BRT HDR

Mauro Carrara ([email protected]) S.C. Fisica Medica Fondazione IRCCS Istituto Nazionale Tumori - Milano

CONTENUTI 1. Introduzione 2. Impianti e sorgenti 3. BRT ad alto rateo di dose (HDR) 4. BRT HDR ginecologica 5. BRT HDR della prostata 6. Cenni ad altre applicazioni di BRT HDR 7. Il calcolo della dose 8. La pianificazione di un trattamento

CONTENUTI 1. Introduzione 2. Impianti e sorgenti 3. BRT ad alto rateo di dose (HDR) 4. BRT HDR ginecologica 5. BRT HDR della prostata 6. Cenni ad altre applicazioni di BRT HDR 7. Il calcolo della dose 8. La pianificazione di un trattamento

Introduzione: radioterapia a fasci esterni vs. brachiterapia

Il termine BRACHITHERAPIA (BRT) deriva dalla parola greca brachios che significa breve e consiste nel trattamento radioterapico a breve distanza di un volume bersaglio mediante sorgenti radioattive sigillate.

Introduzione: radioterapia a fasci esterni vs. brachiterapia Radioterapia a fasci esterni “SORGENTE”

BRT Le sorgenti vengono posizionate all’interno o in prossimità dei tessuti da irradiare.

SORGENTE

Introduzione: radioterapia a fasci esterni vs. brachiterapia

Vantaggi della BRT rispetto ai fasci esterni: • dose al volume bersaglio molto localizzata • rapida caduta della dose all’esterno del volume bersaglio • terapia altamente conformazionale

Svantaggi della brachiterapia rispetto ai fasci esterni: • appropriata solo per tumori ben localizzati e di dimensioni contenute • tecnica molto laboriosa

Introduzione: la storia

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Introduzione: la storia 1896: Henri Becquerel discovered natural radioactivity when he found that Uranium produced a black spot on photographic plates that had not been exposed to sunlight.

Introduzione: la storia

1898: Marie and Pierre Curie working in Becquerel's laboratory extracted Polonium from a ton of Uranium ore and later in the same year, extracted Radium.

Introduzione: la storia 1901: Pierre Curie suggested to Danlos at St. Louis Hospital in Paris that a small radium tube could be inserted into a tumor thus heralding the birth of brachytherapy

Introduzione: la storia 1903: Alexander Graham Bell made a similar suggestion, completely independently, in a letter to the Editor of Archives Roentgen Ray. It was found in these early experiences that inserting radioactive materials into tumors revealed that radiation caused cancers to shrink. “Dear Editor, I understand from you that Roentgen Rays and rays emitted by Radium, have been found to have a marked effect upon external cancers […] There is no reason why a tiny fragment of radiation sealed in a fine glass tube should not be inserted into the very heart of the cancer, thus acting directory upon the diseased material. Would it not be worth while making experiments along this line? [...]”

Introduzione: la storia 1904: after corresponding with Marie and Pierre Curie about their research on radiation, Dr. Robert Abbe visited their laboratories in Paris and brought samples of radium back to the United States

1905: Dr. Robert Abbe, the chief surgeon at St. Lukes Hospital of New York, placed tubes into tumor beds after resection, and later inserted removable Radium sources thus introducing the afterloading technique.

Introduzione: la storia

Terapia con placche di radio

Introduzione: la storia Terapia con placche di radio

Introduzione: la storia “Tutti i benefici del Radio”

Introduzione: la storia

dal 1918: vengono create diverse scuole di brachiterapia dove vengo poste progressivamente le basi di questa tecnica radioterapica.

trattamento della mammella (anni 20)

Introduzione: la storia

1934: Irene Curie e Frèdèric Joliot riuscirono a effettuare la transmutazione di alcuni elementi in isotopi radioattivi sintetici. Questa originale scoperta sarà successivamente destinata a spianare la strada allo sviluppo della sintesi di radioisotopi, che permetteranno di aprire una nuova era nel campo della brachiterapia.

Introduzione: la storia 1958: viene adottato per la prima volta l’Iridio dal 1965: sviluppo di sistemi per il caricamento delle sorgenti in remoto

CONTENUTI 1. Introduzione 2. Impianti e sorgenti 3. BRT ad alto rateo di dose (HDR) 4. BRT HDR ginecologica 5. BRT HDR della prostata 6. Cenni ad altre applicazioni di BRT HDR 7. Il calcolo della dose 8. La pianificazione di un trattamento

Impianti e sorgenti Caratterizzazione degli impianti BRT endocavitaria le sorgenti sono inserite, direttamente o entro opportuni cateteri, in cavità naturali del corpo.

