Image guided management of uncertainties in scanned particle therapy.

The use of particles for external beam radiotherapy is a recent breakthrough technological achievement, potentially increasing the tumor control ratio by coupling the high-precision delivery with dose-escalated protocols. However, the spread of this treatment to different type of cancers, is driven by the technological advances in computer-assisted therapy, required to manage the intrinsic sensitivity to targeting uncertainties. This PhD work is a technological contribution towards the development of advanced procedures for image-guidance in particle therapy, aiming at enhanced setup control capabilities in the treatment of static and moving tumors. The envisaged strategy for patient setup and monitoring merges anatomical information coming from in-room X-ray imaging with continuous optical monitoring of surface surrogates, acting as redundant non-invasive geometry check during the whole treatment. The optical tracking systems (OTS) adopted in this project are commercial off-the-shelf solutions for infrared motion capture. The bundle setup designed for human gait analysis was integrated with a dedicated application for frameless stereotactic setup verification in radiotherapy based on surface fiducial markers. The imaging part consists of a six axes articulated arm equipped with a custom C-arm tool, integrating a diagnostic kV X-ray source and an amorphous-silicon flat panel detector. A new software for imaging and setup correction was developed, featuring 2D/3D registration from double projections or 3D/3D alignment by acquiring volumetric cone beam CT. The actual installation at the Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) in Pavia reported millimeter scale residual setup errors in a number of treatment fractions of stationary tumors. A critical review of the observed performance was provided, assessing the dose effect of such uncertainties in the treatment of head chordoma with carbon ion beams. Five treatment plans were retrospectively tested for robustness against setup errors and uncertainties in tissue stopping power estimation from CT images. Dose distributions were compared in terms of conformity and inhomogeneity when 2mm CTV-to-PTV safety margins were applied. Besides safety margins, setup errors and particle range uncertainties show a non-negligible combined contribution. Systematical treatment plan robustness assessment against expected uncertainties is thus encouraged, selecting beam settings and fractionation schemes where homogeneity is preserved. Finally, algorithms for breathing motion analysis were included in the OTS software, extending its functionality to the delivery of time resolved treatment plans. The proof of concept was experimentally demonstrated relying on breathing phantoms mimicking the correlated motion of a lung lesion and patient thorax. Two competing motion mitigation strategies were implemented, i.e. gating and beam tracking reporting few percent dose discrepancy between motion compensated and static irradiation. The design and experimental verification activities of a comprehensive framework for image guidance in scanned ion beam therapy is reported. Overall, the innovations proposed in this work can improve the quality of care for oncological patients undergoing advanced radiotherapy treatments, ensuring high standard in setup control and verification.

L’uso di fasci di particelle in radioterapia è una recente innovazione tecnologica, potenzialmente in grado di garantire un miglior controllo del tumore rispetto alla terapia convenzionale, unendo l’alta precisione con protocolli di dose-escalation. La diffusione di tale metodica è in stretta relazione con i progressi tecnologici nella terapia assistita dal calcolatore necessari per gestire la sensibilità intrinseca alle incertezze di trattamento. Questo lavoro di dottorato è un contributo tecnologico verso lo sviluppo di procedure avanzate per l’image-guidance in terapia con particelle in grado di garantire un miglior controllo del setup terapeutico nel trattamento di lesioni statiche e mobili. La strategia prevista per la verifica del setup terapeutico combina informazioni anatomiche provenienti da immagini X-ray acquisite in sala di trattamento con il monitoraggio continuo di surrogati esterni mediante tecnologie ottiche che forniscono in modo non invasivo informazioni circa il setup terapeutico durante l’intero trattamento. I sistemi di tracking ottico (OTS) adottati in questo progetto sono soluzioni commerciali per l’analisi del movimento basati su telecamere a infrarosso. L’OTS, progettato originariamente per l'analisi del cammino umano, è stato integrato con un'applicazione dedicata all’allineamento frameless del paziente in radioterapia. Il sistema di imaging consiste di un braccio robotico a sei assi dotato di uno arco a C personalizzato che integra una sorgente X-ray ed un flat-panel al silicio amorfo. Nell’ambito del progetto è stato sviluppato un nuovo software per l'imaging e la correzione del setup terapeutico che integra metodi per la registrazione 2D/3D da doppie proiezioni o allineamento 3D/3D da immagini volumetriche cone beam CT. L'installazione del sistema al Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO) di Pavia ha evidenziato errori residui di setup su scala millimetrica in un largo numero di frazioni di trattamento di tumori stazionari. I risultati osservati nella pratica clinica sono stati oggetto di revisione critica volta a valutare l'effetto dosimetrico di tali incertezze nel trattamento con ioni carbonio di pazienti affetti da cordoma. Cinque piani di trattamento sono stati testati a posteriori per robustezza rispetto a errori di setup e incertezze nella stima del range delle particelle a partire da immagini CT. Le distribuzioni di dose sono state confrontate in termini di conformità e disomogeneità quando è applicato un margine di sicurezza pari a due millimetri nella definizione del volume bersaglio (PTV). Lo studio ha evidenziato come la presenza di errori di setup ed incertezze nel range della particelle determina conseguenze non trascurabili sulla qualità della dose somministrata al paziente. È dunque incoraggiata la verifica a priori di robustezza del piano di trattamento rispetto alle incertezze considerate, al fine di selezionare impostazioni di fascio opportune e schemi di frazionamento in grado di conservare una deposizione omogenea di dose nel bersaglio. Infine, il software OTS è stato esteso includendo gli strumenti necessari al monitoraggio in tempo reale del segnale respiratorio del paziente per la somministrazione di trattamenti 4D in distretti extra-cranici. La fattibilità tecnologica è stata dimostrata sperimentalmente mediante fantocci in grado di simulare il movimento correlato di una lesione polmonare e del torace del paziente. Due strategie alternative per la compensazione del movimento, gating e beam tracking, sono state messe a confronto in numerose sessioni sperimentali misurando piccole variazioni percentuali tra l'irradiazione statica e quella in presenza di movimento. Nel presente lavoro sono riportate le attività di sviluppo e verifica sperimentale di un sistema per l’image-guidance in terapia con particelle. Nel complesso, le innovazioni proposte possono migliorare la qualità delle cure per i pazienti oncologici sottoposti a trattamenti di radioterapia avanzata, assicurando elevati standard di controllo e verifica del setup di trattamento.