Physique/CAL 2012-20131 Rth de haute technicité 1- La RCMI S. Marcié Unité de Physique Centre Antoine-Lacassagne (CAL) Nice

Physique/CAL 2012-2013Physique/CAL 2012-2013 11

Rth de haute technicitéRth de haute technicité1- La RCMI1- La RCMI

S. MarciéS. MarciéUnité de PhysiqueUnité de Physique

Centre Antoine-Lacassagne (CAL)Centre Antoine-Lacassagne (CAL)Nice Nice

Physique/CAL 2012-2013

2

HistoriqueHistorique

• Pourquoi cette Pourquoi cette technique ?technique ?

• Pourquoi Pourquoi maintenant ?maintenant ?– Multilames Multilames

(depuis 10 ans),(depuis 10 ans),– Pilotage des Pilotage des

accélérateurs,accélérateurs,– Puissance des Puissance des

systèmes de systèmes de calculcalcul


3

X6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4cm

%

5X5


4

x2 x2

x2 x2


7

MéthodeMéthodess

• Statique dite « step and shoot »Statique dite « step and shoot »

• Dynamique dite « sliding windows » Dynamique dite « sliding windows » ou dynamiqueou dynamique

• Arcthérapie moduléeArcthérapie modulée


8

MatérielsMatériels

• Accélérateur avec collimateur Accélérateur avec collimateur multilames,multilames,

• Système de calcul avec logiciel Système de calcul avec logiciel inverse,inverse,

• Moyens de contrôle de qualitéMoyens de contrôle de qualité


9


10


11

Le collimateur multilamesdu Primus


12

Several MLCSeveral MLC

Elekta Siemens VarianChamp max. (cm²)

Nbre de lamesEpaisseurLargeur

Overtravel

Distance source-MLC

Caractéristiques deslames

interdigitation

Vue de face(tongue and groove)

40x402x40

7.5 cm1 cm

12.5 cm

52.9 cm

rondes

non

40x402x29

7.5 cm1 et 6.5cm

10 cm

35.8 cm

focalisées

non

40x402x(40 ou 60)

6 cm1 et/ou 0,5 cm

16 cm

57.1 cm

rondes

oui


13

Several MLCSeveral MLC

MLC

Y backup

jaw X

ELEKTAELEKTA replacement

Of the upper jaw

SIEMENSSIEMENS replacement

of the inferior jaw- Arc movement-

VARIANVARIAN additionnal collimator

MLC

jaw Y

MLC

jaw Y

jaw X

C.Mubata, SFPH Tours 99)


14


15

parotide D/cas 4

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% Dose

% Vol traitement

5fx

7fx

9fx


16

Tumeur/cas 4

0

20

40

60

80

100

40 60 80 100 120

% Dose

% Vol

traitement

5fx

7fx

9fx


17


18


19

X6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4cm

%

5X5


20


21


22


Les collimateurs Les collimateurs multilamesmultilames

Contrôles de qualitéContrôles de qualité


24

MLC and IMRT: "overtravel" MLC and IMRT: "overtravel"

12

34

axis

Inte

nsity

leve

ls

Profiles (Step-Shoot) 4 segments and 3 levels

Leaves displacementrightleft


25

MLC and IMRT: "overtravel" MLC and IMRT: "overtravel"

• Complex profiles => "overtravel" about Complex profiles => "overtravel" about 1/2 width of the max field1/2 width of the max field

Dynamic mode


26

MLC and IMRT: leaves widthMLC and IMRT: leaves width

Study of the homogeneity and the % dose in OAR in IMRT (Shepard et al., Med.phys 26 1212-1221)

e => better homogeneity in the target, dose reduction in OAR


27

MLC and IMRT: leakage / MLC and IMRT: leakage / transmissiontransmission

• In Step and Shoot, segments number:In Step and Shoot, segments number:

• In SS, MU number x 3 / 3DCRT => leakage In SS, MU number x 3 / 3DCRT => leakage and transmission x 3and transmission x 3

=> Transmission /leakage MLC < 2% => Transmission /leakage MLC < 2% (IEC 601-2-(IEC 601-2-1, 1998)1, 1998)

If transmission MLC of 1%:Ttotale = 9 seg x10 MU x1%

= 0.9 UM = 1,8% total dose

12 346 78 9

UM

1020304050

5


28

MLC and IMRT: leakage / MLC and IMRT: leakage / transmissiontransmission

• In SW, during irradiation, In SW, during irradiation, each field point has more each field point has more time under the MLC : time under the MLC : about 4 to 6% of the total about 4 to 6% of the total dose totale isdose totale is due to the due to the transmissiontransmission

=> better modelisation by the TPS=> better modelisation by the TPS


29

MLC and IMRT: geometry (1)MLC and IMRT: geometry (1)

