de sementes

ESTUDO DOSIMÉTRICO DE BRAQUITERAPIA DA PRÓSTATA
UTILIZANDO TÉCNICAS DE MONTE-CARLO, MEDIDAS
EXPERIMENTAIS, E COMPARAÇÃO COM UM PROCEDIMENTO
DE PLANO DE TRATAMENTO
Pedro Teles1, Sílvia Barros1, Simone Cardoso2, Alessandro Facure3, Luiz da
Rosa4, Maíra Santos4, Pedro Paulo Pereira Jr.5, Isabel Gonçalves1, Pedro Vaz1,
Maria Zankl6
1 IST/ITN, Estrada Nacional 10, 2686-953 Sacavém, Portugal
Universidade Federal do Rio de Janeiro, Av. Pedro Calmon, 550, Rio de Janeiro,21941-901, Brazil
3 Comissão Nacional de Energia Nuclear, Rua Gal Severiano, 90, Rio de Janeiro, 22290-901, Brazil
4 Instituto de Radioproteção e Dosimetria, Av. Salvador Allende, Rio de Janeiro, 22780-160, Brazil
5 Dosimétrika, Avenida Olegário Maciel, 231, Rio de Janeiro, 22621-200, Brazil
6 Helmholtz Zentrum München, Ingolstädter Landstraße 1, 85764 Neuherberg, Germany
2
IRPA – Brasil,
18 de Abril de 2013
Rio de Janeiro, Brasil
Resumo da apresentação
Introdução
Braquiterapia da próstata
Parâmetros que influenciam a dose absorvida na próstata em
braquiterapia.
Medições com um fantôma ‘fisico’
Implementação no programa de Monte-Carlo (MCNPX/MCNP)
Simulações
Resultados com o fantoma Golem
Comparação com um plano de tratamento real
Braquiterapia da próstata
Implantação de pequenas sementes (~5x0,10mm na
próstata em torno do tumor contendo, p. ex.:
241Am, 125I, 103Pd
Implantes permanentes:
sementes de 125I – Amersham Health 6711
Image taken from
21stcenturyoncology.com
Cápsulas de titânio
O Iodo encontra-se adsorvido à superfície de um radiomarcador de
ouro ou prata que se encontra dentro das cápsulas de titânio
Baixas energias: energia máxima de 35.5 keV
Motivação
Existem vários parâmetros num tratamento de braquiterapia de próstata que
influenciam o valor da dose absorvida total assim como localmente.
A variação do volume da próstata devido ao edema causado pela inserção das fontes
O efeito inter-sementes
A migração das sementes ao longo do tratamento
Os padrões de sementes utilizados
Em planos de tratamento de braquiterapia de próstata, tipicamente, alguns destes
parâmetros não são contabilizados adequadamente.
As simulações de Monte Carlo (MC) providenciam uma ferramenta eficaz, ‘segura’ e
capaz de fazer estimativas apropriadas de doses absorvidas em tratamentos de
braquiterapia de próstata
Este trabalho teve como objectivo realizar um estudo dosimétrico das incertezas
associadas aos parâmetros referidos acima, em planos de tratamento, utilizando
métodos de Monte Carlo, medidas experimentais e um fantôma de voxel de referência.
Não foi dado destaque a aspectos ‘clínicos’ , nomeadamente a nível do tipo de
tratamento adequado para um determinado tumor, o âmbito deste trabalho foi
sobretudo na componente dosimétrica,
Braquiterapia da próstata
Número típico de sementes
Tipicamente utilizam-se 60 a 120 sementes, dependendo do
tamanho da próstata
Padrão de distribuição das sementes – o espaçamento
típico entre as sementes é de ~0,5 cm
Inserção uniforme
Inserção periférica
Distribuída uniformemente em vários planos, ao longo do eixo vertical
da próstata.
Diferentes camadas dispostas de forma circular em redor do tumor.
Dosimetria das sementes:
AAPM TG 43 define o formalismo da dosimetria de
sementes de braquiterapia
Braquiterapia da próstata
Alguns parâmetros que influenciam a variação de dose na próstata:
→
O efeito inter-sementes
Difícil de estudar do ponto de vista de primeiros princípios. Inclui atenuação intersementes, auto-absorção, dispersão inter-sementes, entre outros.
→
O volume da próstata.
