Investgating the feasibility of on-line adaptive radiotherapy at CNAO

ART (adaptive radiotherapy treatment) is based on the idea to adapt dosimetric plans according to inter-fraction changes that usually affect patients’ anatomy. An ART treatment starts with the definition of the dosimetric plan during the so called, planning phase. This operation is done on the basis of a pCT (planning CT). The operative phase starts with the positioning of the patient by means of specific techniques, then the radiation dose is delivered. The most popular imaging technique for patient positioning is CBCT. If significant inter-fraction changes are registered, the treatment is stopped and the plan is adapted relying on a rCT (re-planning CT), or on specific techniques that allow to restart the treatment after this operation, thus providing an on-line re-planning phase. CNAO (National Center for Oncological Hadrontherapy) is a center of excellence for the treatment with hadrons, particles like proton or carbon ions, both in Italy and Europe. Here, the re-planning phase is performed with an off-line approach, and CBCT images, acquired with a customized system, present many limitations. The two most important issues to be solved are the lack of HU recovery and the truncation artifact caused by a limited FOV (field of view). The aim of this work is to investigate the feasibility of on-line re-planning phase at CNAO by means of the virtual CT approach. This technique deforms pCT on CBCT using DIR (deformable image registration) to create a vCT (virtual CT) characterized by the anatomy shown in the CBCT. This approach was evaluated on two physical phantoms and on six pelvic patients thus making the study more challenging, as this anatomical district has been rarely studied. Also methods for HU recovery and the correction of the truncation artifact were evaluated. As far as the HU recovery, phantoms were exploited to build calibration curves, while the correction of the truncation artifact was done reproducing a method from literature. Both methods were validated on phantoms. The DIR was tested on phantoms at first, then on patients. Before doing tests on patients, a method for air pockets correction was proposed. Results revealed that CBCT’s correction methods guarantee a relative error on phantoms <2%, but are less reliable on patient’s images. DIR’s accuracy was proved both by tests on phantoms and patients (< 2mm), but little gains were obtained considering profiles of intensity. This is due to several reasons: (i) low inter-fraction motion attributable to the usage of thermoplastic masks during the treatment. (ii) poor contrast of soft tissues. (iii) lack of experience in select reliable fiducial points for the DIR. This study underlined that the virtual CT approach could be a suitable practice for ART at CNAO, nevertheless many issues need to be solved. High improvements could be achieved enlarging CBCT’s FOV acting on scan modality. In addition, the knowledge of clinical experts would improve DIR’s accuracy and effectiveness. All these corrections would open to studies aimed at the validation of dosimetric plan’s adaptation based on vCT, thus further investigating the feasibility of on-line re-planning phase.

La radioterapia adattiva (ART) si basa sull’idea di adattare i piani dosimetrici a seconda dei movimenti inter-frazione che solitamente interessano l’anatomia del paziente. Un trattamento di ART comincia con la definizione del piano dosimetrico durante la fase di pianificazione. Quest’operazione è effettuata basandosi su una CT di pianificazione (pCT). La fase operativa comincia con il posizionamento del paziente attraverso tecniche specifiche, successivamente la dose di radiazioni viene rilasciata. La tecnica di imaging più comune per il posizionamento è la CBCT. Nel caso in cui vengano registrati significativi movimenti di inter-frazione, il trattamento viene interrotto ed il piano viene adattato o sulle basi di una CT di ri-pianificazione (rCT), oppure attraverso tecniche specifiche che permettono di riprendere il trattamento appena dopo, attuando quindi una fase di ri-pianificazione on-line. CNAO (Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica) è un centro di eccellenza per il trattamento con adroni, particelle come protoni o ioni carbonio, sia in Italia che in Europa. Qui, la fase di ri-pianificazione è eseguita off-line, e le immagini CBCT, acquisite attraverso un sistema progettato ad hoc, presentano diverse limitazioni. Le due più importanti sono la mancanza di una conversone dei voxel ad HU (hounsfield units), e le dimensioni ristrette del campo di vista (FOV). Lo scopo di questo lavoro è di valutare la fattibilità di una fase di ri-pianificazione on-line a CNAO attraverso l’approccio con virtual CT. Questa tecnica deforma la pCT sulla CBCT attraverso la DIR (deformable image registration) ottenendo una virtual CT (vCT) caratterizzata dall’anatomia presentata nella CBCT. Questo approccio è stato valutato su due fantocci fisici e su sei pazienti pelvici. Ciò ha reso lo studio più complesso, poiché questo distretto anatomico è stato raramente trattato in letteratura. Anche un metodo per la calibrazione ad HU e per la correzione dell’artefatto da troncamento sono stati valutati. Circa la calibrazione ad HU, i fantocci hanno permesso di costruire delle curve di calibrazione, mentre la correzione del troncamento è stata eseguita riproducendo un metodo da letteratura. La DIR è stata testata prima sui fantocci e poi sui pazienti, dopo aver effettuato una correzione delle bolle d’aria. I risultati hanno mostrato che le correzioni effettuate sulla CBCT garantiscono un errore relativo <2%, ma sono meno affidabili sui pazienti. L’accuratezza della DIR è stata confermata sia sui fantocci che sui pazienti (<2mm), ma si sono visti bassi miglioramenti circa i profili di intensità delle immagini. Questo è dovuto a: (i) basso movimento inter-frazione, (ii) basso contrasto dei tessuti molli, (iii) mancanza di esperienza nel selezionare punti significativi per la DIR. Lo studio ha mostrato che l’approccio con vCT potrebbe essere adatto all’ ART a CNAO, tuttavia diversi problemi devono essere risolti, a cominciare dall’allargamento del FOV. L’esperienza degli operatori clinici aumenterebbe l’accuratezza e l’efficacia della DIR. Tutte queste modifiche potrebbero aprire la strada alla valutazione dell’adattamento dei piani dosimetrici su vCT, approfondendo quindi la fattibilità di una fase di ri-pianificazione on-line.