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UNIVERSITA DEGLI STUDI DI GENOVAFacoltà di
Scienze Matematiche, Fisiche e NaturaliAnno
Accademico 2001/2002
Brachiterapia interstiziale con I-125 misure
sperimentali e simulazione MonteCarlo
Candidata Susanna Guatelli
Relatori interni Prof. P. Corvisiero Dr. M. G.
Pia
Relatore esterno Dr. G. Ghiso
Correlatore Prof. S. Squarcia
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Brachiterapia
Fa uso di sorgenti radioattive per depositare
dosi terapeutiche vicino al tumore, preservando i
tessuti sani
Tecnica di radioterapia oncologica
Brachiterapia interstiziale prostata
I-125
Brachiterapia endocavitaria utero, vagina, polmoni
Brachiterapia superficiale pelle
Ir-192
Applicatore Leipzig
Ir-192
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Radioterapia
D dE / dm D Gray J / kg
Dose
Dato limpatto degli studi fisico-medici nella
pratica clinica, è importante definire procedure
per garantire uniformità nella pratica
sperimentale condotta da gruppi di ricerca
diversi
Protocolli
American Association of Physicists in Medicine
(AAPM) Scopo stabilire un protocollo di
dosimetria per lo studio delle sorgenti
brachiterapiche interstiziali
Protocollo Task Group 43

• Stabilisce procedure di calibrazione per ogni
  tipo di sorgente
• Stabilisce il formalismo per esprimere la dose
  rilasciata da una sorgente
• Fornisce i valori di riferimento per i parametri
  definiti

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Obiettivi del trattamento terapeutico

• Dose terapeutica 145 Gy
• Rilascio di dose uniforme alla prostata
• Preservare retto e uretra

Sistemi dosimetrici
Calcolo della dose rilasciata ai tessuti
interessati dal trattamento radioterapico
Sistemi commerciali in uso
Analisi critica

• es. Variseed V 7, Prowes
• I tessuti sono tutti approssimati ad acqua
• Metodi analitici di calcolo

• Vantaggio velocità di calcolo
• Svantaggio calcolo poco accurato
• e insensibile alle variazioni di densità

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Obiettivi della tesiRealizzazione di un sistema
dosimetrico per brachiterapia

simulazione
Calcolo della distribuzione 3-dimensionale di
dose nei tessuti Determinazione delle curve di
isodose
analisi
Basato su metodo Monte Carlo Interazioni fisiche
descritte in modo accurato Validazione
sperimentale della fisica coinvolta
Precisione
Accurata riproduzione della configurazione reale
Realistica descrizione di geometrie e
tessuti Possibilità di interfaccia alla TAC
Visualizzazione grafica Interfaccia
utente Elaborazione di distribuzioni di dose,
isodosi
Facilità di configurazione e di uso ospedaliero
Parallelizzazione Accesso a risorse di calcolo
distribuito
Velocità di calcolo
Estensibile a nuove funzionalità Accessibile
pubblicamente
Requisiti ulteriori
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Piano della tesi
Progettazione e sviluppo del sistema dosimetrico
Validazione del sistema dosimetrico

• funzionalità
• architettura
• metodi avanzati di software

• validazione microscopica della simulazione
• validazione dosimetrica
• misure sperimentali
• estensione ad un sistema generale di test

Applicazioni brachiterapiche

• calcolo delle distribuzioni di dose
• elaborazione delle curve di isodose

in diverse tecniche radioterapiche
Valutazione critica dei risultati e prospettive
future
Didattica
Trasferimento tecnologico
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Architettura e funzionalità del sistema
dosimetrico
run
spettro primario
fisica
deposito di energia
rivelatore
analisi
visualizzazione
geometria dosimetrica
geometria e materiali
evento
Interfaccia utente
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Metodi avanzati di software utilizzati nella tesi

• USDP
• Modello iterativo-incrementale
• Centrato sullarchitettura
• Pilotato dai casi duso
• Mappato su ISO 15504

Processo di software
Controllo di tutte le attività, i prodotti e le
fasi di sviluppo del sistema di software
Tecnologia Orientata agli Oggetti
Analisi e Design UML
Programmazione C e Python
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Collaborazione internazionale di oltre 100
scienziati

• Simulazione del passaggio di particelle nella
  materia
• fisica delle alte energie e nucleare
• fisica medica
• astrofisica e scienze dello spazio, ecc.