Impianti e sorgenti Caratterizzazione degli impianti BRT interstiziale le sorgenti sono inserite, direttamente o entro opportuni cateteri, nel tessuto da irradiare

Impianti e sorgenti Caratterizzazione degli impianti BRT endoluminale le sorgenti sono inserite, entro opportuni cateteri, in canali ‘luminali’ del corpo.

Impianti e sorgenti Caratterizzazione degli impianti impianti temporanei • la dose è erogata entro un intervallo di tempo limitato rispetto al tempo di dimezzamento della sorgente • le sorgenti sono rimosse quando è raggiunta la dose di prescrizione

impianti permanenti • la dose è erogata nell’arco di tempo di vita della sorgente • le sorgenti non vengono rimosse

Impianti e sorgenti caricamento delle sorgenti Caricamento manuale le sorgenti vengono posizionate manualmente. Esistono due possibilità di caricamento manuale: - caricamento manuale diretto le sorgenti vengono messe direttamente senza fase preparatoria. - Afterloading manuale generalmente, le sorgenti sono caricate manualmente in cateteri o applicatori precedentemente posizionati in prossimità del volume bersaglio. Al termine del trattamento, le sorgenti vengono rimosse manualmente
fili di Iridio (LDR) Il caricamento e lo scaricamento manuale delle sorgenti espone gli operatori alla radiazione

Impianti e sorgenti caricamento delle sorgenti Afterloading remoto le sorgenti vengono poste da apparecchiature programmabili in cateteri preposizionati. Non è più necessario alcun intervento diretto sulle sorgenti a meno di emergenze. Esistono due tipi fondamentali di apparecchiature per afterloading remoto: - apparecchiature a sorgenti fisse usano un certo numero di sorgenti, tutte uguali, che vengono posizionate in posizioni programmate entro gli applicatori e lì mantenute per tutto il tempo necessario.

LDR

- apparecchiature a sorgente mobile adottano una sola sorgente che viene fatta muovere negli applicatori e tenuta in ogni posizione programmata per il tempo necessario (tecnica detta stepping source)

HDR

Impianti e sorgenti Caratterizzazione degli impianti: caricamento apparecchiature a sorgenti fisse: Tutte le sorgenti escono fuori contemporaneamente per il medesimo tempo t

t

t

t

t

t

apparecchiature con una sorgente mobile: La sorgente staziona in punti diversi per tempi eventualmente diversi

t1

t2

t3

t4

t5

Impianti e sorgenti caricamento delle sorgenti Apparecchiature a sorgenti fisse

Apparecchiature a sorgente mobile

- molte sorgenti uguali

- un’unica sorgente

- è sufficiente bassa attività

- necessaria attività superiore

- tempo di stazionamento uguale per tutte le sorgenti di un catetere

- tempo di stazionamento modificabile da posizione a posizione

- posizionamento pneumatico (aria compressa, liquido o altro)

- posizionamento meccanico (cavo o altro)

LDR

HDR

Impianti e sorgenti Caratterizzazione delle sorgenti: rateo di dose

Low dose rate (LDR)

0.4 – 2 Gy/h

Medium dose rate (MDR)

2 – 12 Gy/h

High dose rate (HDR)

> 12 Gy/h

Pulsed dose rate (PDR)

0.5 – 2 Gy/h

Impianti e sorgenti geometria delle sorgenti

- sorgenti puntiformi (sferiche e di dimensioni trascurabili, a emissione isotropa) - semi (a simmetria cilindrica, hanno dimensioni effettive < 0.5cm) - pellets (di piccole dimensioni, a simmetria generalmente cilindrica ed emissione non isotropa) - sorgenti lineari (di diametro geometricamente trascurabile) - sorgenti planari

Impianti e sorgenti geometria delle sorgenti

AL: lunghezza attiva PL: lunghezza fisica EL: lunghezza attiva equivalente s: distanza tra i centri delle sorgenti

Impianti e sorgenti Caratterizzazione delle sorgenti: forma

Impianti e sorgenti Caratterizzazione delle sorgenti: radiazione emessa

Fotoni Emissione di raggi γ a seguito di decadimenti γ ed eventualmente raggi X caratteristici

