2 Materiali e metodi 1 Introduzione Acronimi Indice

Indice

Acronimi

1 Introduzione

1.1 La dose nelle procedure di radiologia interventistica 5

1.2 Il monitoraggio della dose al paziente 6

1.3 La procedura di impianto della valvola aortica transcatetere 7

1.3.1 Descrizione della procedura TAVI 8

1.4 La sorgente a raggi X 11

1.5 Le pellicole GafChromic XR-RV3 12

2 Materiali e metodi

2.1 Misure dirette 16

2.1.1 Calibrazione delle pellicole Gafcrhomic XR-RV3 16

2.1.2 Lettura ed analisi della pellicole Gafcrhomic XR-RV3 19

2.1.3 Correzione della non-uniformità dello scanner 20

2.1.4 Misure di dose su paziente 21

2.2 Misure indirette 23

2.2.1 Il software PCXMC 23

2.2.2 Radiation Dose Structured Reports 25

2.2.3 Determinazione dei parametri di esposizione non presenti sui RDSR 25

2.2.3.1 Sistema di riferimento dell’angiografo 27

2.2.3.2 Sistema di riferimento RDSR 29

2.2.3.3 Calcolo della distanza sorgente-paziente 30

2.2.3.4 Determinazione delle dimensioni del campo di irradiazione in ingresso al paziente 33

2.2.3.5 Definizione della regione anatomica irradiata durante la procedura TAVI 33

2

2.2.5 Stime di dose su paziente 34

3 Risultati

3.1 Misure dirette 37

3.1.1 Risposta delle pellicole in funzione colore del canale di scansione 37

3.1.2 Calibrazione delle pellicole 38

3.1.3 Correzione della non-uniformità dello scanner 38

3.1.4 Misure di PSD su pazienti 41

3.1.5 Misura di DAP e di ESD su pazienti 41

3.1.6 Mappe di distribuzione della dose in ingresso su pazienti 42

3.2 Misure indirette 44

3.2.1 Stima della dose agli organi e della dose efficace su paziente 44

3.2.1.1 Determinazione del rischio di sviluppare neoplasie radioindotte 46

3.2.2 Confronto fra dati misurati e dati estratti dai RDSR 47

3.2.3 Confronto tra le grandezze dosimetriche per il monitoraggio dell’esposizione del paziente 48

4 Discussione e conclusioni

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Acronimi

TAVI Transcatheter Aortic Valve Implantation, Impianto Valvolare Aortico Transcatetere

PSD Peak Skin Dose, Dose massima alla pelle ED Effective Dose, Dose efficace

NCRP National Council on Radiation Protection and Measurement ICRP International Commission on Radiological Protection TF Tempo di Fluoroscopia

CK Cumulative air Kerma, KERMA in aria incidente cumulativo

DAP Dose Area Product, Prodotto Dose-Area

TLD Thermoluminescent dosimeter, Dosimetro a Termoluminescenza

MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, Transistor Metallo-Ossido-Semiconduttore a Effetto di Campo

RDSR Radiation Dose Structured Reports, Reports di dose strutturati

DICOM Digital Imaging and COmmunications in Medicine

AEC Automatic Exposure Control, Controllo Automatico

dell’Esposizione

PV Pixel Value, Valore dei Pixel

ESD Entrance Skin Dose, Dose in Ingresso alla pelle

HVL Half Value Layer, Spessore emivalente

ROI Region of Interest, Regione di Interesse

REID Risk of Exposure-Induced Death, Rischio di Decesso per Tumore Radioindotto

ISP International Specialty Products

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Capitolo 1

Introduzione

Questa tesi valuta l'esposizione alle radiazioni ionizzanti dei pazienti sottoposti ad impianto di valvola aortica transcatetere (TAVI, Transcatheter Aortic Valve Implantation).

Vengono stimati due tipi di dose al paziente: la dose massima alla pelle (PSD), che permette di valutare la possibilità per il singolo paziente di ricevere una lesione della pelle a causa della radiazione, e la dose efficace (ED), che consente di determinare il rischio di neoplasie radioindotte alla popolazione di pazienti TAVI.

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1.1 La dose nelle procedure di radiologia interventistica

L'impiego e lo sviluppo delle procedure di radiologia interventistica hanno mostrato una notevole crescita negli ultimi venti anni. Tali procedure sono meno invasive, permettono di effettuare trattamenti mirati raggiungendo la sede della malattia attraverso le vie naturali (sistema urinario, digestivo, vascolare), presentano un ridotto rischio di infezioni post-intervento e richiedono una degenza più breve rispetto alla chirurgia tradizionale pur garantendone gli stessi risultati clinici1_{. Tuttavia, le procedure interventistiche possono} comportare per il paziente una significativa esposizione a radiazioni ionizzanti. Questo si traduce con un aumento del rischio di induzione di tumori e danni genetici (rischio stocastico) e la possibile manifestazione di danni immediati a tessuti o organi (rischio deterministico). Di conseguenza, è stata recentemente dedicata molta attenzione alla prevenzione di tali rischi, sia promuovendo lo sviluppo di nuovi sistemi di imaging per la riduzione della dose che investendo sulla formazione degli operatori che lavorano in questo settore.

Nel 2011, il National Council on Radiation Protection and Measurement (NCRP) nella sua pubblicazione numero 1682 ha presentato 31 raccomandazioni, molte delle quali riferite al monitoraggio della dose al paziente, ponendo particolare rilievo alla gestione del rischio radiologico e delle lesioni radioindotte alla pelle. Nel 2013 l’International Commission on Radiological Protection (ICRP) ha pubblicato il report numero 1203 con l’indicazione di istituire un registro pazienti per la registrazione dei parametri di esposizione qualora vengano superati i 3 Gy di dose alla pelle durante la procedura interventistica. Del 2015 è invece il rapporto ISTISAN 15/414 pubblicato dall'Istituto Superiore di Sanità. Tale documento si pone come obiettivo la sensibilizzazione “culturale” all'interno delle strutture del Servizio Sanitario Nazionale per ottimizzare e standardizzare le procedure di radiologia interventistica: le indicazioni operative riguardano gli aspetti legati alla radioprotezione del paziente, alla radioprotezione degli operatori e alle problematiche inerenti la formazione degli operatori.

Si comprende dunque come sia ad oggi indispensabile operare un monitoraggio dosimetrico delle procedure interventistiche al fine di prevenire gli effetti deterministici alla cute e limitare quanto più possibile gli effetti stocastici.

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1.2 Il monitoraggio della dose al paziente

La dose assorbita da un paziente durante una procedura interventistica dipende principalmente dalle caratteristiche del fascio di raggi X, dalla complessità e dal tipo di intervento, dall'esperienza dell'operatore e dall'anatomia del paziente stesso. Pur non essendo ancora stato definito uno standard di riferimento per la valutazione dell'esposizione del paziente in radiologia interventistica, risulta utile monitorare le seguenti grandezze:

 il Tempo di Fluoroscopia (TF)

 il KERMA in aria incidente cumulativo (Cumulative air Kerma, CK) al punto di riferimento interventistico

 il Prodotto Dose-Area (Dose Area Product, DAP)  la Dose Massima alla Pelle (Peak Skin Dose, PSD)

Il TF è un indice della complessità della procedura interventistica. Può essere utilizzato per valutazioni comparative tra due o più procedure ma, non essendo direttamente legato alla dose, non può essere visto come descrittore della dose al paziente. Il CK al punto di riferimento interventistico rappresenta la possibile massima dose alla cute cui è soggetto il paziente. È un'informazione di tipo puntuale e non tiene conto della radiazione retrodiffusa dal paziente stesso; non può dunque essere considerata una grandezza rappresentativa della dose al paziente. Molti studi hanno invece dimostrato la correlazione tra DAP e dose efficace. Sono noti dalla letteratura dei coefficienti di conversione, ricavati mediante simulazione Monte-Carlo su fantocci antropomorfi, che consentono di ricavare una stima della dose efficace a partire dal valore misurato di DAP. Tale misura non è tuttavia utile alla valutazione della dose alla pelle per la quale è indispensabile conoscere parametri come la distanza sorgente-pelle e la dimensione del campo del fascio di raggi X. Pertanto, il DAP può rappresentare un indicatore approssimativo della dose efficace per il paziente, ma non può esprimere la possibilità di manifestazione di danni immediati sul paziente. Uno strumento molto utile per la stima della dose alla cute è rappresentato dalla PSD. Essa dipende dal rateo di dose istantaneo, dalla durata dell'esposizione, dalla dimensione e orientazione del fascio di raggi X. Può essere misurata mediante l'uso di rivelatori a scintillazione, diodi al silicio, dosimetri a termoluminescenza (TLD), film

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radiocromici, transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) o camere a ionizzazione5-14. Tra tutte le possibili soluzioni, i film radiocromici rappresentano il metodo più efficace in quanto forniscono un’accurata misura della PSD e, contemporaneamente, consentono di tracciare una mappa della distribuzione di dose sulla cute del paziente. Utilizzando i film radiocromici per la misura della PSD è quindi possibile sia valutare gli effetti deterministici che stimare gli effetti stocastici causati dalle radiazioni ionizzanti.

