Il Treatment Planning System

Il trattamento di protonterapia, o più in generale quello di radioterapia, av- viene secondo una linea guida ben delineata proposta dalla World Health Orga- nization (WHO). In generale, è possibile suddividere un trattamento in 10 fasi:

1. valutazione e visita al paziente;

2. accertamento circa la possibilità di un trattamento protonterapico; 3. prescrizione di un protocollo per il trattamento;

4. studio del miglior posizionamento e immobilizzazione del paziente; 5. simulazione, imaging diagnostico per la determinazione dei volumi; 6. pianificazione del trattamento;

7. trasferimento dei dati al sistema di controllo che eroga il fascio curativo; 8. preparazione del paziente secondo la pianificazione;

9. trattamento;

10. verifica e monitoraggio durante il trattamento;

Particolare attenzione si presta allo step 4, dal momento che tutte le infor- mazioni sulla pianificazione del trattamento devono essere ottenute con il pa- ziente nella corretta posizione di trattamento, in modo tale che la configurazione del paziente possa essere facilmente riprodotta in giorni diversi. La presenza di errori o grandi incertezze in questa fase si trasmetteranno in tutto il processo di trattamento, determinando l’insorgenza di forti criticità nelle fasi successive.

Ai fini di questo lavoro, ci si andrà a soffermare sullo step 6, del quale si vuole dare un approfondimento. Questa fase di pianificazione si avvale del Treatment

Planning System (TPS), ossia un software basato su codici analitici che ha il com- pito di gestire e impostare i parametri del fascio che può essere generato dall’ac- celeratore in base alla quantità di dose da rilasciare, secondo le prescrizioni degli oncologi, al fine di elaborare il miglior piano di trattamento.

La regione in grigio di Fig. 32 evidenzia le fasi del processo di radioterapia che si riferiscono in modo specifico alla pianificazione del trattamento. Questa comprende l’acquisizione di informazioni anatomiche, rappresentate in maniera più semplice da un contour esterno, o in maniera più sofisticata utilizzerà i dati generati dalle classiche procedure di imaging, quali Tomografia Computerizzata (CT) o Imaging con Risonanza Magnetica (MRI).

Talvolta, per aiutare la determinazione dei volumi target, possono essere uti- lizzate le informazioni provenienti da procedure di medicina nucleare come To- mografia Computerizzata ad Emissione di Singolo Fotone (SPECT) o PET. La MRI e la PET sono spesso applicate in combinazione con la CT per una maggior definizione del volume del target (PTV) e degli OAR. Basandosi su queste im- magini vengono delineati manualmente i volumi di riferimento secondo la nor- mativa in vigore (ICRU 62) e le strutture critiche a diverse profondità; da questi contorni si costruisce un modello 3D del trattamento che viene usato per trovare la/le direzioni di ingresso del fascio per cui è possibile irradiare il tumore senza danneggiare gli OAR.

Nella fase preparatoria all’imaging diagnostico, diversi marker di riferimento vengono posizionati sulla superficie del paziente. Questo può essere fatto, come già detto, prima della creazione dell’immagine, utilizzando markers radio-opa- chi che saranno utili ad individuare le posizioni di riferimento del fascio durante il processo di pianificazione. In alternativa è possibile utilizzare il sistema laser di cui sono dotati la maggior parte dei simulatori CT, per individuare dei punti di riferimento sulla pelle; così facendo è possibile identificare tali markers anche dopo che il paziente ha completato il processo di imaging. Attraverso questi punti di riferimento si va ad individuare, tipicamente, un isocentro predefinito

Una volta ottenuti i dati appropriati per il contour esterno o l'immagine, l'on-

cologo descrive i volumi e gli organi a rischio. Per i contours generati con im- magini diverse dalla CT, questi vengono generalmente registrati con le CT e quindi trasposti su di esse, in quanto i dati CT sono di solito usati per calcolare adeguatamente la dose. Laddove non ci siano importanti disomogeneità tissutali, i vari contours derivati da qualsiasi sorgente di imaging possono essere utilizzati direttamente per il calcolo della dose, supponendo che gli stessi non contengano distorsioni e che le densità tissutali siano uguali a quelle dell'acqua. In alcuni casi in cui vengono misurati solo contorni esterni, i contorni interni possono essere derivati da film o da altre sorgenti di imaging e possono essere assegnate speci- fiche densità in base ai dati pubblicati.

