Cone Beam CT and proton CT for adaptive radio and proton therapy

Introduction: Continuous technological developments in radio and proton therapy create new and better solutions for cancer treatment. The introduction of new image-guidance and adaptive therapy methods requires extreme caution and extensive verification should be made, accounting for expected results, possible gains over induced damage and implementation challenges. Methods: This work is focused on image-guidance methods in radio and proton therapy, with specific emphasis on anatomical changes on patients during treatment. Automated image registration methods have been implemented and validated, in order to show the full potential of CBCT image registration. Geometric and dosimetric verification has been carried out, thus checking the feasibility of treatment adaptation relying on automated image registration. In addition, proton CT is investigated and verified as a low-dose method for patient positioning in proton therapy. Results: Deformable image registration (DIR) followed by dose recalculation was evaluated for prostate cancer patients. Variations in patient anatomy were estimated (distances measured between landmarks) and corrected with DIR, resulting in a mean landmarks distance reduction from 3,79 to 2,00 mm. In 8 out of 9 patients an increase in rectum dose was observed, where, for 3 of them, important constraints of dose/volume were violated, which could result in acute reaction on patients? organs at risk. The proposed automatic contour propagation method by means of DIR was tested in rectal cancer patients, treated with proton therapy, where repeated in-room CTs were available. The DIR validations for these patients were carried out relying also on dose comparison. The gamma test presented an improvement on the pass fraction, on the most critical case, from 88,40% to 99,87%. The automatically generated contours required only few corrections which, nevertheless, would have small influence on final DVH for online analysis. The implementation of adaptive strategies would collaborate for healthy organs sparing and PTV coverage verification. Low-dose positioning methods with proton CT images were evaluated and a reduction of up to 55 times in comparison to a conventional CBCT was obtained. Proton CT images were demonstrated to be suitable for image registration at sub-millimeter confidence in patient positioning. Discussion: Image registration algorithms based on open-source libraries were developed and tested for the realization of adaptive therapy strategies. The proposed methods facilitate daily dose calculation and plan verification (online or offline), thus providing higher precision and effectiveness of the treatment.

Introduzione: I continui sviluppi tecnologici nella radioterapia e nella terapia protonica creano nuove e migliori soluzioni per il trattamento del cancro. L'introduzione di nuovi metodi di guida alle immagini e di terapia adattativa richiede estrema cautela e dovrebbero essere effettuate verifiche approfondite, tenendo conto dei risultati attesi, dei possibili guadagni rispetto ai danni indotti e alle sfide di attuazione. Metodi: Questo lavoro si concentra sui metodi di guida delle immagini nella terapia con radio e protoni, con particolare enfasi sui cambiamenti anatomici sui pazienti durante il trattamento. I metodi di registrazione automatica delle immagini sono stati implementati e convalidati, al fine di mostrare il pieno potenziale della registrazione delle immagini CBCT. Sono state eseguite verifiche geometriche e dosimetriche, verificando la fattibilità dell'adattamento del trattamento, basandosi sulla registrazione automatica delle immagini. Inoltre, il protone CT viene studiato e verificato come metodo a basso dosaggio per il posizionamento del paziente nella terapia protonica. Risultati: La registrazione delle immagini deformabili (DIR) seguita dal ricalcolo della dose è stata valutata per i pazienti con cancro alla prostata. Le variazioni dell'anatomia del paziente sono state stimate (distanze misurate tra punti di riferimento) e corrette con DIR, con conseguente riduzione della distanza dei punti di riferimento medi da 3,79 a 2,00 mm. In 8 su 9 pazienti è stato osservato un aumento della dose del retto, dove, per 3 di questi, sono stati violati importanti limiti di dose / volume, che potrebbero portare a reazioni acute nei pazienti? organi a rischio. Il metodo proposto di propagazione del profilo automatico mediante DIR è stato testato in pazienti con cancro del retto, trattati con terapia protonica, in cui erano disponibili CT in camera ripetuti. Le convalide DIR per questi pazienti sono state eseguite facendo affidamento anche sul confronto delle dosi. Il test gamma ha presentato un miglioramento della frazione di passaggio, nel caso più critico, dall'88,40% al 99,87%. I contorni generati automaticamente richiedevano solo alcune correzioni che, tuttavia, avrebbero avuto una piccola influenza sul DVH finale per l'analisi online. L'implementazione di strategie adattative collaborerebbe per il risparmio di organi sani e la verifica della copertura PTV. Sono stati valutati metodi di posizionamento a basse dosi con immagini di protoni CT ed è stata ottenuta una riduzione fino a 55 volte rispetto a un CBCT convenzionale. Le immagini CT di Proton sono state dimostrate idonee per la registrazione delle immagini con una sicurezza sub-millimetrica nel posizionamento del paziente. Discussione: Gli algoritmi di registrazione delle immagini basati su librerie open-source sono stati sviluppati e testati per la realizzazione di strategie di terapia adattativa. I metodi proposti facilitano il calcolo giornaliero della dose e la verifica del piano (online o offline), fornendo così maggiore precisione ed efficacia del trattamento.