Respiratory motion modeling in particle therapy

In particle therapy, organ motion causes tumor position and radiological path length uncertainties, thus preventing the effective use of the geometrical selectivity of particle beams. Image guidance is crucial to plan and verify the quality of the treatment, and with the support offered by 4D imaging modalities also respiratory motion can be described and quantified. Indeed, 4D imaging allows to define a patient-specific model of respiratory motion, establishing a correspondence between changes of the irradiated anatomo-pathological structures and a respiratory surrogate signal. However, irregularities and intra-/inter-fraction variability usually affect breathing motion and are not adequately described by conventional 4DCT. Therefore, there is the clinical need for (i) improved description of respiratory motion variability, (ii) strategies to manage irregular breathing motion in case of inadequate or lacking imaging data, and (iii) accurate prediction of the impact of irregular breathing motion on the dose distribution. Different respiratory motion modeling approaches are investigated in this thesis and are proposed as tools for both the geometrical quantification of respiratory motion and the evaluation of related dose variations, aiming at granting treatment quality in presence of regular and irregular breathing motion. First of all, the thesis focuses on maximizing the potentialities of 4D imaging for estimating geometrical changes caused by variable respiratory motion. The 4DMRI was investigated for capturing variable breathing motion, and an approach for virtual 4DCT generation from 4DMRI was implemented in order to evaluate dose changes due to breathing motion variability in carbon ion therapy. Furthermore, a mathematical modeling technique was validated for the estimation of respiratory phases not captured by 4D imaging in presence of intra- and inter-fraction variability. This thesis explores also methods for the evaluation of radiological path length changes induced by breathing motion, allowing to evaluate the dosimetric impact of respiration. A method for the improved definition of the internal target volume was tested, and a model to estimate physical and RBE-weighted dose variations in case of irregular breathing motion during carbon ion therapy was validated. The investigated respiratory motion modeling techniques are put forward as tools to support the treatment planning of moving tumors in particle therapy, allowing to test the robustness against breathing motion variability and giving the opportunity to simulate irregular and unimaged respiratory motion.

Nella radioterapia con particelle, il movimento d’organi causa incertezza sulla posizione del tumore e sulla lunghezza del percorso radiologico, impedendo così l'uso efficace della selettività geometrica dei fasci di particelle. L’image-guidance, cioè il supporto delle immagini biomediche, è fondamentale per pianificare e verificare la qualità del trattamento e, con le modalità di imaging 4-dimensionale (4D), è possibile descrivere e quantificare anche il movimento respiratorio. Infatti, l'imaging 4D consente di definire un modello di movimento respiratorio specifico per il paziente, stabilendo una corrispondenza tra i cambiamenti delle strutture anatomo-patologiche irradiate e un segnale surrogato del respiro. Tuttavia, le potenziali irregolarità e la variabilità intra-/inter-frazione influiscono sul movimento respiratorio ed esse non sono adeguatamente descritte nella convenzionale Tomografia Assiale Computerizzata (TAC) 4D. Pertanto, esiste la necessità clinica di (i) una migliore descrizione della variabilità del movimento respiratorio, (ii) strategie per gestire il movimento respiratorio irregolare in caso di dati di imaging inadeguati o mancanti e (iii) una previsione accurata dell'impatto del movimento respiratorio irregolare sulla distribuzione di dose. In questa tesi sono stati studiati diversi approcci di modellizzazione del movimento respiratorio, che sono strumenti sia per la quantificazione geometrica del movimento respiratorio sia per la valutazione delle relative variazioni della dose ed hanno l'obiettivo di garantire la qualità del trattamento in presenza di un movimento respiratorio regolare ed irregolare. Innanzitutto, la tesi si concentra sulla massimizzazione delle potenzialità dell'imaging 4D per la stima dei cambiamenti geometrici causati dal movimento respiratorio variabile. La Risonanza Magnetica (RM) 4D è stata studiata per catturare il movimento respiratorio variabile e un approccio per la generazione di TAC 4D virtuali da RM 4D è stato implementato al fine di valutare i cambiamenti di dose dovuti alla variabilità del movimento respiratorio nella terapia con ioni carbonio. Inoltre, è stato validato un modello matematico per la stima delle fasi respiratorie non catturate dall'imaging 4D in presenza di variabilità intra- ed inter-frazione. Successivamente, questa tesi esplora metodi per la valutazione delle variazioni della lunghezza del percorso radiologico indotte dal movimento respiratorio, consentendo di valutare il suo impatto dosimetrico. È stato testato un metodo per migliorare la definizione del volume target interno (ITV) ed è stato validato un modello per stimare le variazioni di dose fisica e di dose pesata per il coefficiente di Efficacia Biologica Relativa (RBE) in caso di movimento respiratorio irregolare durante la terapia con ioni carbonio. Le tecniche di modellizzazione del movimento respiratorio studiate sono proposte come strumenti per supportare la pianificazione del trattamento dei tumori in movimento nella terapia con particelle, consentendo di testare la robustezza del piano alla variabilità del movimento respiratorio e dando l'opportunità di simulare il movimento respiratorio irregolare e non catturato dall’imaging.