IMRT (INTENSITY MODULATED RADIATION THERAPY)

1. IMRT (INTENSITY MODULATED RADIATION THERAPY) By :NasimKholghi

2. مقدمه IMRT(INTENSITY MODULATED RADIATION THERAPY)نوعی درمان انطباقی است که شدت اشعه در هر نقطه از فیلد درمانی را ،با هدف به حداکثر رساندن اثر اشعه بربافت تومورال وبه حداقل رساندن این اثر بربافت سالم ،به طور مستقل تعیین می شود.در درمانهای انطباقی ،اشعه با فرم وبیولوژی هدفتطبیق داده می شود.

3. . درمانهای انطباقی به دودسته تقسیم می شوند:دسته اول: 3D-CRT که در آن تنها الگوی هندسی خارجی هدف مورد توجه است،به صورتی که شکل فیلد مطابق با شکل تومور است.دسته دوم :IMRT (CT معکوس) که علاوه بر شکل تومور ،شدت تابش اشعه نیز در هرنقطه فیلد براساس چگالی هدف تنظیم می شود

4. IMRT را CT معکوس نیز می نامند زیرا در CT اکسپوژر یکنواخت به بیمار دلیور شده وبا اندازه گیری تضعیف غیر یکنواخت و پروسس بیم خروجی، تصویر ایجاد می شود.ولی در IMRT ،اکسپوژر غیر یکنواخت به بیمار داده می شود تا توزیع دوز یکنواخت در هدف بوجود آید.

7. تاریخچه نخستین تلاشها در زمینه ی درمانهای انطباقی توسط Sterling وهمکارانش درسالهای 1965تا1973صورت گرفت. Reinstein و McShan اولین کسانی بودند که در سال 1978درمان انطباقی را به صورت کلینیکی بکار بردند. اولین MLC(MULTI LEAF COLIMATOR ) در سال 1965 توسط Dr.Shinji Takahashi وهمکارانش ساخته شد. در سال 1970 مرکز پزشکی هاروارد گام بزرگی درجهت توسعه CRT تحت کنترل کامپیوتر برداشت. وسرانجام باتولید کامپیوترهای سریع ومدرن با قابلیت انجام محاسبات پیچیده ،IMRT از مرز تحقیقات دانشگاهی گذشته و تجربه کار کلینیکی به فراتر از یک دهه رسیده است.

8. مواردی که IMRT بهترین راه حل ممکن است: هدف اطراف ارگان های حساس بپیچد(مثل تومورهای اطراف نخاع) ااگرهدف ازنظر هندسی از ارگان های حساس اطراف متمایز نباشد وهیچ ترکیبی ازبیمها باشدت یکنواخت قادر به جدا کردن هدف از ارگان های اطراف نباشد. اگر هدف محدب باشد.

9. اجرای تکنیک IMRT حداقل نیاز به دوسیستم دارد:1- یکی وسیله ای برای دلیور تعداد زیادی از بیمهای کوچک با شدت غیر یکنواخت.2- سیستم طراحی که نقشه این تعداد از بیمهای کوچک را فراهم کند.

10. تکنیک های دلیور IMRT در IMRT هر بیم به صورت تعداد زیادی بیم های کوچک (Beamlet)، که شدت هر کدام به طور جداگانه کنترل می شود، تقسیم می شود. کنترل شدت به دو روش انجام می شود: 1-مستقیما“ به وسیله شتاب دهنده variable(فیزیکی) 2- با استفاده از کولیماتور Binary(فضایی ،زمانی)

11. دسته هایی از سیستم های مدوله کننده شدت • Compensators • Wedge • Transmission block • Dynamic Jaws • Moving Bar • Multi leaf Collimators • Tomotherapy Collimators • Scanned elementary beams of variable inefficient

12. انواع مدولاتورهای فضایی :Multileaf Collimator as Intensity Modulator • Multi segmented Static Field Delivery • Sweeping Variable Gap whit Dynamic Delivery • Intensity-Modulated Arc Therapy

13. Multisegmented Static Field Delivery در این روش هرفیلد به مجموعه ای از فیلدهای کوچکتر با شدت یکنواخت تقسیم می شود .بعد از دلیور هرفیلد ،شتاب دهنده خاموش ولیف ها زیر فیلد بعد راشکل می دهند.در پایان دلیور تمام زیر فیلدها،نقشه شار تولیدی معادل تجمع نقشه های عبوری ناشی ازتمام زیرفیلدهاست .بعد ازدرمان کامل یک فیلد،گنتری درموقعیت فیلد بعدی قرار می گیرد.به این روش دلیور،Step(stop) and shoot ,Segmental MLC (SMLC) می گویند.

