Rth de haute technicité 1- La RCMI S. Marcié Unité de Physique Centre Antoine-Lacassagne (CAL) Nice Physique/CAL 2012-2013

Historique Pourquoi cette technique ? Pourquoi maintenant ? Multilames (depuis 10 ans), Pilotage des accélérateurs, Puissance des systèmes de calcul Physique/CAL 2012-2013

Physique/CAL 2012-2013

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x2 x2 x2 x2

Méthodes Statique dite « step and shoot » Dynamique dite « sliding windows » ou dynamique Arcthérapie modulée Physique/CAL 2012-2013

Matériels Accélérateur avec collimateur multilames, Système de calcul avec logiciel inverse, Moyens de contrôle de qualité Physique/CAL 2012-2013

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Le collimateur multilames du Primus Physique/CAL 2012-2013

Several MLC Physique/CAL 2012-2013

additionnal collimator Several MLC MLC jaw Y jaw Y jaw X Y backup MLC MLC jaw X ELEKTA replacement Of the upper jaw SIEMENS replacement of the inferior jaw - Arc movement- VARIAN additionnal collimator Physique/CAL 2012-2013 C.Mubata, SFPH Tours 99)

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Les collimateurs multilames Contrôles de qualité Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: "overtravel" Profiles (Step-Shoot) 4 segments and 3 levels axis Intensity levels 4 Leaves displacement right left 3 2 1 Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: "overtravel" Complex profiles => "overtravel" about 1/2 width of the max field Dynamic mode Physique/CAL 2012-2013

MLC 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

MLC and IMRT: leakage / transmission In Step and Shoot, segments number: In SS, MU number x 3 / 3DCRT => leakage and transmission x 3 => Transmission /leakage MLC < 2% (IEC 601-2-1, 1998) UM If transmission MLC of 1%: Ttotale = 9 seg x10 MU x1% = 0.9 UM = 1,8% total dose 50 8 9 40 6 7 30 4 5 20 2 3 10 1 Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: leakage / transmission In SW, during irradiation, each field point has more time under the MLC : about 4 to 6% of the total dose totale is due to the transmission => better modelisation by the TPS Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: geometry (1) The segmentation algorithm suppose the independance of adjacent leaves => the MLC must at minimum be focused in the direction of adjacent leaves Idealy, the MLC is also focused in the direction of opposite leaves MLC double focused Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: geometry (2) non focused leaves and rounds (cste penombra) : - Variation of the transmission along the leaf (=> offset of 1 mm) - Correspondance light/irradied field ? => corrections (files/offset) Offset de 1mm Physique/CAL 2012-2013 LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998

Effet « tongue and groove » ou tenon-mortaise Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: geometry (3) Shape "tongue-and-groove" of adjacent leaves ( to limite leakages) gives an under- dosage at the junction => the segmentation can avoid this effect 1st segment 2nd segment tongue groove Under-dosage 50% Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: accuracy of leaves Static mode: Superposition of segments => lines of junction on the edges of segments Accuracy of the positioning => affects the dose distribution on the field edges Variation of "Output Factor" OF for small fields => influence on the dose/ small segment Physique/CAL 2012-2013

MLC : accuracy of leaves (SS) => Step-and-shoot: MLC accuracy < 2 mm (field > 1cm) Physique/CAL 2012-2013 B. Rhein, DKFZ, Heidelberg

Multileaf collimator Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: accuracy of leaves Dynamic mode: Positioning errors of leaves => errors on the dose over the field Prescribed position Real position Real dose different From prescribed dose gap Physique/CAL 2012-2013

MLC and IMRT: leaves position Tolerance on the leaf position gap => dynamic: accuracy MLC < 0.2 mm Physique/CAL 2012-2013 LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998

MLC: quality control "classics" tests in 3DCRT: Perpendicularity of leaves Rotation axis of MLC, of gantry Penumbra Gravity effect ... Physique/CAL 2012-2013

Leakage and transmission Ratio dose under the MLC closed, dose for a 10x10 cm² field at the reference depth (film, chamber) 1.5 1.0 0.5 2.0 10 cm On Primus - tolerance: 2% - Once a year Physique/CAL 2012-2013

Influence on dose profile of misalignment of some leaf Dose for 1200 UM Profile axis Influence on dose profile of misalignment of some leaf -50 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 50 100 200 300 400 500 600 700 800 900 in plane (mm) Ideal profile Measured profile Physique/CAL 2012-2013

Leaves calibration (SS) Example of DKFZ, Siemens - tolerance +/- 1mm in SS - once a month On Primus Dose 100% 50% Distance (mm) Physique/CAL 2012-2013 3 x 40 cm²

Real/prescribed position (SS) Superposition of 2 x1/2 fields (junction line) - tolerance +/- 1mm in SS - twice a week On Primus Prescribed position Physique/CAL 2012-2013

Accuracy of leaves position (SS) 5 fields of 0,4 x 40 cm² at different axis distances - The leaves must be aligned - The 5 lines must have the same width - Twice a week On Primus Physique/CAL 2012-2013 0.4 x 40 cm²

Quality control of the MLC (SW) Volontaries errors "Continous stripe test": To verify the leaves position, the speed, the acceleration /deceleration - - if v=cste => uniform dose - twice a week  - 0.5 mm  - 0.2 mm Lame gauche UM 1 mm Lame droite  + 0.2 mm  + 0.5 mm position Physique/CAL 2012-2013 LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998