Dal 2005 è inoltre disponibile un nuovo strumento di monitoraggio della dose in radiologia interventistica: il Radiation Dose Structured Reports (RDSR). Si tratta di un oggetto DICOM organizzato in una complessa struttura ad albero che contiene le informazioni relative ai dati anagrafici del paziente, al tipo di procedura interventistica eseguita, ai parametri di esposizione e agli indici dosimetrici per ogni evento di irradiazione. Elaborando i dati estratti dal RDSR mediante opportuni software di simulazione è possibile ottenere valutazioni di dose al paziente puntuali ed accurate.

1.3 La procedura di impianto della valvola aortica

transcatetere

L’impianto della valvola aortica transcatetere (TAVI) è un nuovo ed innovativo trattamento finalizzato alla cura della stenosi aortica. Le prospettive per i pazienti con stenosi aortica sintomatica è estremamente grave, con tassi di mortalità del 51% a 1 anno e del 68% a 2 anni nei pazienti che non sono ritenuti essere candidati alla chirurgia convenzionale e vengono trattati solo con terapia medica standard15_{. La sostituzione} valvolare mediante un intervento invasivo a cuore aperto è l’unica terapia in grado di modificare la prognosi per questi pazienti nonché di migliorarne significativamente la qualità di vita. Tuttavia l’intervento chirurgico, considerato a basso rischio di mortalità nella popolazione generale, può rappresentare un’opzione terapeutica non percorribile per un sottogruppo di pazienti nei quali il rischio operatorio è molto elevato. La Euro Heart Survey ha evidenziato che circa un terzo dei pazienti con valvulopatia non può essere trattato chirurgicamente per via della presenza di comorbilità o in ragione dell’età avanzata16. La procedura TAVI permette di impiantare una protesi aortica a cuore chiuso,

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per via percutanea, e rende dunque disponibile un trattamento efficace per una larga parte di pazienti ad alto rischio o non operabili.

L'interesse per la TAVI è iniziato con lo studio di tipo preclinico condotto da Andersen17 nei primi anni ’90.Il primo impianto di protesi valvolare aortica negli esseri umani è stato eseguito nel 2002 da Cribier18 mentre viene riconosciuto a Webb19 lo sviluppo dell'approccio arterioso retrogrado (inizialmente dall’arteria femorale), che ancora oggi costituisce lo standard per la TAVI.

Il trattamento con procedura TAVI rappresenta ad oggi l’approccio di cura preferenziale per i pazienti che presentano un fattore di rischio estremamente alto e sono quindi giudicati "inoperabili", ed è una valida alternativa alla chirurgia invasiva per molti pazienti "operabili" ma ad alto rischio.

1.3.1 Descrizione della procedura TAVI

L’intervento di impianto valvolare aortico viene solitamente effettuato in anestesia generale. Trattandosi di un intervento a cuore chiuso, tutte le fasi della procedura sono eseguite sotto guida fluoroscopica.

L’accesso alla regione cardiaca avviene attraverso l'arteria femorale: si pratica una piccola incisione e si fissa una cannula del diametro di 1-2 mm attraverso la quale verranno introdotti e fatti scorrere tutti i dispositivi utili all’intervento. Si inizia inserendo un filo metallico che viene sospinto fino ad oltrepassare il piano valvolare aortico; questo filo ha la duplice funzione di indicatore di posizione della valvola aortica nativa stenotica e di guida per l’inserimento di ulteriori dispositivi. Viene quindi introdotto un pacemaker temporaneo che verrà utilizzato per accelerare il cuore durante alcune fasi critiche del posizionamento della valvola aortica transcatetere. Si procede introducendo un catetere a palloncino che viene posizionato all’interno della valvola aortica stenotica. Il pallone viene gonfiato e questo determina la completa dilatazione della valvola aortica nativa (figura 1). Questa fase è nota come valvuloplastica e viene sempre eseguita durante la procedura TAVI per favorire il posizionamento della nuova bioprotesi valvolare.

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Figura 1: valvuloplastica aortica.

La bioprotesi valvolare (figura 2a) è costituita da tre lembi di pericardio bovino fissati ad uno stent in lega cromo-cobalto di diametro 23 o 26 mm. Al momento dell’impianto, la bioprotesi viene montata su un catetere a palloncino mediante l’utilizzo di uno speciale strumento di “crimping” (figura 2b) che comprime lo stent metallico simmetricamente dalla sua configurazione espansa fino al suo minimo profilo di rilascio.

Figura 2: a) bioprotesi aortica su stent metallico.

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Il catetere viene dunque fatto scorrere lungo la guida metallica fino a raggiungere il piano valvolare aortico.

Una volta definita la corretta posizione, il cuore viene accelerato fino a 180-200 battiti al minuto per ridurre il flusso di sangue, e quindi limitare al minimo il movimento della valvola, ed il palloncino viene gonfiato. Ne risulta che lo stent si espande e la valvola si distende all’interno della valvola stenotica, che quindi non viene rimossa, ma funge da superficie di ancoraggio per la nuova valvola.

Una volta sgonfiato il palloncino, la bioprotesi valvolare funzionerà esattamente come una valvola aortica normale (figura 3).

La procedura TAVI si conclude eseguendo un’arteriografia al fine di assicurarsi che non è stato arrecato nessun danno all’arteria femorale durante l’intervento.

Figura 3: procedura TAVI. Il catetere a palloncino su cui è fissata la bioprotesi scorre lungo la guida metallica verso il piano valvolare aortico (a sinistra). Una volta definita la corretta posizione, il palloncino viene gonfiato e la

bioprotesi si fissa sulla valvola stenotica (al centro). Il palloncino viene quindi sgonfiato e rimosso insieme al catetere; la bioprotesi funziona come una valvola aortica normale (a destra).

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1.4 La sorgente a raggi X

Tutte la procedure TAVI considerate in questo lavoro sono state eseguite presso l’Ospedale del Cuore Pasquinucci di Massa (Fondazione Toscana G. Monasterio) con l’ausilio di un angiografo Philips Allura Xper FD10 (figure 4).

L’angiografo è costituito da un arco a G montato a soffitto che ospita un tubo ad alta potenza ed un rivelatore flat panel da 25 cm. La tensione massima del tubo è pari a 125 kV mentre la corrente anodica massima a 80 kV è di 1250 mA.

Il sistema ha una filtrazione fissa di 2,5 millimetri di alluminio, ma sono disponibili diverse combinazioni di filtrazioni aggiuntive: una filtrazione di 0,9 millimetri Cu + 1 millimetro Al viene impostata scegliendo la modalità a bassa dose mentre i protocolli a media e alta dose prevedono una filtrazione aggiuntiva rispettivamente di 0,4 millimetri Cu + 1 millimetro Al e di 0,1 millimetri Cu + 1 millimetro Al.

L’acquisizione in modalità pulsata avviene a 15 frames/s per le modalità a bassa e media dose mentre si registrano 30 frames/s per la modalità ad alta dose. Una volta impostato il protocollo di acquisizione, si attiva il sistema di controllo automatico dell’esposizione (AEC) per regolare la qualità del fascio a seconda del tipo di procedura eseguita e delle dimensioni del paziente.

Tutte le informazioni relative ai dati anagrafici del paziente, al tipo di procedura interventistica eseguita, ai parametri di esposizione e agli indici dosimetrici generate durante la procedura interventistica vengono organizzate per singolo evento di irradiazione e registrate all’interno del Radiation Dose Structured Reports (RDSR).

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Figure 4: Sistema angiografico Philips Allura Xper FD10.

1.5 Le pellicole GafChromic XR-RV3

I film radiocromici rappresentano il metodo più efficace per la valutazione della dose al paziente.

