la precisione di tracciamento di SyncTraX era <0,60 mm in tutte le direzioni e la direzione 3D. Il sistema SyncTraX è in grado di tracciare il marker fiduciario con elevata precisione “, ha scritto il team.

La maggior parte dei fantasmi in movimento può eseguire solo movimenti target 1D o 2D o avere forme semplici senza importanti dettagli anatomici. Il fantasma dinamico robotico in movimento del team è in grado di riprodurre accuratamente complessi movimenti respiratori 3D e “coprire il movimento del tumore polmonare fino a 34 mm, 24 mm e 16 mm nelle direzioni SI, AP e LR, rispettivamente”.

“Inoltre, il nostro sistema sviluppato comprende un robot industriale. Poiché i robot industriali vengono prodotti in serie, è possibile prevedere una riduzione dei costi. Pertanto, il nostro sistema sviluppato sarà meno costoso di altri sistemi fantasma “, hanno osservato.

Questa ricerca ha dimostrato che la stampa 3D disponibile in commercio può essere utilizzata per fabbricare un fantasma realistico della piastra polmonare, con densità di massa e volumi di tumore molto simili ai pazienti. Una cosa importante da notare è che il QA specifico per il paziente è stato eseguito in una situazione quasi clinica, non vera. Ma il resto dei dati raccolti mostra come “il QA specifico per paziente della radioterapia con respirazione controllata usando SyncTraX può essere eseguito in condizioni realistiche usando il fantasma in movimento”.

“In futuro, prevediamo di eseguire la radioterapia modulata per intensità respiratoria (IMRT) con SyncTraX”, hanno concluso i ricercatori. “Il sistema phantom sviluppato sarà utile per eseguire il QA specifico del paziente per l’IMRT con respirazione. Inoltre, sarà utile per l’accettazione, la messa in servizio e il controllo qualità di nuove tecnologie di gestione del movimento, come CyberKnife, monitoraggio dell’infrazione da 30 kilovoltage, 36 , 38 e tracciamento DMLC 39 “.

Be the first to comment on "Fantasma robotico dinamico in movimento per la garanzia della qualità specifica del paziente nella radioterapia di monitoraggio del tumore in tempo reale"

Leave a comment