cardoso-2011 (1)

Maria Joo Dias Cardoso

Licenciatura

Estudo dosimtrico para implementao da tcnica

radioteraputica Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT)

Dissertao para obteno do Grau de Mestre em Engenharia Biomdica

Orientador: Nuno Teixeira, Professor Doutor, ESTeSL Co-orientador: Adelaide Jesus, Professora Doutora,

FCT/UNL

Jri:

Presidente: Prof. Doutor Orlando Teodoro

Arguente: Prof. Doutora Grisel Margarita Mora Paula Vogal(ais): Prof. Doutor Nuno Jos Coelho Gomes Teixeira

Prof. Doutora Maria Adelaide de Almeida Pedro de Jesus

Setembro 2011

I

Estudo Dosimtrico para implementao

da Tcnica Radioteraputica

Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT)

Copyright by Maria Joo Dias Cardoso, FCT/UNL

A Faculdade de Cincias e Tecnologia e a Universidade Nova de Lisboa tem o direito,

perpetuo e sem limites geogrficos, de arquivar e publicar esta dissertao atravs de

exemplares impressos reproduzidos em papel ou de forma digital, ou por qualquer outro

meio conhecido ou que venha a ser inventado, e de a divulgar atravs de repositrios

cientficos e de admitir a sua copia e distribuio com objectivos educacionais ou de

investigao, no comerciais, desde que seja dado crdito ao autor e editor.

III

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer Fundao Champalimaud e MedicalConsult S,A a

oportunidade que me foi concedida, desenvolvendo este trabalho. Obrigada pelo

privilgio. Obrigada ainda pela integrao na rea da Radioterapia e pelos conhecimentos

adquiridos no contacto com novas tcnicas e equipamentos.

Um agradecimento especial ao meu orientador, Professor Doutor Nuno Teixeira,

pela possibilidade de realizar este projecto. Obrigada pela disponibilidade, apoio e

conhecimento dispendidos ao longo desta etapa. Agradeo tambm minha co-

orientadora, Professora Doutora Adelaide Jesus pela sua orientao, apoio e ajuda.

Ao Doutor Paulo Ferreira pelo incentivo e ajuda. Pelas perguntas sempre

pertinentes. Pelos conhecimentos transmitidos. Obrigada.

equipa do servio de Radioterapia da Fundao Champalimaud gostaria de

agradecer a ajuda, motivao, apoio e conhecimentos transmitidos. Em especial Ana,

Dalila e ao Milton. Obrigada.

Aos meus pais. Obrigada por tudo.

Ao Pedro e Cristina pelo apoio, incentivo e pacincia. E Catarina. Obrigada.

minha sobrinha pelos momentos de brincadeira nas etapas mais desanimadoras.

Aos amigos com quem tive o privilgio de partilhar estes ltimos anos. Obrigada.

Um enorme Obrigado a todos!

V

RESUMO

Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) uma tcnica de radioterapia externa

em arco que conjuga simultaneamente a modulao da intensidade do feixe conseguida

com colimador multilminas (MLC) dinmico, com a variao da taxa de dose e da

velocidade de rotao da gantry. Neste trabalho realizou-se um estudo para implementar

esta tcnica em modo clnico.

Analisou-se a estabilidade do output do AL e constatou-se que posicionando a

gantry a 180 se obtinha a maior variao do outupt em relao ao output medido com a

gantry a 0. Variando as unidades de monitor (MU), o output teve uma variao mdia

inferior a 0,14% em relao ao output medido com 100MU. A variao da taxa de dose no

alterou o output mais que 0,11%, em relao ao output medido com 300MU/min. Obteve-

se 1,58% para a transmisso das lminas do MLC. Irradiaram-se semi-arcos (350-10)

variando a taxa de dose e a simetria e homogeneidade dos perfis de dose obtidos,

determinadas com base no protocolo Elekta, eram inferiores a 102% a 105%.

Os testes especficos para VMAT evidenciaram que dinamicamente as lminas,

gantry e diafragmas esto dentro das especificaes para VMAT. A anlise dos erros que

ocorreram nos testes e das respectivas tolerncias indicou que o seu desempenho

dinmico est dentro das especificaes para VMAT. A velocidade das lminas superior a

2cm/s.