Le pellicole radiocromiche Gafchromic XR-RV3 (Ashland, Inc., Covington, KY) sono state progettate appositamente per misure di dose in procedure di radiologia interventistica. Esse presentano infatti un’alta sensibilità per ampi range di dose (0,05-15 Gy) e di energie (30 keV-30 MeV), una buona uniformità di risposta (<5%), una bassa dipendenza dal rateo di dose (<3%) ed una grande superficie di rivelazione (35,6cm x 43,2cm). Inoltre, le pellicole XR-RV3 sono auto-sviluppanti, insensibili alla luce visibile, non influenzano la qualità dell'immagine e non creano disagio al paziente.

Le pellicole XR-RV3 (figura 5) sono di tipo riflettente, formate da cinque strati sovrapposti: uno strato di poliestere trasparente colorato in arancione, uno strato adesivo

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sensibile alla pressione, uno strato attivo sensibile alla radiazione, uno strato superficiale e uno strato di supporto in poliestere bianco opaco. I cinque strati sono costituiti principalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno. Lo strato attivo contiene piccole quantità (meno del 2%) di litio, azoto e cloro, mentre lo strato di poliestere bianco coprente contiene quantità di zolfo (meno del 4%) e bario (meno del 16%)20. Il numero atomico effettivo, 𝑍𝑒𝑓𝑓, di tutti gli strati della pellicola XR-RV3 è pari a 7,32521. Per l’acqua risulta che lo 𝑍_𝑒𝑓𝑓 vale 7,3 quindi è possibile considerare le pellicole come tessuto equivalenti.

Quando sottoposti a radiazioni ionizzanti, le pellicole radiocromiche subiscono un processo di polimerizzazione che induce una colorazione della pellicola, stabile e duratura, con diverse gradazioni di colore rappresentative della dose assorbita in quel punto: la colorazione diventa più scura in proporzione alla dose assorbita22. Una misura della densità ottica o del valore di pixel-value (PV), successiva alla esposizione della pellicola a radiazioni ionizzanti, permette dunque di ottenere una valutazione quantitativa dell'esposizione stessa.

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Le pellicole XR-RV3 hanno mostrato grandi variazioni di risposta (fino al 15%) in funzione della qualità della radiazione23, dell’impiego fasci continui o pulsati24 e dell'orientamento rispetto al fascio incidente di raggi X23. È dunque molto importante scegliere la qualità del fascio più appropriata e la corretta geometria di irraggiamento in fase di calibrazione a seconda delle caratteristiche dei sistemi a raggi X che verranno in seguito utilizzati clinicamente.

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Capitolo 2

Materiali e metodi

La dose al paziente sottoposto a procedura TAVI viene valutata con due metodi diversi:

- Misura diretta della dose massima alla pelle (PSD) e della distribuzione di dose cutanea con pellicole Gafcrhomic XR-RV3;

- Stima della dose agli organi e della dose efficace con il software di simulazione PCXMC.

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2.1 Misure dirette

Misure dirette della PSD sono state effettuate utilizzando le pellicole Gafcrhomic XR-RV3. Le XR-RV3 sono progettate appositamente per l’utilizzo in radiologia interventistica: presentano un’alta sensibilità per ampi range di dose e di energie, hanno una buona uniformità di risposta e una bassa dipendenza dal rateo di dose, non comportano disagio per il paziente e non influenzano la qualità delle immagini. La loro alta risoluzione e la grande superficie di rivelazione permettono inoltre di definire una mappa bidimensionale della distribuzione di dose in ingresso al paziente.

2.1.1 Calibrazione delle pellicole

Gafcrhomic XR-RV3

Diversi studi25-27 hanno mostrato l’importanza di scegliere l’appropriata qualità del fascio per la calibrazione delle pellicole prima di effettuare misure di dose alla pelle su pazienti. Innanzitutto è essenziale considerare la geometria di irraggiamento. In condizioni cliniche, durante le misure di dose alla pelle in ingresso (ESD), la pellicola è posta sotto la schiena del paziente mentre si trova disteso sul tavolo operatorio. In queste condizioni, la pellicola è irradiata sia dal fascio primario di raggi X che dal fascio retrodiffuso dal paziente. La radiazione retrodiffusa, nel range di energie impiegate in radiologia interventistica, può produrre dal 5% al 40% in più di fluenza fotonica attraverso lo strato attivo della pellicola rispetto al solo irraggiamento da fascio primario28,29. Pertanto, l'effetto complessivo da radiazione primaria e retrodiffusa implica maggiore dose assorbita e, di conseguenza, un maggiore annerimento della pellicola. Ne segue che, in fase di calibrazione, il contributo derivante dalla radiazione retrodiffusa non può essere trascurato.

Un altro fattore molto importante è la conoscenza del protocollo clinico in uso. I protocolli clinici prevedono l’utilizzo di una filtrazione aggiuntiva per proteggere i pazienti da esposizioni causate da radiazioni a bassa energia. I fotoni a bassa energia infatti non contribuiscono alla formazione dell'immagine, ma comportano un aumento ingiustificato

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della dose paziente. È necessario quindi ridurre la quantità di fotoni a bassa energia utilizzando un filtro aggiuntivo, ma questo comporta una modifica dello spettro energetico complessivo rispetto al caso senza filtrazione. Per ricreare uno spettro il più vicino possibile a quello originato in condizioni cliniche, è necessario considerare la filtrazione aggiuntiva anche nel protocollo utilizzato in fase di calibrazione delle pellicole.

Infine, è utile considerare il range di tensione. La risposta delle pellicole XR-RV3 è fortemente dipendente dalla qualità del fascio a raggi X. McCabe23 ha dimostrato che esponendo la pellicola con il lato arancione rivolto verso la sorgente ad un valore di kerma in aria pari a 200 cGy, la risposta della pellicola aumenta del 20% passando da 60 kVp a 120 kVp. In condizioni cliniche, per la stessa procedura e lo stesso paziente, il voltaggio cambia in funzione dell’angolazione del tubo raggi X. Farah25 _{ha suggerito che se le} variazioni di energia del fascio sono molto ampie per una determinata procedura interventistica si dovrebbe generare la curva di calibrazione a 80 kV e 4 mm Al HVL1 _in quanto essa rappresenta la qualità media di radiazione che potrebbe essere clinicamente impiegata (60-120 kV e 2,45-7,75 mm HVL).

Per tutte queste ragioni, la calibrazione delle pellicole XR-RV3 è stata eseguita in condizioni cliniche ed utilizzando un fantoccio paziente-equivalente per simulare le condizioni di retrodiffusione.

La sorgente di raggi X impiegata è il sistema angiografico Philips Allura Xper FD10 con arco a G montato a soffitto. Prima di procedere alla calibrazione delle pellicole, è stato effettuato un controllo di qualità sull’angiografo valutando l’output del tubo, le dimensioni del campo di irraggiamento e la tensione di picco (kVp). Inoltre, è stato misurato l’HVL a 80 kVp ottenendo un valore pari a 3,5 mm.

Il fantoccio paziente-equivalente utilizzato per simulare la radiazione retrodiffusa è un box con pareti PMMA di dimensioni esterne 30 cm x 40 cm x 30 cm. Per le misure, il fantoccio è stato riempito con 23 cm di acqua.

Una pellicola Gafcrhomic XR-RV3 (Lot No. 11.051.501) è stata tagliata in sezioni di 5 cm x 4 cm. Le sezioni sono state poi numerate in modo da tale da conoscerne la posizione e l’orientamento rispetto all’intera pellicola originale29,30 _{sia in fase di irraggiamento che}

1 _{Lo spessore emivalente (HVL, Half Value Layer) è definito come lo spessore di materiale che attenua la} radiazione misurata della metà del suo valore iniziale. L’HVL dipende dal kVp e dalla filtrazione e definisce la qualità del fascio a raggi X.

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durante la lettura. Le sezioni sono state esposte una alla volta, posizionandole nella parte centrale omogenea del fascio a raggi X e con il lato arancione rivolto alla sorgente. Sono stati usati otto differenti valori di ESD: 15, 45, 75, 100, 150, 200, 360, e 630 cGy. L’arco dell’angiografo è posizionato in modo da avere la sorgente di raggi X sotto il tavolo porta-paziente (figura 6). Il materassino è stato incluso nelle misure. La pellicola è stata posizionata sul tavolo porta-paziente tra il materassino e il fantoccio. La distanza sorgente-pellicola e la distanza sorgente-detettore sono state fissate rispettivamente a 54 cm e a 120 cm.