17. تعداد زیر فیلدهای هرفیلد بستگی به پیچیدگی طرح شدت دارد.این تعداد بیانگر تعداد گام های عبور می باشد.شاخص پیچیدگی پلن تعداد دفعات تغییر پروفایل فلوی نقشه شدت می باشد.در پلن هایی که جزایر دز پایین در نواحی دز بالا قرار دارد ،زیر فیلدهای لازم نسبت به پلنی با دز یکنواخت بیشتر است.همچنین افزایش تعداد گام شدت باعث افزایش تعداد زیرفیلدها می شود. مثلا اگردر پلنی ده گام شدت 10% تعریف شود،حداقل نیاز به 10 زیر فیلد است ،در حالی که اگر پنج گام 20% تعریف شود 5 فیلد کافی است.

18. اگرN تعداد زیر فیلدها باشد.(N!)2ترتیب هم ارزممکن برای اجرا وجود دارد.

22. Sweeping Variable Gap whit Dynamic Delivery در این روش پنجره تعریف شده به وسیله لیفها ،عرض حجم درمان را تحت کنترل کامپیوتر جاروب می کند تا سطح تعریف شده توسط لیفها فلوی لازم را دریافت کند وپروفایلهای فلوی دلخواه تشکیل شود.تغییر شدت در هر نقطه با تغییر اندازه دریچه ،زمان باز بودن دریچه وزمان سکون (dwell time) انجام می شود. بعد از درمان کامل یک فیلد یعنی بعد ازجاروب سطح فیلد توسط تمام جفت لیفهای تعریف کننده بیم،گنتری در موقعیت فیلد بعدی قرار می گیردو پروسه تکرار می شود . چون تمام لیفها همزمان عبور از عرض فیلد را به اتمام نمی رسانند،زمان لازم برای دلیور یک فیلد برابر زمانی است که آهسته ترین جفت لیف فیلد را می پیماید. این روش IMRTرا ،Sliding Window,Leaf –Chasing, Camera-Shutter نیز می نامند.

23. هرجفت لیف یک روزنه را تعریف می کند.یکی با نام لیف پیشتاز(Leading Leaf) که با سرعت V2(x) ودیگری با نام لیف دنباله (Trailing Leaf)که باسرعت V1(x) حرکت می کنند. با صرف نظر از پدیده های penumbra & scattering ، شدت I(x) تابعی از مکان است که توسط زمانهای Beam-On ،t1(x) وt2(x) داده می شود.

24. I(x) = t1(x)– t2(x) = - = - بهترین راه برای مینیموم کردن زمان درمان حرکت دادن هردو لیف با حد اکثر سرعت مجاز ، می باشد و مدوله کردن شدت با لیف کم سرعت ترانجام می شود.

25. IF : = IF : =

26. 1- اگر شیب پروفایل شدت مثبت باشد ، شار افزایش می یابد. Leading Leaf باید با سرعت ماکزیمم حرکت کند و Trailing Leaf مدولاسیون شدت مورد نیاز را فراهم می کند. 2- اگر شیب پروفایل شدت منفی باشد ، شار کاهش می یابد. Trailing Leaf باید با سرعت ماکزیمم حرکت کند وLeading Leaf مدولاسیون شدت مورد نیاز را فراهم می کند

29. Intensity-Modulated Arc Therapy در تکنیک IMAT از MLC به طور دینامیکی برای شکل دادن فیلد ها استفاده می شود در حالی که گنتری به دور کنتور بیمار در حال چرخش است. همانگونه که در آرک تراپی عمل می کرد. این تکنیک شبیه تکنیک Step(stop) and shoot است که در آن هر فیلد به زیر فیلدهایی با شدت یکنواخت تقسیم می شود هر آرکی در یک زاویه معین گنتری برای دلیور به یک زیر فیلد تنظیم شده است. تعداد MU طوری تنظیم می شود که در انتهای هر آرک ،تمام زیر فیلد شدت خاص دریافت کنند .در آرک بعدی زیر فیلدهایی با تراز شدت جدید درمان می شوند. این تکنیک به صورت فیلدهای متوالی استاتیک با فاصله 10-5 درجه پلن می شوند.