Utilizando o ArcCHECK foi possvel verificar que o AL consegue reproduzir

planimetrias de VMAT tendo-se obtido resultados de anlise gama (3%,3mm) superiores a

90%, evidenciando a correspondncia entre o planeado no sistema de planimetria e o que

o AL reproduz efectivamente. O ArcCHECK mostrou-se mais funcional e prtico que o

Delta4. A MatrixX com o MultiCube, embora tenha por base uma comparao 2D, veio

complementar a anlise efectuada com o ArcCHECK, garantindo que o AL consegue

reproduzir planimetrias de VMAT.

Palavras Chave: Volumetric modulated arc therapy (VMAT), radioterapia, dosimetria,

ArcCHECK, Delta4, MatrixX

VII

ABSTRACT

Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) is an external radiotherapy technique in

arc that combines the modulation of beam intensity achieved with dynamic multileaf

collimator (MLC), with the variation of dose rate and gantry rotation speed.In this work it

was developed a study to implement this technique in clinical mode.

It was analyzed the stability of the LINAC output and was found that with the

gantry at 180 it's possible to obtain the largest outupt variation in relation to output

measured with the gantry at 0 . Changing the monitor units, the output had an average

variation less than 0.14%, compared to the output measured with 100MU. The variation of

the dose rate did not change the output more than 0.11%, compared to the output

measured with 300MU/min. To the MLC it was obtained a transmission of the leaves of

1.58%. Varying the dose rate during delivery of semi-arcs (350-10) the symmetry and

flatness of profiles were less than 102% and 105%, calculation based on Elekta protocol.

The VMAT specific tests showed that dynamically diaphragms, gantry and leaves

are within the specifications for VMAT. The error analysis of the diaphragm, gantry and

leaves dynamic performances and their tolerances, indicated that it is within specifications

for VMAT. The speed of the leaves is greater than 2 cm/s. Using ArcCHECK it was

verified that the LINAC can delivery VMAT plans. The gamma analysis (3%, 3 mm) had

results above 90%, showing the correspondence between the planned in TPS and what

effectively was delivery by LINAC. The ArcCHECK shown to be more functional and

practical than Delta4, in terms of daily needs required by this type of equipment. The

MatrixX with MultiCube, although based on a 2D comparison, complements the analysis

with ArcCHECK , ensuring that the AL can delivery VMAT plans.

Keywords: Volumetric modulated arc therapy (VMAT), radiotherapy, dosimetry,

ArcCHECK, Delta4, MatrixX

IX

NDICE

Agradecimentos ................................................................................................................................................... III

Resumo...................................................................................................................................................................... V

Abstract .................................................................................................................................................................. VII

ndice ....................................................................................................................................................................... IX

ndice de tabelas ................................................................................................................................................ XIII

ndice de Figuras ................................................................................................................................................ XV

Lista de Siglas e Abreviaturas ...................................................................................................................... XIX

Introduo ............................................................................................................................................................... 1

1. Captulo I ........................................................................................................................................................ 5

1. Evoluo tecnolgica: da descoberta dos raios-X aos aceleradores lineares .................... 5

1.1. Radioterapia convencional, IMRT, Arco dinmico, VMAT ..................................................... 6

1.2. Objectivo da radioterapia ................................................................................................................... 7

1.2.1. Planeamento em Radioterapia ..................................................................................................... 8

1.2.2. Volumes em radioterapia ............................................................................................................... 9

1.2.2.1. GTV, PTV, CTV, TV, IV e OR ....................................................................................................... 9

1.2.3. Sistemas de Planimetria Computorizados (TPS)................................................................ 10

1.2.3.1. Avaliao da planimetria ......................................................................................................... 11

1.2.3.2. Curvas de Isodose, Estatsticas de dose e HDV ............................................................... 12

2. Captulo II .................................................................................................................................................... 13

2. Aceleradores Lineares ............................................................................................................................ 13

2.1. Principais Componentes de um acelerador linear.................................................................. 13

2.2. Produo Feixe de electres ............................................................................................................ 14

2.3. Sistema de transporte do feixe ....................................................................................................... 15

2.4. Principais sistemas de colimao .................................................................................................. 15

2.4.1. Colimao geral ................................................................................................................................ 16