Figura 6: setup sperimentale. Il tubo a raggi X è sotto il lettino alla minima distanza possibile da esso; il fantoccio è posizionato sopra il materassino; la pellicola di calibrazione si trova tra il materassino ed il fantoccio, al centro del

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La calibrazione è stata eseguita utilizzando il protocollo impiegato di routine in clinica per le procedure di TAVI: 80 kVp (3,5 mm Al HVL), filtrazione aggiuntiva di 0,1 mm Cu + 1 mm Al, modalità di fluoroscopia a dose media con un fascio impulsato di 15 frames/s.

Le pellicole sono state gestite in conformità alle linee guida raccomandate da TG-5530. Prima e dopo le esposizioni, le pellicole di calibrazione sono state conservate in buste singole in una stanza buia ad ambiente controllato. La temperatura durante le fasi di irraggiamento e di scansione è stata mantenuta in un intervallo di 21 °C ± 2 °C.

2.1.2 Lettura ed analisi della pellicole Gafcrhomic XR-RV3

La risposta delle pellicole XR-RV3 dipende principalmente dal tempo trascorso tra l’irraggiamento e la lettura, dall'orientamento durante la scansione e dal modello dello scanner utilizzato per la lettura30. È importante sviluppare un protocollo di lettura unico e riproducibile per tutte le pellicole che tenga conto di questi fattori. Quando esposte a radiazioni ionizzanti, le pellicole XR-RV3 subiscono un processo di polimerizzazione che produce l’annerimento della pellicola stessa in proporzione alla dose assorbita. Tale processo non si interrompe a fine irraggiamento, ma continua per un lungo intervallo di tempo dopo l'esposizione. McCabe23 ha dimostrato che l'annerimento cambia rapidamente durante le prime 8 ore dall’esposizione e che sono necessarie 24 ore affinché il processo di polimerizzazione si stabilizzi. Per il protocollo di lettura, un intervallo di 48 ore tra l’esposizione e la lettura è pertanto ritenuto soddisfacente per garantire un processo stabile. Per ridurre al minimo i possibili problemi di orientamento della pellicola originati dal modo in cui è stato prodotto lo strato attivo della pellicola (vale a dire, la struttura reticolare), le sezioni usate per la calibrazione sono state numerate e contrassegnate in modo da poter essere posizionate nello scanner di lettura sempre allineate lungo la stessa direzione,30,32,33. L'importanza della scelta dello scanner verrà presentata nel paragrafo seguente.

Le pellicole di calibrazione sono state lette con lo scanner piano Epson Expression 10000XL 48 ore dopo l’irraggiamento. Per controllare i parametri di scansione è stato

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utilizzato il pacchetto software "EPSON Scan" (versione 3.04a) impostando la lettura in "Professional Mode”, modalità riflessiva, con tutte le opzioni di regolazione delle immagini disattivate e una risoluzione di 72 dpi (0,35 mm/pixel).

Ogni pellicola di calibrazione è stata posizionata al centro dello scanner con il lato arancione verso il basso ed è stata scansionata per 5 volte consecutive. Le immagini a 16 bit ottenute sono state salvate in formato TIFF separatamente nelle tre componenti di colore rosso, verde e blu. È stata poi generata, a partire dalle 5 scansioni effettuate, un’immagine media in modo da ridurre il noise33_{. Il canale rosso ha mostrato la massima} sensibilità e la migliore differenziazione nella regione a basse dosi ed è quindi stato utilizzato per generare la curva di calibrazione.

Le immagini sono state analizzate con il software ImageJ (National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA). Una regione di interesse (ROI) rettangolare di circa 3 cm x 3 cm è stata posta al centro di ogni immagine per calcolarne media e deviazione standard. Il valore medio dei pixel per ogni pellicola di calibrazione è stato infine associato alla dose misurata per creare la curva di calibrazione delle pellicole.

2.1.3 Correzione della non-uniformità dello scanner

Gli scanner commerciali mostrano una risposta non uniforme, a parità di annerimento della pellicola, in funzione della posizione di lettura: la massima risposta si verifica al centro del piano dello scanner mentre si registra una diminuzione spostandosi verso i bordi del piano nella direzione perpendicolare alla direzione di scansione della fonte di luce. Il grado di non-uniformità dipende dall’annerimento della pellicola. Poiché le pellicole utilizzate per le misure su pazienti occupano l’intero piano dello scanner e coprono un range molto ampio di dose assorbita, è fondamentale valutare e correggere questi effetti. Tale valutazione è stata effettuata utilizzando le sezioni di pellicola 5 cm x 4 cm utilizzate per la calibrazione. Dopo l'acquisizione al centro del piano di scansione, il cui valore è stato preso come valore di riferimento, ogni sezione è stata letta spostandosi lungo le direzioni trasversale (piano perpendicolare alla direzione di scansione) e longitudinale (piano parallelo alla direzione di scansione) del piano dello scanner fino a coprire tutte le 60 diverse posizioni possibili31,32. Ogni sezione è stata scansionata tre volte

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per ogni posizione nel piano dello scanner e la componente rossa dell’immagine media è stata salvata in formato TIFF.

Le immagini sono state analizzate con il software ImageJ. Una ROI rettangolare di circa 3 cm x 3 cm è stata posizionata al centro dell’immagine per calcolare media e deviazione standard. Il valore medio dei pixel è stato quindi associato alle diverse posizioni lungo il piano dello scanner per creare la mappa di correzione di uniformità.

2.1.4 Misure di dose su paziente

Questo studio è stato condotto presso il Dipartimento Cardiotoracico dell’Ospedale del Cuore Pasquinucci di Massa (Fondazione Toscana G. Monasterio) ed ha coinvolto 3 pazienti di sesso maschile con età compresa tra 82 e 97 anni sottoposti a procedura TAVI. Prima dell’inizio di ogni intervento, una pellicola Gafchromic XR-RV3 è stata posizionata sotto la schiena del paziente nella regione maggiormente esposta alle radiazioni. La pellicola naturalmente non è a diretto contatto con la pelle del paziente, ma è posta sotto un telo chirurgico sterile. A fine procedura, la pellicola è stata contrassegnata in modo da avere un’indicazione dell’orientamento rispetto al paziente sia nella direzione destra-sinistra che nella direzione testa-piedi. La pellicola è stata poi inserita in una busta di plastica nera e disposta su una superficie piana in una stanza buia ad ambiente controllato per 24 ore. Trascorse le 24 ore la pellicola è stata letta con lo scanner piano Epson Expression 10000XL e le immagini ottenute sono state analizzate con il software ImageJ.

Le misure effettuate hanno riguardato valutazioni di PSD, DAP, ESD e la generazione di mappe di distribuzione di dose in ingresso al paziente.

La PSD è definita come la massima dose equivalente alla pelle calcolata in media su 1 cm2 qualsiasi di pelle, indipendentemente dalla superficie esposta. Per misurare la PSD è stata sviluppata una macro specifica che è stata implementata su ImageJ. Il codice sviluppato definisce una ROI di dimensioni 1 cm x 1cm che si muove con passo di 0,5 cm sull’intera immagine da analizzare, calcolando e registrando ad ogni passo media e deviazione standard in termini di PV. Applicando i fattori di correzione per l’uniformità

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di risposta dello scanner e utilizzando la curva di calibrazione, il PV medio di ogni ROI è stato convertito in dose. Il valore di dose massimo misurato coincide con la PSD cercata. Per le misure di DAP e di ESD è stato generato, per ciascuna delle immagini dei pazienti, un istogramma della distribuzione di frequenza dei PV. Una volta convertiti i PV in valori di dose in ingresso, è possibile ricavare una misura di DAP mediante la relazione

𝐷𝐴𝑃 = ∑𝑁𝑖=1𝐷𝑖 𝑛𝑖 𝐴 (1)

dove N è il numero di bins dell’istogramma, 𝐴 è l’area di un singolo pixel e 𝐷_𝑖 e 𝑛_𝑖 sono rispettivamente la dose e il numero di pixel dell’i-esimo bin. Dividendo il valore di DAP misurato per l’area totale irradiata si ottiene la ESD al paziente.

Infine, per definire una mappa bidimensionale della distribuzione di dose in ingresso al paziente sono stati utilizzati il tool Calibrate del software ImageJ e i dati della curva di calibrazione. Le immagini relative all’esposizione dei pazienti, acquisite in termini di PV, sono state così convertite in termini di ESD. È necessario sottolineare, tuttavia, che il tool Calibrate permette di scegliere solo fra un numero limitato di funzioni per il fit dei dati di calibrazione. Non è stato infatti possibile implementare la funzione descritta in equazione (1) per la conversione da PV a dose in ingresso ed è stata scelta, tra le funzioni disponibili, quella che meglio interpolava i dati. Le mappe generate dunque sono utilizzate esclusivamente per valutazioni di tipo qualitativo.

