Evaluation of Geometrical Accuracy in Single Isocenter Multi-Target Cranial Stereotactic Radiotherapy and Stereotactic Radiosurgery

Radiotherapy (RT), together with surgery and chemotherapy, is one of the three main modalities used in the treatment of cancer. Nowadays, thanks to the advanced technological development of imaging equipment, image-Guided Radiotherapy (IGRT) has been introduced. It allows visualization of the patient’s anatomy prior to radiation fraction delivery, allowing accurate knowledge of the location of the target volume. IGRT has also been integrated with Stereotactic Radiotherapy (SRT) and Stereotactic Radiosurgery (SRS): this combination of procedures is the actual standard for treating particularly sensitive and less-evident zones, such as very small lesions in the cranium. IGRT is based on the integration of two fundamental imaging systems on the Linear Accelerator (LINAC): a kV X-ray source with its flat imaging panel, i.e., On-Board Imaging (OBI), and an MV X-ray source with the respective flat imaging panel, i.e., Electronic Portal Imaging (EPI). Both of them are used for assessing patient positioning before treatment and have the possibility to perform 2D and 3D volume acquisitions; the latter also represents the high-dose X-ray source for effective patient treatment. Once an IGRT system is commissioned, it is necessary to perform periodic Quality Assurance (QA) controls to ensure optimal therapy outcomes. In particular, geometric accuracy aims to verify the setting of the patient and X-ray beams. The purpose of this work is to develop an automatic method to evaluate the alignments of multiple targets simulating distributed metastases and Multi-Leaf Collimator (MLC) irradiation beam fields from a cranial phantom in single isocenter treatments, after previous registration with the OBI system. The need for this task stems from the problem that MV image analysis, due to low subject contrast and low signal-to-noise ratio, is still performed by hand. Therefore, an automatized process is needed. Specifically, this method performs analysis and comparisons of paired 2D Digital Reconstructed Radiographs (DRRs) and Portal images, enabling sub-millimeter accuracy and an 88% speedup compared with current manually performed QA processes.

La Radioterapia (RT), insieme alla chirurgia e alla chemioterapia, è una delle tre modalità principali utilizzate nel trattamento del cancro. Oggi, grazie all’avanzato sviluppo tecnologico delle apparecchiature di imaging, è stata introdotta la radioterapia guidata dalle immagini (IGRT). Essa consente di visualizzare l’anatomia del paziente poco prima dell’erogazione della frazione di radiazioni, permettendo di conoscere con precisione la posizione del volume da irradiare. L’IGRT è stata inoltre integrata con la Radioterapia Stereotassica (SRT) e la Radiochirurgia Stereotassica (SRS): questa combinazione di procedure rappresenta lo standard attuale per il trattamento di zone particolarmente sensibili e meno evidenti. L’IGRT si basa sull’integrazione di due sistemi fondamentali di imaging nell’acceleratore lineare (LINAC): una sorgente kV di raggi X con il suo pannello di imaging, cioè l’On-Board Imaging (OBI), e una sorgente MV di raggi X con il rispettivo pannello di imaging, ovvero l’Electronic Portal Imaging (EPI). Entrambi sono utilizzati per valutare il posizionamento del paziente e hanno la possibilità di eseguire acquisizioni di volumi 2D e 3D; quest’ultimo rappresenta anche la sorgente di raggi X ad alta dose utilizzata per il trattamento effettivo del paziente. Una volta che un sistema di IGRT viene commissionato, è necessario eseguire verifiche periodiche di controllo qualità per garantire che i risultati dei trattamenti siano ottimali. In particolare, l’accuratezza geometrica ha lo scopo di verificare il set-up sia del paziente che dei fasci di raggi X. Lo scopo di questa tesi è sviluppare un metodo automatico per valutare gli allineamenti di bersagli multipli (volti a simulare metastasi distribuite) all’interno di un phantom cranico e dei fasci di irradiazione del Multi-Leaf Collimator (MLC) in trattamenti a singolo isocentro, a seguito di una precedente registrazione tramite il sistema OBI. La necessità di questo compito nasce dal problema che l’analisi delle immagini MV, a causa del basso contrasto del soggetto e del basso rapporto segnale/rumore, viene ancora eseguita a mano. Pertanto, è necessario un processo automatizzato. In particolare, questo metodo esegue l’analisi e il confronto di radiografie digitali ricostruite (DRR) e immagini MV (Portal images), garantendo un’accuratezza sub-millimetrica e una velocizzazione dell’88% rispetto agli attuali processi di controllo qualità, i quali prevedono misurazioni geometriche eseguite manualmente.