Integration of imaging data and non-invasive measures for the evaluation of respiratory gated treatments in particle therapy

Particle therapy is a technique for tumour treatment achieving high dose conformation to the target volume. Organ motion occurring during the irradiation leads to the deterioration of the planned dose distribution. One of the proposed solution for the compensation of respiratory motion, which is the main cause of intra-fractional uncertainty, is the gating approach involving dose delivery within a predefined phase of the patient’s breathing cycle. This thesis work meets the need to evaluate the reproducibility of the anatomical configuration during irradiation, which is the primary assumption of gated treatments. The developed methods are based on 5 datasets relative to patients treated within the gating protocol at CNAO. We suggest a method for the evaluation of the external configuration repeatability, based on optical measurements of markers position on the patient’s surface. Studying the variability of markers position during the irradiation, we verified the repeatability of the external surface position in an intra and inter-fractional perspective. Then we propose to overcome the lack of direct measurements of the anatomy during the treatment through a modelling approach. The chosen respiratory motion model is built on a priori information extracted from the planning 4DCT and is applied thanks to in-room external surrogates (pressure signal and optical data). We estimated a high degree of internal repeatability when the tumour is subjected to small motion (e.g. center of mass displacement 1.2mm) and when the amplitude of the respiratory pattern is similar to the reference one. Differently, when the amplitude is higher and the tumour is affected by major motion (e.g. 6.5mm) the estimated displacement often exceeds the maximum acceptable value. The reliability of the estimations in relation to features of the modelling process is discussed and possible improvements are proposed. This work is aimed at the evaluation of the gating motion compensation strategies for abdominal and thoracic lesions and can be seen as a starting point for the development of quality assurance methods to be integrated in clinical application of beam gating in particle therapy.

La terapia con particelle è una tecnica per il trattamento di tumori che consente un alto livello di conformazione della dose al volume target. I movimenti d’organo che si verificano durante l’irraggiamento comportano l’alterazione della distribuzione di dose pianificata. Una delle possibili soluzioni per compensare il movimento respiratorio, che è la causa principale di incertezza intrafrazione, è la tecnica del gating consistente nel somministrare la dose solo in una fase respiratoria prescelta. Questo lavoro risponde alla necessità di valutare l’ipotesi alla base dell’approccio gating di riproducibilità della configurazione anatomica durante l’irraggiamento. I metodi sviluppati si basano su 5 dataset relativi a pazienti trattati con tale protocollo al CNAO. Si suggerisce un metodo per la valutazione della ripetibilità della configurazione esterna basato su misure ottiche della posizione di marker sulla superficie del paziente. Dallo studio della variabilità dei marker durante l’irraggiamento si è verificata la ripetibilità della posizione della superficie esterna in un’ottica intra ed interfrazione. Poiché non è disponibile una misura diretta dell’anatomia durante il trattamento si propone un l’uso di un modello, costruito con informazioni a priori estratte dalla 4DCT di pianificazione e applicato grazie a surrogati esterni (segnale di pressione e dati ottici). Si è stimato un buon livello di ripetibilità interna nel caso di tumori soggetti a piccoli movimenti (es. spostamento del centro di massa 1.2mm) e quando l’ampiezza del pattern respiratorio è simile a quella di riferimento. Diversamente quando l’ampiezza è maggiore e il tumore è affetto da movimenti più ampi (es. 6.5mm) lo spostamento stimato spesso eccede il massimo valore accettabile. L’affidabilità delle stime in relazione a caratteristiche del modello è discussa e possibili miglioramenti sono proposti. Questo lavoro è finalizzato alla valutazione del gating per la compensazione del movimento di lesioni toraciche e addominali ed è un punto di partenza per lo sviluppo di metodi per il controllo della qualità del trattamento da integrare nell’applicazione clinica del gating in terapia con particelle.