23

2.2 Misure indirette

La dose agli organi e la dose efficace non possono essere misurate direttamente, ma possono essere stimate utilizzando il metodo di calcolo Monte Carlo. Uno dei software Monte Carlo più comunemente usati per la stima della dose al paziente in radiologia interventistica è PCXMC34 _{(STUK, Helsinki, Finlandia). Il software necessita come input} dei parametri geometrici e di esposizione relativi all’indagine radiologica considerata. Valutazioni di dose molto accurate possono essere ottenute fornendo i dati estratti dai Radiation Dose Structured Reports (RDSR).

2.2.1 Il software PCXMC

PCXMC è un software per il calcolo della dose agli organi e della dose efficace al paziente negli esami radiologici (radiografia e fluoroscopia).

Il programma calcola la dose efficace considerando i fattori di peso (radiosensibilità relativa) della pubblicazione ICRP 10335 mentre le dosi agli organi sono relative al valore di kerma in aria incidente 𝐾_𝑎,𝑖.

I risultati forniti dal software derivano da simulazioni Monte Carlo effettuate su un fantoccio ermafrodito basato sul modello anatomico proposto da Cristy e Eckerman. È possibile impostare le dimensioni del fantoccio per imitare pazienti di peso ed altezza arbitrari. La versione del software PCXMC20Rotation (figura 7) permette inoltre di impostare liberamente le caratteristiche del fascio di raggi X e la geometria di irraggiamento. Questa applicazione è particolarmente utile in radiologia interventistica a causa dei movimenti del tubo a raggi X. È possibile scegliere il centro di rotazione attorno a cui si muove il tubo e attraverso il quale è diretto l'asse centrale del fascio a raggi X. Il centro di rotazione è noto come punto di riferimento e 'Xref', 'Yref', e 'Zref' sono le sue coordinate all'interno del fantoccio. L'angolo di proiezione e l'angolo cranio-caudale possono anch’essi essere impostati dall’utente per riprodurre le condizioni di irraggiamento cliniche. Infine, si devono fornire i parametri di esposizione: tensione

24

nominale del tubo a raggi X, filtrazione totale, angolo dell’anodo, distanza sorgente-punto di riferimento e dimensioni del campo di irraggiamento.

Le dosi agli organi calcolate possono essere utilizzate per la valutazione del rischio di neoplasie radioindotte. Le stime di rischio sono basate sul modello sviluppato dalla commissione BEIR VII36. Essa ha elaborato i modelli di rischio sia per l’incidenza che per la mortalità per cancro. I modelli considerano il sito di manifestazione del cancro, il sesso, l'esposizione e l'età al momento dell’esposizione.

25

2.2.2 Radiation Dose Structured Reports

I Radiation Dose Structure Reports (RDSR) sono stati ufficialmente riconosciuti nel 2005 con la pubblicazione del Supplemento 94 dello standard DICOM37. Un RDSR si compone di diversi attributi DICOM quali, ad esempio, i dati del paziente, i parametri di esposizione e i dati dosimetrici, organizzati in una struttura ad albero molto complessa. È possibile riorganizzare le informazioni memorizzate nei RDSR in una matrice 2D in cui ogni riga è riempita con i parametri corrispondenti ad un singolo evento irradiazione. La tabella 1 presenta i dati contenuti nei RDSR. Mancano tuttavia nei RDSR alcune informazioni necessarie per la valutazione della dose al paziente. Queste informazioni devono essere determinate dall'utente.

2.2.3 Determinazione dei parametri di esposizione non presenti

sui RDSR

Nei RDSR non sono presenti le informazioni relative alla distanza sorgente-paziente, alle dimensioni del campo di irradiazione in ingresso al paziente e alla regione anatomica irradiata. Tuttavia, l’utente può ricavare questi parametri integrando le informazioni contenute nel manuale delle specifiche di costruzione e nel DICOM Conformance Statement dell'angiografo con i dati registrati sui RDSR. Nei prossimi paragrafi viene presentato il metodo sviluppato ed adottato per ottenere la distanza sorgente-paziente, le dimensioni del campo in ingresso al paziente e l’indicazione della regione anatomica irradiata.

26

Tabella 1: parametri espositivi e dosimetrici presenti sui RDSR.

Parametro

Descrizione

Tipo dell’evento di irradiazione Fluoroscopia o Grafia

Rateo di impulso Numero di impulsi al secondo

Numero di impulsi Numero totale di impulsi in un evento di

irradiazione

Larghezza dell’impulso Larghezza in msec dell’impulso all’inizio dell’evento di irradiazione

Durata dell’irradiazione Durata in sec dell’evento di irradiazione Corrente del tubo a raggi X Corrente del tubo in mA per il singolo

evento di irradiazione

Materiale della filtrazione aggiuntiva Rame o alluminio

Spessore della filtrazione aggiuntiva Spessore in mm del filtro aggiuntivo Tensione massima del tubo Tensione del tubo per il singolo evento di

irradiazione

Angolo primario Angolo che descrive i movimenti

destra-sinistra attorno al paziente del rivelatore

Angolo secondario Angolo che descrive i movimenti

testa-piedi attorno al paziente del rivelatore Posizione degli shutter Posizione degli shutter sul rivelatore Posizione longitudinale del fascio Posizione del rivelatore nella direzione

testa-piedi

Posizione verticale del lettino Distanza in mm della superficie del lettino dal pavimento

Distanza sorgente-rivelatore Distanza in mm tra sorgente e rivelatore per il singolo evento di irradiazione Distanza sorgente-isocentro Distanza in mm tra sorgente e isocentro per

il singolo evento di irradiazione Prodotto Dose-Area (DAP) DAP totale della procedura in Gy m2

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2.2.3.1 Sistema di riferimento dell’angiografo

Innanzitutto bisogna conoscere la geometria dell’angiografo. In questo studio è stato utilizzato un Philips Allura Xper FD10 con arco a G montato a soffitto (figura 8). I movimenti traslatori dell’arco e del lettino si riferiscono ad un sistema di assi ortogonali con origine sul pavimento ai piedi del lettino porta-paziente. I movimenti rotatori dell’arco sono invece definiti rispetto all’isocentro del sistema.

Figura 8: schema dell’angiografo Philips Allura Xper FD10 con arco a G montato a soffitto.

Non è presente nel DICOM Conformance Statement dell’angiografo un campo che descrive la posizione dell’isocentro rispetto al sistema di coordinate cartesiane xyz, tuttavia è noto il valore della distanza tra l’asse di rotazione dell’arco e il pavimento che misura 1065 mm. Anche la distanza sorgente-isocentro è fissa e pari a 765 mm. Il lettino può muoversi nelle tre direzioni spaziali con un vincolo sull’altezza massima possibile di 1040 mm. Gli spostamenti angolari sono definiti mediante l’angolo primario e l’angolo secondario. L’angolo primario descrive la posizione del rivelatore rispetto al paziente

28

nella direzione destra-sinistra; vengono considerati positivi i movimenti da destra verso la verticale. L’angolo secondario descrive la posizione del rivelatore rispetto al paziente nella direzione testa-piedi; vengono considerati positivi i movimenti dai piedi verso la verticale (figura 9). I movimenti di rotazione dell’arco si riferiscono agli spostamenti del rivelatore, non della sorgente.

Per costruzione, tuttavia, valgono le seguenti relazioni:

Ω_{𝑆𝑜𝑟𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒}𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = Ω_Rivelatore 𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜+ 180° (2)

𝛷_{𝑆𝑜𝑟𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒}𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜= 𝛷_Rivelatore 𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜+ 180° (3)

È sempre possibile definire la posizione della sorgente una volta nota la posizione del rivelatore.

29

2.2.3.2 Sistema di riferimento RDSR

Prima di effettuare le misure di dose su paziente, è stato eseguito un test sull’angiografo al fine di verificare che quanto registrato sui RDSR fosse coerente con le caratteristiche geometriche del sistema. Sono state acquisite delle immagini di un fantoccio di plexiglas variando la posizione del lettino o l’orientamento dell’arco come da schema riportato in tabella 2.

Da questo semplice test è emerso che sul RDSR:

 non vengono memorizzati gli spostamenti laterali e longitudinali del lettino; si ha solo l’informazione relativa ai movimenti lungo l’asse z.

 vengono descritti i movimenti del rivelatore considerando positivi i movimenti dell’angolo primario da destra verso la verticale e i movimenti dell’angolo secondario dalla testa verso la verticale. C’è quindi disaccordo tra quanto dichiarato dal costruttore e quanto riportato sul RDSR: l’angolo secondario viene memorizzato sul RDSR con segno invertito.