Devido ao edema provocado na próstata aquando da inserção das sementes, o
volume da próstata pode aumentar de 40 a 50%. O aumento de volume provoca
uma diminuição da dose absorvida total
→
Simplificação das sementes a sementes puntiformes (recorrente em softwares de
planos de tratamento)
Em planos de tratamento, é recorrente simplificar as sementes a fontes puntiformes.
Esta simplificação leva a quantificações erróneas da dose absorvida total. .
Quantificação destes efeitos??? Métodos de MC
Metodologia do trabalho
Medições com um fantôma físico desenvolvido
no IRD (Brasil)
Validação do método de MC utilizando o código
MCNP/X (IRD, UFRJ, CTN)
Utilização do fantôma voxel GOLEM (CTN,
HZM)
Estudo dos diversos parâmetros
Comparação com um plano de tratamento num
hospital do Rio de Janeiro (Dosimetrika, IRD,
CTN)
Medidas experimentais (IRD, UFRJ)
As medidas serviram para validar o modelo computacional
Fantôma de próstata geométrico
Placas quadradas de RW3: 0,5 cm espessura e 7 cm de lado. 14 destas placas
emplilhadas formam um fantôma cúbico.
As placas contêm orifícios circulares distando uns dos outros de 0,5 cm, a distância
típica utilizada em planos de braquiterapia
Nestes orifícios foram colocados dosímetros termoluminescentes (Harshaw TLD100) e sementes para medir doses absorvidas em torno destas.
RW3 square slab
14 slabs piled up
Simulações MC (CTN, IRD, HZM)
Códigos utilizados
MCNP5
MCNPX 2.7
Valores por defeito para o transporte de p, e.
Bibliotecas para secções eficazes: ENDF/B-VI
O fantôma de voxel GOLEM
Fantôma ‘tipo’ de uso comercial com as mesmas dimensões do
reference phantom ICRP
Segmentado em 121 órgãos ou tecidos
Resolução de 0,208 cm × 0,208 cm × 0,8 cm
Número de histórias: 6x107 (erros estatísticos inferiores a 1σ)
Simulações MC (CTN, IRD, HZM)
PROCESSO DE VALIDAÇÃO DA TÉCNICA
Determinação da dose nas posições das medidas experimentais
Simulação do mesmo setup experimental utilizando MC
Simulação do mesmo setup dentro da próstata do fantôma GOLEM
Comparação dos resultados
Experimental setup
MCNP5 simulated
experimental setup
GOLEM’s prostate
Validação_______
VALORES
EXPERIMENTAIS
SIMULAÇÕES
(fantôma cúbico)
SIMULAÇÕES
(GOLEM)
RAZÃO
EXP/
simulação
fantôma
GOLEM
Posição
Dose
(Gy)
incerteza
(%)
Dose
(Gy)
incerteza
(%)
Dose
(Gy)
incerteza
(%)
EXP/Simul
ação
fantôma
cúbico
1
1.186
3.32%
1.299
3.83%
1.274
2.08%
0.91
0.93
3
1.165
4.66%
1.325
3.81%
1.266
2.09%
0.88
0.92
6
1.207
3.66%
1.191
4.01%
1.281
2.08%
1.01
0.94
8
1.245
4.94%
1.242
3.94%
1.263
2.09%
1.00
0.98
Simulações com o GOLEM___
Variação da dose com:
Edema da próstata:
Simulações variando o volume da próstata
Descrição geométrica da fonte
Simulações utilizando fontes puntiformes vs fontes
detalhadamente descritas
Efeito inter-semente
Análise qualitativa do campo de doses absorvidas com o
aumento da distância entre as sementes
Distribuição/Padrão das sementes
Inserção uniforme vs. inserção periférica
Variação do volume da próstata
Inventamos um tratamento ‘hipotético’
65 sementes implantadas na próstata do GOLEM num padrão
homogéneo
O volume da próstata foi efectuado variando o volume de cada um
dos voxels do GOLEM
Negativo : todas as dimensões do fantoma variam de igual forma
Positivo: O cálculo de dose efectua-se apenas na próstata e
tecidos circundantes, sendo que o efeito acima é negligenciável
A distância entre as sementes não foi modificada
Volumes estudados: 30.02 cm3, 35.00 cm3, 40.00 cm3, 45.00 cm3 and
52.10 cm3
Utilizamos uma descrição detalhada da semente (vs fontes
puntiformes)
Variação do volume da próstata
Volume (cm3)
Dose absorvida/semente(Gy/seed)
Dose absorvida total(Gy)
30.02
35.00
40.00
45.00
52.10
1.93
1.79
1.65
1.53
1.39
125.58
116.21
107.54
99.70
90.30
– A dose absorvida total na próstata diminiu com o aumento do seu volume.