• The segmentation algorithm suppose the The segmentation algorithm suppose the independance of adjacent leaves => the independance of adjacent leaves => the MLC must MLC must atat minimum be focusedminimum be focused in the in the direction of adjacent leavesdirection of adjacent leaves

• Idealy, the MLCIdealy, the MLC is also is also focused in the focused in the direction of opposite leavesdirection of opposite leaves

MLC doublefocused


30

MLC and IMRT: geometry MLC and IMRT: geometry (2)(2)

• non focused leaves non focused leaves andand rounds rounds (cste penombra)(cste penombra) : :

- Variation of the - Variation of the transmission along the transmission along the leaf leaf (=> offset of 1 mm)(=> offset of 1 mm)

- Correspondance - Correspondance light/irradied field ?light/irradied field ?

=> corrections => corrections (files/offset)(files/offset)

LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998

Offset de 1mm


31

Effet « tongue and groove » ou Effet « tongue and groove » ou tenon-mortaisetenon-mortaise


32

MLC and IMRT: geometry MLC and IMRT: geometry (3)(3)

50%

tonguegroove

1st segment 2nd segment

Under-dosage

• Shape "tongue-and-Shape "tongue-and-groove" of adjacent groove" of adjacent leaves leaves ( to ( to limite leakageslimite leakages) ) gives an under-dosage gives an under-dosage at the junctionat the junction

=> the segmentation => the segmentation can avoid this effectcan avoid this effect


33

MLC and IMRT: accuracy of MLC and IMRT: accuracy of leavesleaves

• Static mode:Static mode:– Superposition of segments => lines of Superposition of segments => lines of

junction on the edges of segmentsjunction on the edges of segments– Accuracy of the positioning => affects Accuracy of the positioning => affects

the dose distribution on the field edgesthe dose distribution on the field edges

– Variation of "Output Factor" OF for Variation of "Output Factor" OF for small fields => influence on the dose/ small fields => influence on the dose/ small segmentsmall segment


34

MLC : accuracy of leaves (SS)MLC : accuracy of leaves (SS)

Total Scatter Factor Sc,p 15 MV photons

inplane jaws = 5cm

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

0 1 2 3 4 5

MLC size [ cm ]

[ % ]

on axis

MLC mechanical accuracy needed if a dose accuracy of +- 5% is required

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2

MLC size[ cm ]

[ +-m

m a

t iso

cent

er ]

+5% on axis'

-5% on axis'

B. Rhein, DKFZ, Heidelberg

=> Step-and-shoot: MLC accuracy < 2 mm (field > 1cm)


35

X6

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1 2 3 4 5cm

%0 mm-1 mm+ 1 mm

Multileaf collimatorMultileaf collimator


36

MLC and IMRT: accuracy of MLC and IMRT: accuracy of leavesleaves

• Dynamic mode:Dynamic mode:– Positioning errors of leaves => errors on Positioning errors of leaves => errors on

the dose over the fieldthe dose over the field

gap

Prescribed positionReal position

Real dose different From prescribed dose


37

MLC and IMRT: leaves positionMLC and IMRT: leaves position

=> dynamic: accuracy MLC < 0.2 mm


gap

Tolerance on the leaf position


38

• "classics" tests in 3DCRT:"classics" tests in 3DCRT:– Perpendicularity of leavesPerpendicularity of leaves– Rotation axis of MLC, of gantry Rotation axis of MLC, of gantry – PenumbraPenumbra– Gravity effectGravity effect– ......

MLC: quality MLC: quality controlcontrol


39

1.5

2

2.5

3

3.5

0 1 2 3 4 5

% transmission (normalisé au centre champ 10x10 cm²)

Distance à l'axe (cm)

1.5

1.0

0.5

2.0

Leakage and Leakage and transmissiontransmission

10 cmOn Primus

• Ratio dose under the MLC closed, dose for a 10x10 cm² field at the reference depth (film, chamber)

- tolerance: 2%- Once a year


40-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 500

100

200

300

400

500

600

700

800

900

in plane (mm)

Do

se for 1200 U

MProfile axis

Influence on dose profile of misalignment of some leaf

Ideal profile

Measured profile


413 x 40 cm²3 x 40 cm²

Dose

Distance (mm)Distance (mm)

100%

50%

• Example of Example of DKFZ, DKFZ, SiemensSiemens

- tolerance +/- 1mm in SS- tolerance +/- 1mm in SS

- once a month- once a month

On Primus

Leaves calibration (SS)Leaves calibration (SS)


42

Real/prescribed position Real/prescribed position (SS)(SS)

• Superposition of 2 Superposition of 2 x1/2 fields x1/2 fields (junction (junction lineline))