2.4.2. Colimao precisa MLC .............................................................................................................. 18

X

2.5. Parmetros de caracterizao dos feixes de radiao .......................................................... 19

2.5.1. Parmetros geomtricos SSD, SAD e Dimenso de Campo ......................................... 20

2.5.2. Distribuies da dose absorvida ............................................................................................... 20

2.5.2.1. PDD ................................................................................................................................................... 22

2.5.2.2. Perfil ................................................................................................................................................. 23

2.5.2.3. Homogeneidade e Simetria..................................................................................................... 24

3. Captulo III ................................................................................................................................................... 25

3. Sistemas Dosimtricos ........................................................................................................................... 25

3.1. Ionometria ............................................................................................................................................... 26

3.1.1. Condio Equilbrio Mdio de Partculas Carregadas ...................................................... 27

3.1.2. Cmaras de Ionizao .................................................................................................................... 27

3.1.2.1. Cmara de Ionizao Cilndrica ............................................................................................ 28

3.1.2.2. Cmara de Ionizao de Placas Paralelas ......................................................................... 28

3.2. Dosimetria Fotogrfica ...................................................................................................................... 29

3.3. Dodos ....................................................................................................................................................... 30

4. Captulo IV ................................................................................................................................................... 33

4. Materiais e Mtodos ................................................................................................................................ 33

4.1. Acelerador ............................................................................................................................................... 33

4.2. Equipamento Dosimtrico ................................................................................................................ 35

4.2.1. Cmaras de Ionizao e Electrmetro .................................................................................... 36

4.2.2. MatrixX................................................................................................................................................. 37

4.2.2. ArcCHECK ......................................................................................................................................... 37

4.2.3. Delta 4 .............................................................................................................................................. 38

4.3. Fantomas ................................................................................................................................................. 39

4.3.1. Fantoma de Placas gua slida .................................................................................................. 39

4.3.2. MultiCube........................................................................................................................................ 39

4.3.3. Cirs ......................................................................................................................................................... 40

4.4. Metodologia - Sequncia para a implementao da tcnica VMAT ................................. 40

4.5. Aquisio de dados do feixe, introduo dados do AL no TPS e validao ................... 42

XI

4.6. Testes de aceitao e validao prvios...................................................................................... 43

4.6.1. Homogeneidade e Simetria do Campo .................................................................................... 44

4.6.2. Estabilidade do Output do MLC ................................................................................................. 45

4.6.2.1. Estabilidade em funo da rotao da Gantry ................................................................ 46

4.6.2.2. Estabilidade em funo das Unidades Monitor .............................................................. 46

4.6.2.3. Estabilidade em funo da Taxa de Dose .......................................................................... 47

4.6.3. Determinao do factor de transmisso T do MLC ............................................................ 47

4.7. Testes especficos para o VMAT ..................................................................................................... 48

4.7.1. Verificao do desempenho dinmico do diafragma (jaw) ............................................ 48

4.7.2. Verificao do desempenho dinmico da Gantry ............................................................... 49

4.7.3. Verificao dinmica das lminas do MLC ............................................................................ 50

4.7.4. Medio velocidade das lminas ............................................................................................... 51

4.7.4.1. Banco lminas Y1 ........................................................................................................................ 51

4.7.4.2. Banco lminas Y2 ........................................................................................................................ 52

4.8. ArcCheck e Delta4 ........................................................................................................................ 52

4.8.1. Testes de avaliao dos equipamentos .................................................................................. 53

4.8.2. Calibrao e Background do ArcCheck ................................................................................... 54

4.8.2.1. Calibrao Relativa..................................................................................................................... 54

4.8.2.2. Calibrao Absoluta ................................................................................................................... 56

4.8.3. Calibrao do Delta4 ...................................................................................................................... 57

4.8.4. Planos de IMRT e VMAT nas patologias Prostata e Cabea e Pescoo para

avaliao no ArcCHECK e Delta4 .................................................................................................................. 59

4.8.5. Irradiao efectiva do Delta4 e do ArcCHECK com os planos calculados no AL ... 61

4.8.5.1. Anlise Gama ................................................................................................................................ 62

4.9. ArcCheck e MatrixX & Multicube ........................................................................................... 62

5. Captulo V .................................................................................................................................................... 65