60Co, 137Cs, 192Ir, 125I, 103Pd

Elettroni Emissione di elettroni a seguito di decadimenti β

Neutroni Emissione di neutroni a seguito di fissione nucleari spontanee

90Sr, 90Y

252Cf

Impianti e sorgenti Caratteristiche delle sorgenti usate più comunemente

Impianti e sorgenti SCHEMA GENERICO TRATTAMENTI BRACHITERAPIA

Rateo di dose:

LDR

MDR

HDR

PDR

BRT Frazionamento:

frazione singola

Impianto:

permanente

più frazioni

temporaneo

Impianti e sorgenti: LDR vs. HDR Edizione anno 1994

§ 38: “DOSE RATES OF THE FUTURE”

Impianti e sorgenti: LDR vs. HDR Fonte:

LDR

HDR

# pubblicazioni

250 200 150 100 50 0 1985

1990

1995

2000 anno

2005

2010

2015

Impianti e sorgenti: LDR vs. HDR Fonte:

LDR (no prostata)

LDR (prostata)

1990

2005

# pubblicazioni

50 40 30 20 10 0 1985

1995

2000 anno

2010

2015

CONTENUTI 1. Introduzione 2. Impianti e sorgenti 3. BRT ad alto rateo di dose (HDR) 4. BRT HDR ginecologica 5. BRT HDR della prostata 6. Cenni ad altre applicazioni di BRT HDR 7. Il calcolo della dose 8. La pianificazione di un trattamento

BRT HDR SCHEMA GENERICO TRATTAMENTI BRACHITERAPIA

Rateo di dose:

LDR

MDR

HDR

PDR

BRT Frazionamento:

frazione singola

Impianto:

permanente

più frazioni

temporaneo

BRT HDR: sorgenti di fotoni

Le sorgenti γ sono generalmente incapsulate al fine di:

• Contenere la radioattività • Rendere rigida la sorgente • Assorbire le emissioni alfa e beta prodotte dai decadimenti della sorgente • Prevenire la fuga di radiazione

BRT HDR: sorgenti di fotoni

Energia dei fotoni emessi dalla sorgente influenza:

• Penetrazione della radiazione all’interno dei tessuti

• Requisiti di radioprotezione

BRT HDR: sorgenti di fotoni Produzione di fotoni

Decadimento gamma + Raggi X caratteristici

Raggi γ

Stato elettronico eccitato

Stato atomico eccitato

Raggi X caratteristici

BRT HDR: sorgenti di fotoni Produzione di raggi X caratteristici

Conversione interna

Cattura elettronica

Bremsstrahlung dentro la capsula

BRT HDR con sorgente di Iridio

BRT HDR con sorgente di Iridio

BRT HDR con sorgente di Iridio Modalità d’irraggiamento

La sorgente è posta in movimento grazie ad un cavo flessibile

BRT HDR con sorgente di Iridio

BRT HDR con sorgente di Iridio •

192Ir

pellet: la parte attiva è lunga 3.6mm e ha un diametro di 0.65mm

• la parte attiva è custodita in una capsula di acciaio inossidabile

BRT HDR con sorgente di Iridio

BRT HDR con sorgente di Iridio

BRT HDR con sorgente di Iridio 450 400

192Ir


tempo di dimezzamento: 73.83 giorni

attività (GBq)

350 300 250 200 150 100 50 0 0

50

100

150

giorni

Attività (GBq) Giorno % risp. attività iniziale alla nascita:

395.2

0

100

dismissione:

117.4

129

30


Un trattamento che al giorno 0 dura 10min, al giorno 129 dura 34min

200

CONTENUTI 1. Introduzione 2. Impianti e sorgenti 3. BRT ad alto rateo di dose (HDR) 4. BRT HDR ginecologica 5. BRT HDR della prostata 6. Cenni ad altre applicazioni di BRT HDR 7. Il calcolo della dose 8. La pianificazione di un trattamento

BRT HDR GINECOLOGICA: le fasi del trattamento Contornamento target e OAR

Posizionamento applicatore

Trattamento

Imaging

Calcolo e ottimizzazione distribuzione di dose

Ricostruzione applicatore

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

Applicatore componibile per vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina D90 (% of the prescribed dose)

110 100 90 80 70 60 50 40 0

5

10

15

20

25

CASE #

"classical" cylindrical applicator

multichannel applicator

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

V90 (% of the total volume)

110 100 90 80 70 60 50 40 0

5

10

"classical" cylindrical applicator

CASE #

15

20

25

multichannel applicator

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

Target

0

10

20

30

40 distanza (mm)

50

60

70

80

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina

Bolus Target

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BRT HDR GINECOLOGICA: trattamento della vagina