– O inchaço da próstata é temporário. Consideramos para efeitos de cálculo de dose uma
simplificação: que o volume inicial é de 30,02, este passa para 52,10 durante duas
semanas, passando para o volume normal após esse período
•
Assumindo que 30.02 cm3 é o volume inicial e 52.10 cm3 o volume após inchaço e que 125,58 é
a dose ‘prescrita’ no nosso tratamento hipotético (i.e. não considerando o inchaço)
•
O inchaço da próstata ( que dura ~ 2 semanas) leva a uma dose absorvida de 120,28 Gy, ~4%
inferior ao valor ‘prescrito’
Distribuição das sementes______
Mais um tratamento ‘hipotético’
65 sementes dentro da próstata do GOLEM em:
Padrão uniforme
Padrão periférico
Volumes estudados: 52,10 cm3, 45,00 cm3, 40,00 cm3, 35,00 cm3 e
30,02 cm3
Descrição detalhada das sementes
Distribuição das sementes______
Distribuição das sementes na próstata do GOLEM
GOLEM’s prostate: axial view
GOLEM’s prostate: coronal view
Periférico loading
Uniforme
Distribuição das sementes e
variação do volume da próstata
Volume (cm3)
Padrão
30,02
uniforme
periférico
uniforme
periférico
uniforme
periférico
uniforme
periférico
uniforme
periférico
35,00
40,00
45,00
52,10
Dose absorvida
/semente(Gy/seed)
1.93
1.92
1.79
1.77
1.65
1.64
1.53
1.53
1.39
1.35
Dose absorvida
total(Gy)
125.58
124.62
116.21
114.96
107.54
106.73
99.70
99.57
90.30
89.33
– Utilizando o ‘arranjo’ uniforme das sementes, a próstata recebe uma
dose absorvida total ligeiramente superior (~1%) ao que receberia
utilizando um arranjo ‘periférico’
– Para ambos os ‘arranjos’ o aumento do volume da próstata leva a
uma diminuição drástica da dose absorvida total.
Distribuição/Padrão das sementes
Distribuição da dose absorvida na próstata do GOLEM
Uniform loading
Dose
distribution in
uniform loading
. dose is highest
in the center of
the prostate;
. decreases
towards the
organ boundary.
Peripheral
loading
Dose
distribution in
peripheral
loading
. very high doses
around the
seeds;
. considerably
lower doses in
the rest of the
organ.
Espaçamento entre sementes__
Simulação de apenas uma ‘camada’ de sementes
14 sementes implantadas no GOLEM (ao longo do eixo vertical)
14 é o número de sementes na camada de um arranjo
uniforme de sementes.
14 permitem estudar o efeito do espaçamento entre as
sementes a 2D.
Inserção uniforme
Volume da próstata: 52,10 cm3
Espaçamentos utilizados: 0,25 cm, 0,50 cm and 0,70 cm
Descrição detalhada das sementes
Espaçamento entre sementes__
Variação do espaçamento entre as sementes na
próstata do GOLEM
GOLEM’s prostate: axial view
GOLEM’s prostate: coronal view
Da esquerda para a direita: espaçamento de 0,25 cm, 0,50 cm, 0,70 cm
Espaçamento entre sementes, efeitos
Espaçamento(cm)
Dose absorvida por semente
(Gy/semente)
Dose absorvida total(Gy)
0.25
0.50
0.70
1.555
1.551
1.463
21.768
21.716
20.482
– O espaçamento entre sementes na próstata claramente influencia a
dose absorvida na próstata (uma variação de espaçamento de 0,25
cm a 0,70 cm provoca um decréscimo da dose de 5.93%)
– Do ponto de vista de um tratamento real, devido ao inchaço da
próstata após implante, o espaçamento entre as sementes aumenta,
provocando um decréscimo ainda maior da dose do que aquele
esperado pelo simples aumento do volume
Efeito inter-sementes
O efeito inter-sementes é um efeito complexo e difícil de
contabilizar. Nesse sentido, tentamos encontrar um método
qualitativo de observar este efeito – variar o número de sementes
mantendo exactamente os mesmos parâmetros:
Fizemos uma comparação entre números de sementes diferentes
14 ou 65 sementes
Inserção uniforme das sementes
Volume da próstata : 52.10 cm3
Descrição da semente: detalhado
Efeito inter-sementes
Efeito da utilização de um número inferior de sementes
Número de
sementes
Dose absorvida por
semente(Gy/seed)
14
1.93
65
1.39
– O aumento de sementes em 51 reduz a dose absorvida por
semente em ~30%
– Isto é uma clara demonstração do efeito inter-sementes, apesar de
ser um resultado meramente qualitativo.