Quality control of MLC (SW) Speed stability The adjacent leaves move at different speeds but cste => bands of different but uniform intensities - uniform dose profiles if speed is stable MU Left leaf N°3 Right leaf N°1 N°2 N°2 N°1 N°3 position Physique/CAL 2012-2013 LoSasso et al., Med. Phys. (23) 1996

Quality control of MLC (SW) Sliding window: To verify the gravity effect + position + speed + acceleration For 4 angles of the gantry, a field of 0,5 x 25 cm² move uniformly - the dose and the dose profiles must be uniform for the 4 positions Acceleration effect Stop of leaves can be previous (effect of the acceleration and deceleration) Physique/CAL 2012-2013 LoSasso et al., Med. Phys. (25) 1998

Autres points Physique/CAL 2012-2013

Small number of MU - Small number of MU : flatness, symetry, dose = f(MU) On Primus Physique/CAL 2012-2013

Dosimetry of Small Monitor Unit Segments in IMRT Delivery CLICK HERE TO ADD NARRATION SCRIPT Deviation from Mean Dose for 30 Fraction Segment for 1 MU. Deviation from Mean Dose for 20 Fraction Segment for 2 MU. Deviation approaches < 0.5% for higher (>5) MU Physique/CAL 2012-2013 Courtesy by Fox Chase Cancer Center, Philadelphia 49

Verification of homogeneity and symmetry of LOW MU Results for 1-10 MU CLICK HERE TO ADD NARRATION SCRIPT 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) Physique/CAL 2012-2013 Courtesy by Fox Chase Cancer Center, Philadelphia 50

Experience du CAL : positions des lames pour différentes positions du bras 0.99 0.95 0.94 9.5 0.92 4.5 0.89 0.96 0.84 0.90 -5.5 0.91 0.86 -10.5 Mean width (cm), Gantry 270° Gantry 90° Mean witdh (cm), Gantry 0° Axis distance (cm) Physique/CAL 2012-2013

Others problems Activation Dark current radiation in step and shoot Rawlinson et alii Medical Physics 29, 2002 Dark current radiation in step and shoot This effect has been studied for a Primus. The IPFN to PFN ratio will be > 0.8. Cheng et alii Medical Physics 29, 2002 Physique/CAL 2012-2013

La RCMI : la planification inverse Physique/CAL 2012-2013

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Planification inverse Définir des objectifs. Obtenir la forme des faisceaux et leur poids. Eventuellement les angles des faisceaux. Physique/CAL 2012-2013

3 Parties Optimisation. Segmentation. Calcul de la dose. Physique/CAL 2012-2013

Contraintes Sur le ou les volumes cibles. Sur les organes à risques. Poids de chacune des contraintes. Exemples : dose minimale pour un VC, dose de prescription sur 95 % du volume, dose maximale. Exemples : dose moyenne sur 50 % du volume, dose maximale sur X % du volume. Physique/CAL 2012-2013

Exemple ORL 2 ou 3 PTV 54, 60, 66 à 70; 2 ou 3 CTV 54, 60, 66 à 70; Les 2 parotides; La moelle et moelle +5; Tronc cérébral et TC +5; Larynx; Cavité buccale; Maxillaire; peau.; Zones pour limiter doses hors de tous les volumes ci-dessus. Physique/CAL 2012-2013

Données Angles des faisceaux. Nombre de segments (statique). Taille du segment le plus petit (statique). Nombre d’unités moniteur minimum. Plusieurs ouvertures (statique). Physique/CAL 2012-2013

Exemple 2 3 Physique/CAL 2012-2013

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Fonction objectif Respecter toutes les contraintes. Sinon s’en approcher mais donner priorité à quoi ?. Problème des volumes superposés Problème des volumes près de la surface. Physique/CAL 2012-2013

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Segmentation Transformer une fluence (fonction continue) en positions des lames (fonction discontinue) Avec respect des contraintes de l’accélérateur Et de celles saisies par l’opérateur Si résultat pas satisfaisant, recommencer. Physique/CAL 2012-2013

Segmentation Physique/CAL 2012-2013

Double ouverture Physique/CAL 2012-2013

Ouvertures isolées Physique/CAL 2012-2013

Segment asymétrique et étroit Physique/CAL 2012-2013

Calcul de dose Au final, calcul de la dose Avec algorithmes différents Avec matrice de maille plus fine Physique/CAL 2012-2013

Phase d’irradiation des RCMI Tous les segments s’enchaînent, Suivant les logiciels et les machines, la rotation du bras peut aussi s’enchaîner. Il y a donc juste à surveiller le patient et qu’il n’y ait pas d’obstacle sur la trajectoire du bras. Physique/CAL 2012-2013

Evolutions Optimisation de la position du bras Optimisation directe des lames Arcthérapie modulée Physique/CAL 2012-2013

Applications principales L’ORL La prostate (autorisée s’il y a possibilité de faire un contrôle quotidien de la position de la prostate soit une imagerie portale tous les jours) Le pelvis En cas de récidives Le sein, localisations cérébrales,…. Physique/CAL 2012-2013

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