- tolerance +/- 1mm in SS- tolerance +/- 1mm in SS

- twice a week- twice a week

Prescribed position

On Primus


43

• 5 fields of 0,4 x 40 cm² at 5 fields of 0,4 x 40 cm² at different axis distancesdifferent axis distances

• - The leaves must be aligned- The leaves must be aligned

- The 5 lines must have the same - The 5 lines must have the same widthwidth

- Twice a week- Twice a week

0.4 x 40 cm²

On Primus

Accuracy of leaves position Accuracy of leaves position (SS)(SS)


44

- 0.5 mm

+ 0.5 mm

- 0.2 mm

+ 0.2 mm

Volontaries errors


• "Continous stripe test":"Continous stripe test":

To verify the leaves position, To verify the leaves position, the speed, the the speed, the acceleration /decelerationacceleration /deceleration

- -

- if v=cste => uniform dose- if v=cste => uniform dose

- twice a week- twice a week

Quality control of the MLC Quality control of the MLC (SW)(SW)

position

UM1 mm

Lame gauche

Lame droite


45LoSasso et al., Med. Phys. (23) 1996

• Speed stabilitySpeed stability

The adjacent leaves move at The adjacent leaves move at different speeds but cste => different speeds but cste => bands of different but uniform bands of different but uniform intensitiesintensities

- uniform dose profiles if speed is - uniform dose profiles if speed is stablestable

Quality control of MLC Quality control of MLC (SW)(SW)

position

MU Left leaf

Right leaf

N°1

N°2

N°3

N°3

N°2

N°1


46

• Sliding window:Sliding window:

To verify the gravity effect + To verify the gravity effect + position + speed + position + speed + accelerationacceleration

• For 4 angles of the gantry, a For 4 angles of the gantry, a field of 0,5 x 25 cm² move field of 0,5 x 25 cm² move uniformlyuniformly

- the dose and the dose profiles must - the dose and the dose profiles must be uniform for the 4 positions be uniform for the 4 positions

Quality control of MLC Quality control of MLC (SW)(SW)


Stop of leaves can be previous (effect of the acceleration and deceleration)

Acceleration effect


Autres pointsAutres points


48

y = 0,1933x - 0,0024R2 = 1

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 20 40 60 80 100

MU

nC

X6

Linear (X6)

0,191

0,192

0,193

0,194

0,195

0 20 40 60 80 100MU

nC/MU

Small number of MUSmall number of MU

- Small number of - Small number of MU : flatness, MU : flatness, symetry, dose = symetry, dose = f(MU)f(MU)

On Primus


49

Dosimetry of Small Monitor Unit Dosimetry of Small Monitor Unit Segments Segments

in IMRT Deliveryin IMRT Delivery

• Deviation from Mean Dose for 30 Fraction Segment for 1 MU.

1 MU Delivery - Inter-segment Dose Variation

-10-8-6-4-202468

101 4 7

10 13 16 19 22 25 28Segment Number

% D

evia

tion

-10

-5

0

5

10

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Segment Number

% D

evia

tion

2 MU Delivery - Inter-segment Dose Variation

• Deviation from Mean Dose for 20 Fraction Segment for 2 MU.

•Deviation approaches < 0.5% for higher (>5) MU

Courtesy by Fox Chase Cancer Center, Philadelphia


50

Verification of homogeneity and Verification of homogeneity and symmetry of LOW MUsymmetry of LOW MU

In-plane scans - Primus

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

Distance off axis (cm)

% N

orm

aliz

ed d

ose

1 MU

2 MU

3 MU

5 MU

• Beam Flatness (PRIMUS):• 1.48-1.78% (in-plane)

• 1.45-1.7% (cross-plane)

• Symmetry:• 0.24-1.26% (in-plane)

• 0.53-1.08% (cross-plane)

Results for 1-10 MU

Courtesy by Fox Chase Cancer Center, Philadelphia


51

0.990.950.949.5

0.950.920.924.5

0.950.890.920

0.960.840.90-5.5

0.910.860.92-10.5

Mean width (cm),

Gantry 270°

Mean width (cm),

Gantry 90°

Mean witdh (cm),

Gantry 0°

Axis distance

(cm)

Experience du CAL : positions des lames pour différentes positions du bras


52

Others problemsOthers problems

Rawlinson et alii Medical Physics 29, 2002

Activation

Dark current radiation in step and shoot

This effect has been studied for a This effect has been studied for a Primus.Primus.The IPFN to PFN ratio will be The IPFN to PFN ratio will be > 0.8.> 0.8.

Cheng et alii Medical Physics 29, Cheng et alii Medical Physics 29, 20022002


La RCMI : la planification La RCMI : la planification inverseinverse


54


55

Planification inversePlanification inverse

• Définir des objectifs.Définir des objectifs.