Tabella 2: misure test sull’angiografo per definirne la geometria.

Prova 1 Rivelatore a 0°

Prova 2 Proiezione angolo primario 15°

Prova 3 Proiezione angolo secondario 10°

Prova 4 Spostamento lettino verso i piedi Prova 5 Spostamento lettino verso destra

Prova 6 Spostamento arco verso testa

30

In questo studio, è stato utilizzato il sistema di riferimento coerente con quanto riportato sui RDSR (figura 10). Le relazioni (2) e (3) rimangono valide anche in questo sistema di riferimento.

Figura 10: riferimento per gli spostamenti dell’angolo primario e dell’angolo secondario implementato sui RDSR.

2.2.3.3 Calcolo della distanza sorgente-paziente

Uno schema del procedimento seguito per determinare la distanza sorgente-paziente è riportato in figura 11. Innanzitutto, è stato scelto un nuovo sistema di riferimento ortogonale cartesiano con origine all’isocentro. In questo sistema la sorgente, che viene trattata come puntiforme, avrà sempre coordinate iniziali S(0, 0, -765).

31

Figura 11: schema del procedimento seguito per determinare la distanza sorgente-paziente.

Indicando con α l’angolo primario, si ha che i movimenti della sorgente attorno all’asse y sono descritti dalla matrice

𝑅𝑦(𝛼) = |

cos 𝛼 0 sin 𝛼

0 1 0

− sin 𝛼 0 cos 𝛼

| (4)

Indicando invece con β l’angolo secondario si ha che i movimenti attorno all’asse x sono descritti dalla matrice

𝑅𝑥(𝛽) = |

1 0 0

0 cos 𝛽 − sin 𝛽

0 sin 𝛽 cos 𝛽

| (5)

La matrice di rotazione finale è data da scelta del sistema di riferimento

descrizione rotazione della sorgente e definizione retta sorgente-isocentro

descrizione del lettino porta-paziente mediante l'equazione di un piano

intersezione retta-piano

32

𝑅 = 𝑅_𝑥(𝛽)𝑅𝑦(𝛼) (6)

Le coordinate 𝑥_𝑠, 𝑦_𝑠, 𝑧_𝑠 della sorgente dopo la rotazione si ottengono moltiplicando la matrice di rotazione 𝑅 per il vettore colonna che rappresenta le coordinate della sorgente:

[ 𝑥_𝑠 𝑦_𝑠 𝑧_𝑠] = 𝑅 [ 0 0 −765 ] (7)

A questo punto è possibile definire l’equazione parametrica della retta che individua la direzione sorgente-rivelatore: [ 𝑥 𝑦 𝑧 ] = [ 𝑥𝑠 𝑦_𝑠 𝑧_𝑠] 𝑡 (8)

È possibile inoltre descrivere il lettino porta-paziente mediante l’equazione di un piano ortogonale all’asse z e passante per il punto P(0, 0, 1065-h), dove 1065 mm è la distanza fissa tra l’asse di rotazione dell’arco e il pavimento (figura 9) e h è l’altezza del lettino porta-paziente rispetto al pavimento:

𝑧 + (1065 − ℎ) = 0 (9)

Calcolando l’intersezione tra la retta congiungente sorgente e rivelatore e l’equazione del piano rappresentante il lettino porta-paziente, si trovano le coordinate del punto di ingresso del fascio sulla pelle del paziente I(𝑥_𝑖, 𝑦_𝑖, 𝑧_𝑖).

Infine, la distanza sorgente-paziente è ottenuta mediante la relazione:

33

2.2.3.4 Determinazione delle dimensioni del campo di irradiazione in

ingresso al paziente

Sul RDSR viene registrata la dimensione del campo di irradiazione al rivelatore. Conoscendo la distanza sorgente-rivelatore (anch’essa presente sul RDSR), una volta definita la distanza sorgente-paziente, le dimensioni del campo di irradiazione sono state determinate sfruttando le proprietà di similitudine dei triangoli.

2.2.3.5 Definizione della regione anatomica irradiata durante la

procedura TAVI

Le regioni anatomiche irradiate sono state delineate visionando tutte le immagini disponibili dei pazienti. Analizzando queste immagini è stato possibile comprendere l’approccio e le procedure di lavoro per gli interventi TAVI. Ciò ha portato a definire gli aspetti comuni alla procedura ed ha permesso di elaborare uno schema per l’individuazione della regione anatomica interessata per singolo esame.

2.2.4 Sistema di riferimento del software PCXMC

Il sistema di riferimento cartesiano implementato sul software PCXMC è diverso da quello dell’angiografo: sul RDSR vengono registrati i movimenti del rivelatore mentre su PCXMC vengono descritti i movimenti della sorgente. Ciò implica che se si trasferisce direttamente sul software un movimento descritto dall’angiografo senza apportare alcuna elaborazione, verrà implementato un movimento diverso da quello compiuto realmente dalla sorgente. Per implementare correttamente gli spostamenti della sorgente su PCXMC, è necessario definire separatamente i movimenti rotatori e quelli traslatori. Questi ultimi, vengono descritti aggiornando ad ogni movimento i valori delle coordinate

34

'Xref', 'Yref', e 'Zref' del punto di riferimento. I movimenti angolari dei due sistemi sono invece legati dalle relazioni:

Ω_{𝑃𝐶𝑋𝑀𝐶}𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 = Ω_RDSR 𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑃𝑟𝑖𝑚𝑎𝑟𝑖𝑜 (11)

𝛷_{𝑃𝐶𝑋𝑀𝐶}𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜= 𝛷_RDSR 𝐴𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑆𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜+ 90° (12)

2.2.5 Stime di dose su paziente

La dose agli organi e la dose efficace sono state valutate in maniera retrospettiva su 41 pazienti di età compresa tra i 59 ed i 97 anni utilizzando il software di simulazione PCXMC. I parametri geometrici e di esposizione dati input al software sono stati estratti dai RDSR o calcolati come descritto nei paragrafi precedenti.

Le simulazioni restituiscono i valori di dose efficace e la dose equivalente organizzati per singoli eventi di irradiazione; per determinare la dose efficace e la dose agli organi della procedura TAVI completa, è necessario sommare su tutti i valori generati. Gli organi considerati nella simulazione sono: midollo osseo rosso, ghiandole surrenali, cervello, mammella, colon, vie aeree extratoraciche, cistifellea, cuore, reni, fegato, polmoni, linfonodi, muscolo, esofago, mucosa orale, ovaie, pancreas, prostata, salivare ghiandole, scheletro, pelle, intestino tenue, milza, stomaco, testicoli, timo, tiroide, vescica e l'utero. A partire dalla dose agli organi stimata, è stato valutato il rischio che il paziente, nel corso della sua vita, sviluppi o muoia a causa di una malattia specifica causata dall’esposizione alle radiazioni. Il software PCXMC descrive il rischio di decesso derivante dall’esposizione a radiazioni ionizzanti in termini di esposizione al rischio di morte indotta (REID, Risk of Exposure-Induced Death). Il REID viene calcolato sul modello proposto dalla commissione BEIR VII. Questo modello tiene conto del sito del cancro, del sesso del soggetto, della sua età al momento dell’esposizione e dell’età raggiunta. Diversi modelli di rischio sono stati sviluppati per la leucemia e per i tumori solidi su diversi organi. È importante notare che il rischio di sviluppare neoplasie è diverso da zero

35

solo dopo un periodo di latenza pari a 5 anni per il cancro solido e a 2 anni per la leucemia. Il REID è definito mediante la relazione38:

𝑅𝐸𝐼𝐷_𝑐(𝑒, 𝐷) = ∫ [𝜇_𝑐(𝑡|𝑒, 𝐷) − 𝜇_𝑐(𝑡) ] ∞

𝑇

𝑆(𝑡|𝑒, 𝐷) 𝑑𝑡 (13)

dove 𝜇_𝑐(𝑡|𝑒, 𝐷) è il tasso di mortalità all'età 𝑡 imputabile alla causa 𝑐, essendo 𝑒 e 𝐷 rispettivamente l’età del soggetto e la dose al momento dell’esposizione; 𝜇_𝑐(𝑡) è il tasso di mortalità calcolato per la causa di morte 𝑐; 𝑆(𝑡|𝑒, 𝐷) è la probabilità che il soggetto sia ancora vivo al tempo 𝑡 dopo essere stato esposto ad una dose 𝐷 all’età 𝑒. Il limite inferiore dell’integrale è 𝑇 = 𝑒 + 𝑙, con 𝑙 periodo di latenza in anni.

