Simulazioni numeriche per la validazione del metodo He-Check su casi clinici

The verification of the correct dose distribution released into the target volume inside the patient is one of the main issues in radiation therapy, especially when hadrons are used (hadrontherapy), and the research is very active for this purpose. Currently, one of the most interesting innovative proposals is called He-Check: this technique ensures a real-time verification of the patient position during the beam delivery and is based on a helium and carbon ions mixed beam treatment. The aim of this work is the qualitative and quantitative validation of this method on selected clinical cases, through MATLAB numerical simulations (with the help of RayStation software). These are based on the generation and study of 2D-maps calculated in terms of WEPL (Water Equivalent Path Length) that helium should travel through the whole patient volume, along the irradiation trajectories planned for the treatment. The WEPL value takes into account also the density of the crossed tissues. The irradiated volume is reconstructed directly from CT (Computed Tomography) images as a 3D voxel matrix. Each patient is analysed comparing the WEPL maps obtained projecting the same beam through 2 different CT (initial and revaluation) volumes: WEPL weighted differences in absolute value greater than 5mm show the probable presence of significant anatomical variations or a patient positioning error. The simulation sensitivity has been tested on a rigid phantom. Moreover, CT reconstruction and simulation artefacts can be found in the WEPL maps, modifying their real values: different potential sources of error are presented and, where possible, corrected. The simulation method strongly depends in particular on the patient’s volume contouring process, required to eliminate any electronic fluctuation in the air HU values in the CT reconstruction, and on the rigid registration process, required to superimpose two different CT volumes.

In ambito radioterapico, in particolar modo nella radioterapia con adroni (adroterapia), un aspetto particolarmente delicato e in via di continuo miglioramento è il controllo della corretta somministrazione di dose al target tumorale nel paziente. Attualmente, fra le proposte innovative presentate a tal proposito, vi è l’He-Check, un metodo di verifica in tempo reale della posizione del bersaglio irradiato all’interno del paziente, basato sull’utilizzo di un fascio misto di ioni carbonio ed elio. Lo scopo del presente lavoro è la validazione qualitativa e quantitativa di tale metodo su casi clinici, mediante simulazioni numeriche elaborate con MATLAB (e con il supporto del software RayStation). Esse sono eseguite generando e studiando mappe 2D di WEPL (Water Equivalent Path Length), ovvero di cammini acqua-equivalenti, che percorrerebbe l’elio attraverso il volume del paziente, lungo le traiettorie di irraggiamento pianificate per il trattamento. Il WEPL non corrisponde al percorso geometrico reale, poiché tiene conto anche della densità dei tessuti attraversati. Il volume da irraggiare è ricostruito direttamente da esami CT (Tomografia Computerizzata). Per ciascun paziente si confrontano le mappe di WEPL ottenute dalla proiezione dei volumi tridimensionali di due diverse CT (iniziale e di rivalutazione): differenze mediate di WEPL in modulo >5mm evidenziano la probabile presenza di variazioni anatomiche nel paziente o un errore nel suo posizionamento. Test effettuati su un fantoccio rigido mostrano una buona sensibilità del metodo di simulazione. Inoltre, nelle mappe è possibile incorrere in artefatti di ricostruzione CT e di simulazione che alterano i reali valori ΔWEPL: sono state individuate le principali fonti di errore che influenzano le simulazioni e, dove possibile, è stata proposta una soluzione correttiva. In particolare, le simulazioni risultano dipendere fortemente dal processo di scontornamento del volume del paziente, indispensabile per eliminare fluttuazioni elettroniche dell’aria nella ricostruzione CT, e dal processo di registrazione, necessario per sovrapporre due CT differenti.