Funzionalità in ogni dominio
Uso di strumenti avanzati di Scienza del
Software e metodologia OO

• flessibilità
• apertura alle evoluzioni
• trasparenza

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AIDA
Analisi Dati
Istogrammi Ntuple Funzioni Vettori di
dati Fit Visualizzazione
Abstract Interfaces for Data Analysis
Interfacce astratte

Lizard
Architettura a componenti

• Strumento di analisi interattiva
• Tecnologia OO
• Basato su linguaggio Python

• Compatibile con AIDA
• Tecnologia OO
• Sviluppato in ambito LHC

Possibilità di usare e integrare
sistemi concreti diversi
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Processo di validazione della simulazione
MonteCarlo
Test di processi elettromagnetici di Geant4 per
elettroni
Validazione microscopica
Simulazione del CSDA range per e- in diversi
materiali Valutazione di diversi modelli fisici
(Standard/Low Energy) Confronto con dati di
riferimento (Report ICRU 37)
CSDA range
Altre validazioni microscopiche v. tesi M.
Tropeano, 2001
Validazione dosimetrica
Sk intensità del kerma in aria della sorgente ?
costante di gradiente di dose G(r,?) fattore
geometrico g(r) funzione radiale di dose F(r,?)
funzione di anisotropia
Confronto con i dati del protocollo vigente
Altre validazioni dosimetriche v. tesi M.
Tropeano, 2001
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Test CSDA range per e-
OO design e sviluppo di unapplicazione di
simulazione relativa analisi
Range distanza tra punto finale della traccia e
punto di origine di e-
Riproduzione della configurazione di ICRU 37
(solo perdita di energia, nessuna produzione di
secondari)
Ottimizzazione di parametri della simulazione

• soglia di produzione di particelle secondarie 1
  m
• no scattering multiplo
• no fluttuazioni di perdita di energia
• step fissato

Valutazione di processi fisici per e-, e, g

• selezione di package di Geant4

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Risultati dei test del range di elettroni
Materiali
di interesse fisico-medico
elementi, andamento con Z
Berillio Alluminio Oro Piombo Uranio
Acqua Tessuto molle Muscolo Osso
I packages Geant4 Low Energy / Standard simulano
i range con buona accuratezza ( )
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Estensione ad uno strumento generale di test

• Obiettivo sistema per test statistico
• necessario a sviluppatori di Geant4
• utile ad utenti di Geant4 (es. per test beam)
• interesse di LCG (computing comune di LHC)

test di regressione test di unità test di
sistema test di accettazione

• Sviluppato per le validazioni nellambito di
  questa tesi
• Concepito per studiare la fattibilità di un
  progetto più ambizioso
• approfondimento dei requisiti da soddisfare
• mitigazione dei rischi connessi alla scelta
  tecnologica di base

Prototipo
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Validazione dosimetrica
Bebig Isoseed I-125 al centro del fantoccio
Struttura della sorgente
Modello geometrico

In un punto casuale del radionuclide, con
direzione casuale Spettro energetico del
decadimento
Generazione dei fotoni primari
Soglia di produzione di secondari 100 mm
Processi elettromagnetici per e, e-, fotoni
E (keV) Prob.
27.4 0.784
31.4 0.17
35.5 0.046
Ottimizzazione fisica
Distinzione fra geometria di tracciamento e di
calcolo dosimetrico (voxels 1 mm3)
Ottimizzazione di uso di CPU
Istogramma 2D con lenergia depositata nel piano
contenente la sorgente
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Risultati della validazione dosimetrica
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Dati del protocollo
La distribuzione di dose è stata misurata in
plexiglass con dosimetri a termoluminescenza LiF
100

• ampio range di utilizzo
• risoluzione spaziale bassa ( 1 mm)
• delicata calibrazione