36

Capitolo 3

Risultati

L’analisi dei dati comprende una prima parte riguardante le misure effettuate con le pellicole Gafchromic XR-RV3 finalizzate alla valutazione della dose massima alla pelle e alla definizione di mappe di distribuzione della dose in ingresso al paziente ed una seconda parte dedicata alle simulazioni Monte Carlo con il software PCXMC per la stima della dose agli organi e della dose efficace.

37

3.1 Misure dirette

Le misure dirette di dose su paziente comprendono valutazioni di dose in ingresso alla pelle (ESD), di dose massima alla pelle (PSD) e di DAP. Le misure sono state effettuate su pazienti sottoposti a procedura TAVI utilizzando le pellicole Gafchromic XR-RV3.

3.1.1 Risposta delle pellicole in funzione colore del canale di

scansione

Le immagini a 16 bit nei canali rosso, blu e verde di ognuna delle pellicole utilizzate per la calibrazione sono state analizzate separatamente. La figura 12 mostra che il canale rosso fornisce la migliore differenziazione nella regione a basse dosi. Questo è in linea con i precedenti studi sulle pellicole radiocromiche e con le raccomandazioni dell’ISP. In questo studio, sia per le misure di calibrazione che per le misure di dose su paziente, sono state utilizzate solo le immagini scansionate nel canale rosso.

Figura 12: valore dei pixel in funzione della dose in ingresso. Sono mostrati i tre canali rosso, verde e blu analizzati separatamente.

38

3.1.2 Calibrazione delle pellicole

La curva di calibrazione è stata ottenuta esponendo le pellicole ad un fascio impulsato di 80 kVp (3,5 mm Al HVL), filtrazione aggiuntiva di 0,1 mm Cu + 1 mm Al, in un intervallo di dose compreso tra 0 e 630 cGy.

Le pellicole sono state esposte con la parte arancione rivolta verso la sorgente posizionandole al centro del campo di irraggiamento sotto un fantoccio di plexiglas di 40 cm x 30 cm x 30 cm riempito con 23 cm di acqua per simulare la radiazione retrodiffusa dal paziente.

La curva di calibrazione ottenuta è mostrata in figura 13. I dati sono stati analizzati con il software OriginLab. L’equazione usata per il fit dei dati ha la forma39

𝐷 = 𝑎 + 𝑃𝑉

𝑏 + 𝑐𝑃𝑉+ 𝑑𝑃𝑉 (14)

dove D è la dose in ingresso, PV è il valore dei pixel e a,b,c e d sono i parametri del fit. Il valore di R2 pari a 0,99984 mostra che c’è un ottimo accordo fra i punti misurati ed il modello teorico scelto per descriverli. La curva ottenuta sarà utilizzata per convertire i PV misurati durante le misure su pazienti nei valori di dose in ingresso ESD sconosciuta.

3.1.3 Correzione della non-uniformità dello scanner

L'uniformità dello scanner è stata valutata in termini di variazione percentuale della risposta misurata fuori dalla regione centrale rispetto al valore di riferimento misurato in posizione centrale al piano dello scanner.

Ogni sezione esposta in fase di calibrazione è stata letta spostandosi lungo le direzioni trasversale (piano perpendicolare alla direzione di scansione) e longitudinale (piano parallelo alla direzione di scansione) del piano dello scanner fino a coprire tutte le 60 diverse posizioni possibili.

39

Figura 13: curva di calibrazione.

Le immagini ottenute sono state analizzate con ImageJ calcolando media e deviazione standard per ciascuna pellicola e ciascuna posizione. I valori ottenuti sono stati poi confrontati con quelli di riferimento misurati al centro del piano dello scanner, regione in cui la risposta dello scanner è massima. I valori di PV calcolati per ogni immagine sono stati memorizzati in una matrice, dove gli indici di riga e di colonna individuano la posizione della pellicola sul piano di scansione. La matrice ha permesso di ricostruire una mappa bidimensionale della uniformità spaziale della risposta dello scanner. In figura 14 viene mostrata la mappa ottenuta per la pellicola esposta ad 100 cGy. Si può notare che lungo la direzione parallela alla direzione di scansione, lo scanner mostra una risposta abbastanza uniforme mentre è presente, lungo la direzione perpendicolare alla direzione

40

di scansione, una evidente disuniformità di risposta. Tale comportamento nella funzione di risposta è comune a tutte le pellicole anche se la disuniformità diventa più importante per le pellicole esposte a dosi più alte. La pellicola esposta a 630 cGy, ad esempio, mostra una variazione massima misurata della risposta pari al 25% tra il centro e i bordi dello scanner a fronte del 5,5% misurato per la pellicola da 100 cGy.

Figura 14: rappresentazione grafica dell’uniformità di risposta dello scanner. Il piano xy descrive il piano di lettura dello scanner come una matrice di 10 righe e 6 colonne per riprodurre le 60 posizioni occupate dalle pellicole di calibrazione. Sull’asse z è riportata la variazione percentuale della risposta misurata alla posizione i,j rispetto alla

lettura al centro dello scanner.

Completata l’analisi delle immagini, sono stati calcolati dei fattori di correzione dell’uniformità spaziale per ogni combinazione di posizione e valore di esposizione della pellicola. Questi coefficienti sono stati utilizzati per correggere i valori di PV delle immagini acquisite dei pazienti.

1 2 3 4 5 6 -6% -5% -4% -3% -2% -1% 0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Uniformità della risposta dello scanner

-1%-0% -2%--1% -3%--2% -4%--3% -5%--4% -6%--5%

41

3.1.4 Misure di PSD su pazienti

Per le misure di PSD le pellicole XR-RV3 sono state posizionate sotto la schiena del paziente sul materassino del tavolo porta-paziente, con la parte arancione rivolta verso la sorgente. Concluso l’irraggiamento, le pellicole sono state conservate in buste singole di colore nero e riposte su un piano orizzontale in una stanza buia a temperatura controllata. La lettura è stata effettuata con uno scanner piano Epson Expression 10000XL 24 ore dopo l’irraggiamento.

Per misurare la PSD, le immagini sono state analizzate utilizzando un codice appositamente sviluppato e implementato su ImageJ. In tabella 2 sono riportati i dati ottenuti per i 3 pazienti trattati.

Tabella 2: valori di PSD misurati su paziente con pellicole Gafcrhomic XR-RV3. PSD (Gy)

Paziente 1 1,72 ± 0,01 Paziente 2 1,28 ± 0,02 Paziente 3 1,26 ± 0,01

Per nessuno dei pazienti è stata superata la dose soglia di 2 Gy per la manifestazione degli effetti deterministici.

3.1.5 Misura di DAP e di ESD su pazienti

La misura del DAP per ciascun paziente è stata ricavata da un istogramma della distribuzione di frequenza dei PV generato con il software ImageJ. Una volta convertiti i PV in valori di dose in ingresso, è stato calcolato il DAP mediante la relazione

42

𝐷𝐴𝑃 = ∑𝑁_𝑖=1𝐷_𝑖 𝑛_𝑖 𝐴 (15)

dove N è il numero di bins dell’istogramma, 𝐴 è l’area di un singolo pixel e 𝐷_𝑖 e 𝑛_𝑖 sono rispettivamente la dose in ingresso e il numero di pixel dell’i-esimo bin.

La ESD è stata ottenuta dividendo il valore di DAP misurato per l’area della regione di pelle irradiata del paziente. I risultati ottenuti sono riportati in tabella 3.

Tabella 3: valori di DAP e di ESD misurati su paziente mediante l’uso di pellicole Gafcrhomic XR-RV3.

DAP (Gy cm2_{) ESD (mGy)}

Paziente 1 277 370

Paziente 2 166 237

Paziente 3 162 399

3.1.6 Mappe di distribuzione della dose in ingresso su pazienti

L’alta risoluzione e la grande superficie di rivelazione delle pellicole XR-RV3 permettono di definire una mappa bidimensionale della distribuzione di dose in ingresso al paziente. Utilizzando il software ImageJ e i dati della curva di calibrazione, le immagini acquisite in termini di PV sono state convertite in termini di dose in ingresso. Le mappe generate sono mostrate nelle figure 15-17.

43

Figura 15: mappa della dose in ingresso al paziente 1. A sinistra è riportata la distribuzione bidimensionale mentre a destra una visualizzazione 3D.

