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
Physique/CAL 2012-2013
3
X6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4cm
%
5X5
Physique/CAL 2012-2013
4
x2 x2
x2 x2
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
9
Physique/CAL 2012-2013
10
Physique/CAL 2012-2013
11
Le collimateur multilamesdu Primus
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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)
Physique/CAL 2012-2013
14
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
16
Tumeur/cas 4
0
20
40
60
80
100
40 60 80 100 120
% Dose
% Vol
traitement
5fx
7fx
9fx
Physique/CAL 2012-2013
17
Physique/CAL 2012-2013
18
Physique/CAL 2012-2013
19
X6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4cm
%
5X5
Physique/CAL 2012-2013
20
Physique/CAL 2012-2013
21
Physique/CAL 2012-2013
22
Physique/CAL 2012-2013Physique/CAL 2012-2013 2323
Les collimateurs Les collimateurs multilamesmultilames
Contrôles de qualitéContrôles de qualité
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
31
Effet « tongue and groove » ou Effet « tongue and groove » ou tenon-mortaisetenon-mortaise
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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)
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
37
MLC and IMRT: leaves positionMLC and IMRT: leaves position
=> dynamic: accuracy MLC < 0.2 mm
LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998
gap
Tolerance on the leaf position
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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)
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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)
Physique/CAL 2012-2013
44
- 0.5 mm
+ 0.5 mm
- 0.2 mm
+ 0.2 mm
Volontaries errors
LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998
• "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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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)
LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998
Stop of leaves can be previous (effect of the acceleration and deceleration)
Acceleration effect
Physique/CAL 2012-2013Physique/CAL 2012-2013 4747
Autres pointsAutres points
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013Physique/CAL 2012-2013 5353
La RCMI : la planification La RCMI : la planification inverseinverse
Physique/CAL 2012-2013
54
Physique/CAL 2012-2013
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.
Physique/CAL 2012-2013
56
3 Parties3 Parties
•Optimisation.Optimisation.
•Segmentation.Segmentation.
•Calcul de la dose.Calcul de la dose.
Physique/CAL 2012-2013
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.
Physique/CAL 2012-2013
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.
Physique/CAL 2012-2013
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).
Physique/CAL 2012-2013
60
ExempleExemple2 2 2
3 2 2
3 2 2
Physique/CAL 2012-2013
61
Physique/CAL 2012-2013
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.
Physique/CAL 2012-2013
63
Physique/CAL 2012-2013
64
Physique/CAL 2012-2013
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.
Physique/CAL 2012-2013
66
SegmentationSegmentation
Physique/CAL 2012-2013
67
Double ouvertureDouble ouverture
Physique/CAL 2012-2013
68
Ouvertures isoléesOuvertures isolées
Physique/CAL 2012-2013
69
Segment asymétrique et Segment asymétrique et étroitétroit
Physique/CAL 2012-2013
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
Physique/CAL 2012-2013
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.
Physique/CAL 2012-2013
72
EvolutionsEvolutions
• Optimisation de la position du brasOptimisation de la position du bras
• Optimisation directe des lamesOptimisation directe des lames
• Arcthérapie moduléeArcthérapie modulée
Physique/CAL 2012-2013
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,….
Physique/CAL 2012-2013
74
Physique/CAL 2012-2013
75
Physique/CAL 2012-2013
76
Physique/CAL 2012-2013
77
Physique/CAL 2012-2013
78
Physique/CAL 2012-2013
79
Physique/CAL 2012-2013
80 8080Physique/CAL 2012-2013Physique/CAL 2012-2013
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