Demonstração de um dispositivo de imagiologia por raios ortogonais para apoio à radioterapia externa de fotões

Abstract

A radioterapia é hoje em dia, depois da cirurgia, a modalidade mais utilizada no tratamento oncológico. As técnicas mais modernas de radioterapia oferecem tratamentos de conformacionalidade cada vez mais elevada, representando assim um potencial benefício clínico incalculável para o doente. No entanto, este aumento da conformacionalidade requer que se evitem deslocamentos mínimos no posicionamento do doente e que se conheça com grande precisão a sua morfologia interna a quando do tratamento por forma a evitar uma sub-exposição do tumor à dose planeada ou uma sobre-exposição de órgãos em risco existentes na proximidade do tumor. A radioterapia guiada por imagem (IGRT) tem como objetivo proporcionar ao médico radioncologista informação pertinente relativa à anatomia do doente aquando do tratamento, por forma a prevenir tais alterações na dose depositada em relação ao planeado. O conceito OrthoCT (acrónimo do inglês orthogonal computed tomography), o qual se apoia na imagiologia por raios ortogonais, consiste numa técnica de imagiologia de baixa dose em investigação para auxiliar nos tratamentos de radioterapia por feixe externo. A OrthoCT é baseada na deteção da radiação dispersa no doente e emitida perpendicularmente à direção do feixe incidente. Essa radiação pode ser coletada posicionando-se um sistema de deteção 1D baseado num colimador multi-fatias paralelo ao eixo do feixe coletando. Esta técnica pode ser potencialmente útil para a obtenção de imagens do tipo on-board (i.e., na imagiologia do doente quando este se encontra já deitado e imobilizado prestes a receber um tratamento de radioterapia) ou para monitorização de tratamentos em tempo real. Neste trabalho são apresentados resultados de simulação Monte Carlo obtidos com a ferramenta de simulação GEANT4 e um fantoma antropomórfico, de modo a analisar a potencial utilização da imagiologia por raios ortogonais para auxiliar na irradiação do pulmão, cabeça e próstata. No caso do estudo do pulmão e da cabeça foi analisada a capacidade do sistema em detetar variações no posicionamento e/ou tamanho do tumor ou em alterações morfológicas do doente eventualmente induzidas pela radiação. Em ambos os casos, as imagens obtidas com um sistema completo (incluindo o colimador multi-fatia, os cristais de cintilação e a leitura dos sinais em modo de integração de corrente) mostram uma elevada correlação visual, quer com as distribuições de dose simuladas, quer com as estruturas do fantoma e as diferentes anatomias/morfologias implementadas. No que respeita ao estudo da irradiação da próstata, devido à falta de contraste na região abdominal (presença de tecidos moles), foi criado um modelo de incorporação de um agente de contraste iodado por forma a auxiliar à obtenção de imagens pela técnica de imagiologia por raios ortogonais. No entanto, os resultados obtidos com as quantidades de agente de contraste injetadas na realização de uma tomografia computorizada (CT) convencional permitiram concluir a inviabilidade da utilização de tais agentes na técnica OrthoCT, devido à falta de contraste entre tecido tumoral e tecido saudável. Tal situação pode ser contornada pela utilização de marcadores fiduciais. Estes marcadores consistem em pequenos objetos metálicos (habitualmente de ouro) e são utilizados no auxílio da irradiação da próstata com o intuito de tornar o posicionamento do doente o mais exato possível. Os resultados da simulação mostram uma boa correlação visual entre as imagens OrthoCT obtidas e as estruturas do fantoma e o posicionamento dos marcadores fiduciais. De facto, apesar da baixa dose utilizada (de alguns mGy) foi possível detetar desvios simulados de 3 mm. Outra tarefa realizada no âmbito desta investigação consistiu no desenvolvimento e construção de um pequeno detetor protótipo. Este baseia-se em cintiladores de ortosilicato de gadolínio (GSO) acoplados a tubos fotomultiplicadores (PMT), com o colimador composto por fatias de chumbo. Foram realizadas medidas de prova de conceito com um fantoma heterogéneo de acrílico com uma cavidade de ar num linac operado a 6 MV e na modalidade sem filtro aplanador. Os resultados obtidos dão conta da capacidade da técnica em obter imagens da morfologia do fantoma sem a necessidade de rotação do linac, comprovando-se assim a exequibilidade de um sistema deste género.

After surgery, radiotherapy is today one of the main treatment modalities prescribed for cancer. The most recently developed techniques allow for more conformal treatments, which can be of great importance for the patient well being as well as for the therapeutic outcome. However, this increase in terms of dose conformality requires an even more precise positioning of the patient and an excellent knowledge of its anatomy at the moment of the irradiation so that an under dosage of the tumor or an overdosage of the surrounding healthy tissues can be avoided. One of the main goals of image-guided radiation therapy (IGRT) is to provide morphological images of the patient just prior to the treatment, to prevent possible deviations from the original treatment plan. The OrthoCT (acronym for orthogonal computed tomography) concept, based on orthogonal ray imaging, is a new low-dose imaging technique under investigation to potentially assist external-beam radiation therapy treatments. It consists in detecting radiation scattered in the patient and emitted at approximately 90 degrees in respect to the direction of the incoming beam. Such radiation can be collected by a 1D-detector system with a multi-sliced collimator positioned parallel to the incident beam axis. This system can be potentially useful for on-board imaging with the patient positioned and ready for the treatment, or for real-time treatment monitoring. Monte Carlo simulation studies with the GEANT4 toolkit and an anthropomorphic phantom were developed to analyze the benefits of using the OrthoCT system to monitor lung, head and prostate irradiation, which results are presented in this study. Regarding the lung and head studies, the capability of the system to detect possible deviations or changes in the tumor and/or patient internal anatomy was evaluated. In both cases, the obtained images with a full system (including the multi-sliced collimator, the scintillation crystals and the charge electronic readout) show a good visual agreement with the simulated dose distributions, as well as the phantom structures and the different anatomies/morphologies implemented. Due to the low-contrast in the pelvic region, a new model based on the administration of an iodinated-contrast agent was created to the prostate simulation study here presented. The results show that the standard amount of iodinated-contrast agent administered in computed tomography (CT) imaging is not enough to allow the visualization of the tumor or the normal prostate tissue in the OrthoCT images. Nevertheless, the implantation of gold fiducial markers inside of the gland can surpass this limitation, being this method one of the main IGRT techniques applied in prostate irradiations to guarantee the accuracy of the treatment. The results show a good visual agreement of the OrthoCT images with the phantom structures and the position of the fiducial markers. In fact, despite the low dose of only a few mGy, it was possible to detect simulated deviations of 3 mm. In addition to the simulation studies, in this research work, a small prototype was developed and constructed. This prototype is based on gadolinium orthosilicate (GSO) crystals coupled to photomultipliers (PMT) and a collimator made of lead slices. The experimental measurements were performed with a heterogeneous phantom of acrylic with an air cavity inside, using a linac operated at 6 MV in the flattening-filter-free modality. The results allow to conclude that this new imaging technique is capable to provide morphological images of the phantom without the need to rotate the X-ray source around the object to be irradiated, showing the feasibility of such system.