Figura 16: mappa della dose in ingresso al paziente 2. A sinistra è riportata la distribuzione bidimensionale mentre a destra una visualizzazione 3D.

Figura 17: mappa della dose in ingresso al paziente 3. A sinistra è riportata la distribuzione bidimensionale mentre a destra una visualizzazione 3D.

44

3.2 Misure indirette

Le misure indirette di dose al paziente riguardano la stima della dose agli organi e della dose efficace. Queste grandezze sono state calcolate utilizzando il software di simulazione PCXMC. I parametri di esposizione da fornire come input al software sono estratti dai RDSR o ricavati come descritto nel capitolo precedente.

3.2.1 Stima della dose agli organi e della dose efficace su

paziente

Lo studio retrospettivo di valutazione della dose agli organi e della dose efficace ha coinvolto 41 pazienti con età compresa tra i 59 ed i 97 anni. Le simulazioni sono state effettuate con il software di simulazione PCXMC.

Il valore medio di dose efficace stimato è pari a 40,4 ± 3,2 mSv con un range che va da un minimo di 13,3 mSv ad un massimo di 119,9 mSv. La distribuzione dei dati ottenuti è riportata in figura 18.

45

Figura 18: distribuzione della dose efficace per i 41 pazienti sottoposti a procedura TAVI. Sono in evidenza il valore medio della distribuzione di dose efficace e i valori di dose efficace stimati per i 3 pazienti studiati con pellicole

Gafchromic XR-RV3.

I risultati relativi alla stima della dose agli organi sono presentati in figura 19.

46

Figura 19: dose agli organi per i 41 pazienti sottoposti a procedura TAVI. Sono rappresentati il valore minimo, il valore medio e il valore massimo di dose assorbita dai diversi organi.

3.2.1.1 Determinazione del rischio di sviluppare neoplasie radioindotte

Il rischio di sviluppare una neoplasia a seguito dell’esposizione a radiazioni ionizzanti è stato stimato utilizzando il modello BEIR VII e il software PCXMC2.0Rotation.

In figura 20 è riportato il REID per la leucemia e per i diversi tipi di cancro stimati per i 41 pazienti sottoposti a procedura TAVI. Il REID medio è pari a 0,2% mentre il REID massimo è dello 0,4%.

47

Figura 20: rischio di decesso per diversi tipi di cancro radioindotti in pazienti sottoposti a procedura TAVI.

3.2.2 Confronto fra dati misurati e dati estratti dai RDSR

È possibile operare un confronto fra il valore di DAP misurato e il valore di DAP restituito dall’angiografo e registrato sui RDSR nel caso dei 3 pazienti di cui sono disponibili le misure dirette con le pellicole Gafchromic XR-RV3.

Durante l’irradiazione le pellicole sono state posizionate sotto la schiena del paziente. La superficie della pellicola (35 cm x 43 cm) permette di coprire l’intera regione toracica del paziente, regione in cui si svolge la maggior parte dell’intervento TAVI. Rimane tuttavia esclusa le regione femorale e di conseguenza non è possibile registrare sulla pellicola la dose che il paziente riceve a fine intervento durante l’arteriografia di controllo.

48

Sui RDSR vengono registrati tutti gli eventi di irradiazione della procedura TAVI. È tuttavia possibile distinguere tra i vari eventi ed isolare quelli relativi alla regione femorale.

Prima di procedere al confronto dei dati, quindi, sono stati esclusi dal calcolo gli eventi di irradiazione relativi alla regione femorale ed è stato così calcolato il DAP relativo all’irradiazione sulla regione toracica.

I dati ottenuti vengono presentati in tabella 4.

Tabella 4: valori di DAP relativi alla regione toracica durante procedura TAVI.

DAP misurato con pellicola Gafchromic

XR-RV3 (Gy cm2₎

DAP estratto dal RDSR (Gy cm2₎ Variazione percentuale Paziente 1 277 165 -40,0% Paziente 2 166 108 -34,9% Paziente 3 162 124 -23,4%

3.2.3 Confronto tra le grandezze dosimetriche per il

monitoraggio dell’esposizione del paziente

Come descritto nel capitolo 1, le grandezze utili al monitoraggio dell’esposizione del paziente in radiologia interventistica sono il tempo di fluoroscopia, il KERMA in aria incidente cumulativo al punto di riferimento interventistico, il prodotto dose-area e la dose massima alla pelle. In questo studio, la dose massima alla pelle è stata misurata utilizzando le pellicole Gafchromic XR-RV3 mentre gli altri dati sono stati estratti dai RDSR. I risultati sono presentati in tabella 5.

49

Tabella 5: confronto tra le grandezze dosimetriche generalmente utilizzate per il monitoraggio dell’esposizione del paziente in radiologia interventistica.

Tempo di fluoroscopia (min) KERMA in aria incidente cumulativo (Gy) Prodotto dose-area (Gy cm2₎ Dose massima alla pelle (Gy) Paziente 1 32,5 1,89 275 1,72 Paziente 2 49 2,21 322 1,22 Paziente 3 14 1,11 156 1,26

50

Capitolo 4

Discussione e conclusioni

Negli ultimi cinque anni il tema della radioprotezione del paziente ha fortemente attirato l’attenzione dei più autorevoli organismi nazionali ed internazionali che si occupano della protezione dalle radiazioni ionizzanti.

Nel 2011, la NCRP ha sottolineato l’importanza del monitoraggio della dose al paziente soprattutto per le procedure interventistiche che, comportando generalmente alte dosi, possono provocare gravi lesioni cutanee ai pazienti. Nel 2013 l’ICRP ha suggerito di registrare i parametri di esposizione per tutte le procedure interventistiche in cui vengano superati i 3 Gy di dose alla pelle.

La normativa italiana già nel 2000 ha disposto che le indagini ed i trattamenti con radiazioni ionizzanti venissero registrati singolarmente incaricando le regioni di effettuare una valutazione delle esposizioni a scopo medico con riguardo alla popolazione regionale e ai gruppi di riferimento della stessa.

Questo lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto “Valutazione della dose da esposizioni mediche alla popolazione della Regione Toscana” promosso dalla regione Toscana per ottemperare agli obblighi di legge previsti dall'articolo 12, comma 2, del decreto legislativo 26 maggio 2000, n. 187.

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Il progetto ha lo scopo di dare una stima della dose collettiva e della dose pro-capite da esposizioni mediche relative agli esami di radiodiagnostica e medicina nucleare alla popolazione toscana.

Da questa indagine è emerso che, tra tutte le esposizioni mediche, la radiologia interventistica comporta le più elevate esposizioni in termini di dose efficace con un valore medio di 10 mSv per esame. Attualmente, le procedure interventistiche contribuiscono per l’11% alla dose collettiva annua, a dispetto di un totale di frequenza annua pari a solo il 2%.

Tra tutte le procedure interventistiche valutate, la TAVI si colloca fra le procedure a più alta dose efficace con un valore medio per esame pari a circa 40 mSv. Questo lavoro di tesi, dunque, ha focalizzato l’attenzione su questa procedura.

Per valutare la dose al paziente sottoposto a procedura TAVI sono state effettuate sia misure dirette della dose massima alla pelle (PSD), della dose in ingresso alla pelle (ESD) e del DAP mediante l’uso di pellicole Gafcrhomic XR-RV3 sia valutazioni indirette di dose agli organi e di dose efficace utilizzando il software di simulazione PCXMC.

I principali vantaggi dell’utilizzo delle pellicole XR-RV3 negli studi dosimetrici sono rappresentati dall’alta risoluzione spaziale, l'ampia superficie di rilevazione, la facilità d'uso rispetto ad altri tipi di dosimetri. Tuttavia le fasi di calibrazione e di lettura delle pellicole richiedono molte ore di lavoro e influenzano l’esito della misure. Bisogna infatti scegliere con attenzione la qualità del fascio e la geometria di irraggiamento in fase di calibrazione mentre in fase di lettura è necessario scegliere accuratamente i parametri di scansione e definire la curva di risposta dello scanner. Un altro inconveniente delle pellicole è che la misura non avviene in tempo reale. Le pellicole vengono lette e analizzate almeno 24 ore dopo l'esposizione. Ciò implica che la dosimetria con pellicole non può essere intesa come un metodo per prevenire lesioni radioindotte della pelle al paziente. Tuttavia, i dati ottenuti dall’analisi delle pellicole possono essere utilizzati per pianificare un follow-up personalizzato alle esigenze del paziente e come strumento di formazione per i medici.