C. Tsao et al., Med. Phys. 5, 1990 K.A. Weaver et
al., Med. Phys. 16, 1989 R. Nath et al., Med.
Phys. 17, 1990
Confronto con simulazioni MonteCarlo in
plexiglass Morse Code, EGS4, MC ITS
g(r) è stata elaborata analiticamente dalle
misure sperimentali
misura indiretta
Misure critiche per la metodologia di uso dei
dosimetri a termoluminescenza
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Metodologia di misura
Ottimizzazione della precisione di misura secondo
la distanza dalla sorgente
d 3.1/- 0.2 mm
4 misure di una singola sorgente, di diversa
durata (2, 9 , 12, 30)
fantoccio di acqua
pellicola Kodak XOMAT V
La pellicola è stata sviluppata E stato tradotto
in numero il tono di grigio lungo la retta
(perpendicolare allasse maggiore del seme)
Scanner EPSON EXPRESSION software Osiris 3.5.3
Correlazione grigio-distanza

• Controllo della sviluppatrice
• Misure raccolte nello stesso giorno
• Sistema di misura calibrato

Controllo delle condizioni sperimentali
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La dose rilasciata è direttamente propozionale al
tempo di esposizione Il valore numerico
associato al tono di grigio è correlato al tempo
di esposizione
Metodologia di misura

relazione grigio - dose
Curva di calibrazione
La distribuzione di dose è ricavata applicando
la curva di calibrazione sui dati
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I risultati delle misure sperimentali
sono in disaccordo con i dati del protocollo
misure sperimentali
sono concordi con la simulazione MonteCarlo
protocollo
Conseguenze
Limpatto dei risultati di questa tesi
sullattività clinica è estremamente rilevante
Sono previsti pertanto ulteriori approfondimenti
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Generalizzazione del sistema dosimetrico
Funzionalità
Abstract Factory

• Distribuzione di dose in 3 dimensioni
• Curve di isodose
• Scelta dei materiali del fantoccio
• Visualizzazione grafica
• Interfacciabile con la TAC
• Configurazione della sorgente
• geometria, materiali, spettro

Software completamente in termini di classi
astratte Definizione delle sorgenti radioattive
mediante un design pattern creazionale Abstract
Factory
Generalità specificità delle sorgenti
Geometria mediante volumi parametrizzati Funzione
di parametrizzazione materiale
Interfaccia alla TAC
Simulazione produce il deposito di
energia Analisi produce le distribuzioni di doese
Dosimetria
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Risultati brachiterapia interstiziale
Sorgente Bebig Isoseed I-125
0.16 mGy 100
curve di isodose
I risultati possono essere generalizzati al caso
di più sorgenti
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Risultati brachiterapia endocavitaria
Sorgente MicroSelectron-HDR
Risultati brachiterapia superficiale
Applicatore Leipzig
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Parallelizzazione e calcolo distribuito
La velocità è un requisito fondamentale per il
software nella pratica clinica
La simulazione MonteCarlo di fatto non è mai
stata usata in ambito clinico per i tempi di
calcolo proibitivi
Parallelizzazione Accesso a risorse di computing
distribuito
Risultati preliminari fattore 30 di
velocità (conferenza Siena 2002)
Possibilità di eseguire la simulazione analisi
via web?
v. Tesi di A. Mantero
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Trasferimento tecnologico
Particle physics software aids space and
medicine
Geant4 is a
showcase example of technology transfer from
particle physics to other fields such as space
and medical science . CERN Courier, June 2002
Tesi
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Didattica
Geant4 è un toolkit di simulazione molto potente,
ma anche molto complesso
La collaborazione Geant4 ha sviluppato un
programma didattico di introduzione al toolkit
Lapplicazione di brachiterapia è alla base di un
percorso didattico per lapprendimento delle
componenti di una simulazione analisi dati
Scuola Nazionale di Geant4, Università di
Salamanca - luglio 2002 http//www.ge.infn.it/gean
t4/events/salamanca.html
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Conclusioni
Valido esempio di collaborazione
multidisciplinare fra ambienti diversi, il mondo
ospedaliero e il mondo della fisica delle alte
energie
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(No Transcript)
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Valutazione degli errori
Errore di definizione dei valori
Curva sensitometrica
Valutazione dellerrore del sistema di misura
Lerrore valutato precedentemente è stato
applicato alle curve utilizzate per dedurre la
funzione di calibrazione
Propagazione degli errori dalla funzione
fit della curva di calibrazione
Valutazione dellerrore della distribuzione di
dose