A partire da questi dati, si vanno a determinare i parametri del fascio in modo da irradiare il target in maniera adeguata, minimizzando al tempo stesso la dose agli OAR o a tessuti sani circostanti. Si sceglie, dunque, la direzione da cui il fascio deve penetrare nel tessuto. Il TPS genererà quindi una struttura basandosi sulle informazioni raccolte in fase di diagnosi e sui vincoli imposti stabilendo il numero di slices su cui effettuare il trattamento, la posizione degli spot, le ener- gie del fascio ed il numero di particelle per spot (figura 33).

La distribuzione della dose viene poi valutata usando una o più procedure possi- bili contemporaneamente; Ad esempio, una semplice revisione della distribu- zione stessa conferma se il PTV è coperto adeguatamente e se i tessuti sani sono limitati a livelli di dose accettabili. In alternativa, è possibile utilizzare uno stru- mento di valutazione del piano. Un approccio sarebbe quello di utilizzare l'ana- lisi dell’istogramma dose-volume (DVH) per valutare l'adeguatezza della piani- ficazione.

Infine, considerando sempre il processo di pianificazione del trattamento, potrebbero essere necessari dei dispositivi ausiliari. Tipicamente essi compren- dono calchi, stampi, sistemi di immobilizzazione in materiali termoplastici, compensatori per delimitare i bordi dei volumi da trattare o per compensare le variazioni complessive della dose oltre a schermature e altri dispositivi di sup- porto.

Il TPS rappresenta, come si è potuto constatare, il cuore di un apparato di protonterapia. Generalmente è formato da un computer, delle porte di in- gresso/uscita e da un software.

Ad oggi, i sistemi disponibili in commercio offrono una vasta gamma di soft- ware e piattaforme hardware, ma i componenti fondamentali di un TPS, sono comuni a tutti. Nei seguenti paragrafi verranno brevemente descritti questi com- ponenti.

3.2.1 L’Hardware

Il sistema necessita di una o più CPU di sufficiente capacità in modo che il software venga eseguito in maniera efficiente. Anche il processore grafico e il monitor devono garantire una rapida visualizzazione delle immagini ad alta ri- soluzione. Deve inoltre essere presente hard disk di grande capienza per permet- tere l'archiviazione di una elevata mole di dati e di immagini, dotato di strumenti di backup in grado di garantire l'archiviazione dei dati in modo sicuro. Il lettore e masterizzatore di CD-ROM deve permettere sia l'installazione e l’aggiorna- mento di nuovi software, sia il trasferimento di dati. La tavoletta grafica (stru- mento dotato di un digitalizzatore di tipo elettromagnetico) è di fondamentale importanza per effettuare nel modo più efficace possibile il contornamento dei target e dei vari OAR sulle immagini TAC. Una stampante a colori deve invece permettere la stampa di immagini ad alta risoluzione relative al piano di tratta- mento anche se di recente si va verso una una completa digitalizzazione, an- dando a proiettare tali immagini su vari sistemi monitor di diverse dimensioni. A garanzia di questo trasferimento di immagini o di dati del TPS in generale, è importante anche la presenza di una rete all'interno di un network dedicato per la protonterapia.

3.2.2 Il Software

Il TPS deve essere realizzato mediante un pacchetto di applicazioni installate su sistemi operativi come Unix o Windows. Il software per la pianificazione del trattamento è molto complesso ma può essere sostanzialmente composto da un pacchetto base ed una serie di estensioni aggiuntive con diverse di funzionalità. L’utente deve valutare quali sono le funzionalità aggiuntive di cui ha bisogno, in relazione ai requisiti dell’hardware su cui verrà eseguito il software, prima di acquistare il software.