33. Tomotherapy توموتراپی یکی از تکنیکهای IMRT است که در آن بیمار Slice به Sliceبوسیله پرتوهای مدوله شده شدت به روشی مشابه با روش تصویر گیری CT صورت می گیرد. یک کولیماتور خاص طراحی شده است که همانطور که کنتری حول محور طولی بیمار می چرخد،IMB های مورد نیلز را تولید می کند

38. طراحی درمان با توسعه قابلیت های نرم افزاری وسخت افزاری ،اطلاعات گرافیکی وتصویری که در اختیار پلنر قرار می گرفت ،افزایش یافت.درIMRT وجود متد طراحی پروفایل های شدت بیم غیر یکنواخت ضرورت دارد.بنابراین نیاز به بهینه سازی کامپیوتری دارد. در طراحی درمان مستقیم ،ژئومتری بیم مشخص شده وبعد از بررسی کیفی به روش آزمون وخطا توسط پلنر یا آنکولوژیست ،باتغییر ژئومتری اولیه ،پلن بهینه حاصل می شود. پلن باید به صورتی باشد که کمترین دوز به نواحی حساس وماکزیمم دوز به برسد در حالی که هموژنیتی دوز هدف تأمین شود. در طراحی درمان معکوس تمرکز روی خروجی است (NTCO ,TCP) است. بدون اینکه ازچگونگی به دست آمدن خروجی مطلع باشیم. سپس سیستم بهینه ساز با استفاده از پروسه تحلیلی (Analytical) ویا تکرار(Iterative)،پارامترهای بیم ،که به طور عمده شدت یا وزن Beamlets است ،را برای رسیدن به خروجی دلخواه مشخص می کند.

40. پروسه طراحی معکوس شامل دوقسمت است:1- مشخص کردن وبهینه سازی معیار باتابع هدف2- جستجوی الگوریتم بهینه

41. تابع هدفObjective Function درطراحی درمان معکوس ، بیان ریاضی اهداف کلینیکی در قالب تابع هدف صورت می گیرد.مقدار این تابع معرف کیفیت طرح درمان است ،به همین علت به این تابع ،تابع Costیا Scoreنیز می گویند.هدف بهینه سازی بسته به نوع تابع هدف ، مینیمم یا ماکزیمم کردن این تابع می باشد. متدی که معمولابرای ایجاد توابع هدف با استفاده از معیارDose –Volume Based به کار می رود براساس مینیمم کردن واریانس دز بدست آمده نسبت به دز تجویز شده برای حجم های هدف و واریانس دز بدست آمده نسبت به دز توصیه شده مجاز برای ارگان های حساس می باشد.

42. Cost = Sum T ci + Sum N cjT ci = T wi˂(Di – D max)2/D2max˃N cj= Nwj˂Dj2 / D2lim˃ 0/5 Cn = [ ( )

43. بهینه سازی پروسه بهینه سازی توزیع شدت از طریق چندین فرمول والگورتیم ریاضی صورت می گیرد . انتخاب الگوریتم بستگی به: تابع هدف بکار رفته وسعت وتعداد پارامترهای بهینه شده قابلیت دسترسی مزیت هر متد تفاوت اصلی الگوریتمهای بهینه ساز مختلف ،در سرعت دست یابی به نتیجه نهایی وکیفیت می باشد

44. معروفترین الگوریتم ها Liner Programming Filtered Back Projection Gradient Techniques Simulated Annealing Genetic Algorithms Random Search Techniques

45. نکات مهم در محاسبات دز اندازه محدوده چشمه تابش خارج از کانون طیف بیم تغییرات شدت عبور ازMLC وآرواره های کولیماتور وجها وجبران کننده ها وجهای دینامیکی پراکندگی خارج از فیلد

46. محاسبه Muدر IMRT

47. Mechanical Testing of Dynamic Multi Leaf Collimator • Test 1 -Stability of Leaf Speed • Test 2- Dose Profile Across Adjacent Leave • Test3 - Leaf Acceleration and Deceleration • Test4 - Positional Accuracy of Leaves • Test5 - Routine Mechanical check