• Obtenir la forme des faisceaux et Obtenir la forme des faisceaux et leur poids.leur poids.

• Eventuellement les angles des Eventuellement les angles des faisceaux.faisceaux.


56

3 Parties3 Parties

•Optimisation.Optimisation.

•Segmentation.Segmentation.

•Calcul de la dose.Calcul de la dose.


57

ContraintesContraintes• Sur le ou les volumes cibles.Sur le ou les volumes cibles.• Sur les organes à risques.Sur les organes à risques.• Poids de chacune des contraintes.Poids de chacune des contraintes.• Exemples : dose minimale pour un Exemples : dose minimale pour un

VC, dose de prescription sur 95 % du VC, dose de prescription sur 95 % du volume, dose maximale.volume, dose maximale.

• Exemples : dose moyenne sur 50 % Exemples : dose moyenne sur 50 % du volume, dose maximale sur X % du volume, dose maximale sur X % du volume.du volume.


58

Exemple ORLExemple ORL• 2 ou 3 PTV 54, 60, 66 à 70;2 ou 3 PTV 54, 60, 66 à 70;• 2 ou 3 CTV 54, 60, 66 à 70;2 ou 3 CTV 54, 60, 66 à 70;• Les 2 parotides;Les 2 parotides;• La moelle et moelle +5;La moelle et moelle +5;• Tronc cérébral et TC +5;Tronc cérébral et TC +5;• Larynx;Larynx;• Cavité buccale;Cavité buccale;• Maxillaire;Maxillaire;• peau.;peau.;• Zones pour limiter doses hors de tous les Zones pour limiter doses hors de tous les

volumes ci-dessus.volumes ci-dessus.


59

DonnéesDonnées•Angles des faisceaux.Angles des faisceaux.

•Nombre de segments (statique).Nombre de segments (statique).

•Taille du segment le plus petit Taille du segment le plus petit (statique).(statique).

•Nombre d’unités moniteur Nombre d’unités moniteur minimum.minimum.

•Plusieurs ouvertures (statique).Plusieurs ouvertures (statique).


60

ExempleExemple2 2 2

3 2 2

3 2 2


61


62

Fonction objectifFonction objectif

• Respecter toutes les contraintes.Respecter toutes les contraintes.

• Sinon s’en approcher mais donner Sinon s’en approcher mais donner priorité à quoi ?.priorité à quoi ?.

• Problème des volumes superposésProblème des volumes superposés

• Problème des volumes près de la Problème des volumes près de la surface.surface.


63


64


65

SegmentationSegmentation•Transformer une fluence (fonction Transformer une fluence (fonction

continue) en positions des lames continue) en positions des lames (fonction discontinue)(fonction discontinue)

•Avec respect des contraintes de Avec respect des contraintes de l’accélérateur l’accélérateur

•Et de celles saisies par l’opérateurEt de celles saisies par l’opérateur•Si résultat pas satisfaisant, Si résultat pas satisfaisant,

recommencer.recommencer.


66

SegmentationSegmentation


67

Double ouvertureDouble ouverture


68

Ouvertures isoléesOuvertures isolées


69

Segment asymétrique et Segment asymétrique et étroitétroit


70

Calcul de doseCalcul de dose

• Au final, calcul de la doseAu final, calcul de la dose

• Avec algorithmes différentsAvec algorithmes différents

• Avec matrice de maille plus fineAvec matrice de maille plus fine


71

Phase d’irradiation des RCMIPhase d’irradiation des RCMI

• Tous les segments s’enchaînent,Tous les segments s’enchaînent,

• Suivant les logiciels et les machines, Suivant les logiciels et les machines, la rotation du bras peut aussi la rotation du bras peut aussi s’enchaîner.s’enchaîner.

• Il y a donc juste à surveiller le patient Il y a donc juste à surveiller le patient et qu’il n’y ait pas d’obstacle sur la et qu’il n’y ait pas d’obstacle sur la trajectoire du bras.trajectoire du bras.


72

EvolutionsEvolutions

• Optimisation de la position du brasOptimisation de la position du bras

• Optimisation directe des lamesOptimisation directe des lames

• Arcthérapie moduléeArcthérapie modulée


73

Applications principalesApplications principales

• L’ORLL’ORL• La prostate (autorisée s’il y a La prostate (autorisée s’il y a

possibilité de faire un contrôle possibilité de faire un contrôle quotidien de la position de la prostate quotidien de la position de la prostate soit une imagerie portale tous les soit une imagerie portale tous les jours)jours)

• Le pelvisLe pelvis• En cas de récidivesEn cas de récidives• Le sein, localisations cérébrales,….Le sein, localisations cérébrales,….


74


75


76


77


78


79


80 8080Physique/CAL 2012-2013Physique/CAL 2012-2013

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