Simulação de um plano de tratamento real
O tratamento deixa de ser hipotético (simulamos o
tratamento realizado num paciente num Hospital do Rio)
84 sementes
Inserção Uniforme
Para estudar o efeito do inchaço utilizamos os seguintes volumes:
57.02 cm3 (que corresponde a um inchaço de 50%), 38.01 cm3 (que é
o volume da próstata do paciente) – NB:o plano de tratamento não
leva em consideração o inchaço da próstata.
Descrição das sementes
Puntiformes (como assumido no plano de tratamento)
Descrição detalhada da semente
plano de tratamento real
Dose prescrita: 144 Gy
Posição das sementes
– Eixo vertical: (0 to 11)
– Eixo horizontal: (A to L)
– A cada posição na matriz (x,y) o
número de sementes
implantadas ao longo de z
aparece
– A distância entre as sementes
em cada uma das três
dimensões é de 0,5 cm
Simulação plano de tratamento real
Posição das sementes exatamente igual ao utilizado
no plano de tratamento
GOLEM’s prostate: axial view
GOLEM’s prostate: coronal view
– Nos cálculos de dose o efeito do inchaço de duas semanas foi considerado
– Volume original: 38.01cm3
– Volume após inchaço: 57.02 cm3
(considerando que o inchaço se dá de forma imediata assim como o ‘desinhaço’)
Simulação plano de tratamento real
Volume (cm3)
Descrição
Gy/seed
Gy total
38.01
Detailed seeds
Point sources
Detailed seeds
Point sources
1.32
1.48
1.07
1.21
110.96
124.33
89.77
101.75
57.02
Comparação
10.75 %
11.78 %
– A dose total na próstata utilizando sementes puntiformes é 10.75% - 12.57% superior do
que considerando uma descrição detalhada das fontes.
– Considerando o inchaço os resultados são 14% inferiores do que não considerando o
inchaço
– A dose total absorvida considerando o inchaço, e sementes puntiformens é de 120.94 Gy,
i.e., 16% ao valor prescrito utilizando o software de plano de tratamento (144 Gy)
– A dose total absorvida considerando o inchaço, e sementes puntiformens é de 107.77 Gy,
i.e., 25% ao valor prescrito utilizando o software de plano de tratamento (144 Gy)
Conclusões
•
Resultados finais:
–
Quantificação dosimétrica da variação do volume: variação do volume de 30,02 a 52,10 cm3 leva a
uma redução na dose absrovida total de 28%
– Quantificação dosimétrica da distribuição das sementes: a diferença na
utilização de um arranjo periférico ou uniforme leva a variações de em torno
de 1% na dose absorvida total
– Quantificação dosimétrica do espaçamento entre sementes: a dose total
absorvida na próstata é 6% inferior quando o espaçamento a 2D entre as
sementes varia de 0.45 cm
– Comparação com um plano de tratamento real:
• Assumindo as mesmas condições/parâmetros– desvio de ~14% entre a
dose ‘prescrita’ computacionalmente e a dose prescrita pelo software
• Assumindo um inchaço de duas semanas e uma descrição detalhada das
fontes– a dose absorvida total é 25% inferior à dose prescrita pelo
software
Nota Bene: A variabilidade anatómica deve ser considerada como um factor
determinante e que não foi aqui abordado, pois utilizamos um fantoma genérico
GOLEM, com dimensões ‘médias’. O ideal seria a utilização de um fantôma de voxel
do próprio paciente plano de tratamento utilizando técnicas de Monte-Carlo???
Obrigado!