Alcuni di questi strumenti di supporto, essenziali in fase di pianificazione per un trattamento di protonterapia, sono: le immagini diagnostiche della CT e della MRI specifiche per ogni paziente, un database che contiene le informazioni per descrivere le interazioni tra il fascio e l'acqua, ed un algoritmo commerciale per il computo della dose assorbita basato su un modello cosiddetto single pencil beam. Nei paragrafi seguenti si descriveranno nel dettaglio questi elementi di cui è dotato il software TPS in fase di sviluppo dalla ITEL Telecomunicazioni.

Caratteristiche delle immagini CT

Come prima cosa il TPS deve essere in grado di processare tutte le informa- zioni raccolte mediante la strumentazione di diagnostica medicale, come le im- magini dello scanner CT o del tomografo MRI. Per far sì che questo sia possibile le immagini della CT e della MRI (o medicali in generale) sono salvate in un formato speciale chiamato Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). Il formato DICOM rappresenta un vero e proprio protocollo standard in grado di descrivere le immagini che in questo modo possono essere facilmente trasmesse, ricevute o salvate. I DICOM delle CT del paziente sono quindi l’input di base per il TPS e devono essere ad esso trasferiti prima che qualsiasi pianifica- zione possa aver luogo.

Le immagini CT consistono in una serie di slices di proiezioni 2D del pa- ziente, lungo l’asse di movimento dello scanner. Solitamente rappresentano i

piani trasversali a varie profondità lungo l’asse longitudinale del paziente. A par- tire da queste immagini il TPS costruirà, con gli opportuni vincoli imposti dal fisico medico, la struttura per l'irraggiamento attivo come già illustrato in pre- cedenza.

Ogni voxel dell'immagine CT è espresso tramite l’unità di misura detta Hounsfield Unit (HU), rappresentativa dell'attenuazione dei raggi X per quel materiale, che è correlata alla densità di quello specifico voxel. L'HU non è una unità di misura assoluta, ma viene espressa relativamente all'attenuazione dei fotoni in acqua, cioè:

𝐻𝑈 =𝜇 − 𝜇𝐻2𝑂 𝜇_𝐻2𝑂

dove µ e µH2O rappresentano rispettivamente i coefficienti medi di attenuazione

nel particolare materiale e nell'acqua. I valori HU dipendono dalla calibrazione dell’apparato di CT utilizzato e devono quindi essere misurati in modo tale che il TPS ne tenga conto.

Un’altra proprietà caratteristica del materiale che il TPS deve necessaria- mente conoscere è il Water Equivalent Path Lenght (WEPL). Il WEPL è un pa- rametro assunto indipendente dall'energia entro un errore inferiore all'1%, ed è così definito:

𝑊𝐸𝑃𝐿 =𝑅𝐻2𝑂− 𝑅

∆𝑥

dove RH2O rappresenta il range medio di penetrazione in acqua, mentre R è il

range medio di penetrazione in acqua con la presenza di un inserto avente spes- sore ∆x.

Questi due parametri sono importanti, poiché per un dato materiale il TPS è in grado di correggere, nel caso di tessuti diversi dall'acqua, il range dei protoni e calcolare la posizione finale del picco di Bragg direttamente dall'immagine CT acquisita. Per fare ciò, e sufficiente ottenere una scansione CT della regione di interesse in modo da poter poi effettuare una trasformazione in base alle consi- derazioni appena fatte: ad ogni voxel della TAC con densità maggiori rispetto

quella dell'acqua, verranno assegnati WEPL più lunghi, mentre per ogni voxel con densità minori, verranno assegnati WEPL più corti [fig. 35].

Quindi, conoscendo i valori delle HU per ogni voxel della struttura, è possi- bile effettuare una trasformazione e passare ad un sistema acqua-equivalente mediante apposite tabelle di conversione tra HU e WEPL (lookup tables, fig. 36). Con questa procedura la traiettoria di un protone attraverso un voxel CT viene convertita in una traiettoria nel sistema acqua-equivalente ed è possibile risalire al range di penetrazione. Tuttavia, questo approccio prende in conside- razione solo variazioni di densità, ragion per cui altri effetti che riguardano la composizione atomica del materiale, non sono tenuti in considerazione.

Figura 35. Rappresentazione di una struttura, delimitata in rosso, osservata in un’immagine CT e in un sistema acqua-equivalente