5. Resultados e Discusso .......................................................................................................................... 65

5.7. Testes prvios necessrios ............................................................................................................... 65

5.7.1. Homogeneidade e Simetria do Campo .................................................................................... 65

XII

5.7.2. Estabilidade em funo da rotao da Gantry ..................................................................... 69

5.7.3. Estabilidade em funo das Unidades Monitor ................................................................... 70

5.7.4. Estabilidade em funo da Taxa de Dose ............................................................................... 72

5.7.5. Determinao do factor de transmisso T ............................................................................ 73

5.8. Testes especficos para VMAT ......................................................................................................... 74

5.8.1. Verificao do desempenho dinmico do diafragma ........................................................ 74

5.8.2. Verificao do desempenho dinmico da Gantry ............................................................... 75

5.8.3. Verificao dinmica das lminas do MLC ............................................................................ 75

5.8.4. Medio velocidade das lminas: Banco lminas Y1 e Y2 .............................................. 75

5.9. Calibrao do ArcCHECK e Delta 4 ................................................................................................ 76

5.10. Irradiao efectiva do ArcCHECK e Delta 4 no AL com as planimetrias calculadas

76

5.11. Irradiao efectiva do ArcCHECK e da MatrixX com MultiCube no AL com as

planimetrias calculadas .................................................................................................................................... 83

6. Captulo VI ................................................................................................................................................... 87

6. Concluses ................................................................................................................................................... 87

6.7. Perspectivas Futuras........................................................................................................................... 90

Bibliografia ............................................................................................................................................................ 93

Anexo ....................................................................................................................................................................... 97

XIII

NDICE DE TABELAS

Tabela 4.1: Equipamentos (modelos e n srie) para leitura do output do AL. ...................... 36

Tabela 4.2: Principais caractersticas das CI CC13 e FC65................................................................. 36

Tabela 4.3: Definies de Homogeneidade, Simetria e Penumbra pela Elekta. (Platform,

2010) ........................................................................................................................................................................ 44

Tabela 4.4: Clculo das UM para o teste da verificao do desempenho dinmico do

diafragma. (Elekta, 2010) ................................................................................................................................ 48

Tabela 4.5: Principais etapas da calibrao do ArcCHECK. ............................................................ 55

Tabela 4.6: Principais etapas da calibrao do Delta4. ................................................................... 58

Tabela 4.7: Condies das planimetrias elaboradas para testar sua a reprodutibilidade no

AL. .............................................................................................................................................................................. 60

Tabela 4.8: Planimetrias elaboradas na TAC do CIRS para avaliar no ArcCHECK. .............. 60

Tabela 4.9: Planimetrias elaboradas na para avaliar no ArcCHECK e na MatrixX Evolution

com MultiCube. ................................................................................................................................................ 63

Tabela 5.1: Simetria e Homogeneidade obtidas com a gantry a 0 e durante a irradiao de

pequenos arcos, variando a taxa de dose. ................................................................................................. 65

Tabela 5.2: Estabilidade do output em funo da rotao da gantry, para a energia de

10MV com um campo de 5cm x5cm. ........................................................................................................... 69

Tabela 5.3: Variao do outup com a rotao da gantry para as energias de 6, 10 e 15 MV e

para as dimenses de campo 5cmx5cm e 10cmx10cm. ..................................................................... 70

Tabela 5.4: Variao do output em funo da variao das UM, para a energia de 10MV

com um campo de 20cm x 20cm. ................................................................................................................. 71

Tabela 5.5: Variao mdia do output em funo das UM. ................................................................ 72

Tabela 5.6: Variao do output em funo da taxa de dose, para as energias de 6, 10 e 15

MV e para as dimenses de campo 5cmx5cm e 10cmx10cm. .......................................................... 73

Tabela 5.7: Determinao da Transmisso do MLC com o Output medido nas condies A e

B. ................................................................................................................................................................................ 74

Tabela 5.8: Erros mximos obtidos na verificao do desempenho dinmico dos

diafragmas. ............................................................................................................................................................ 74

Tabela 5.9: Velocidades das lminas obtidas no teste de medio da velocidade das

lminas dos bancos Y1 e Y2. ........................................................................................................................... 75

Tabela 5.10: Anlise Gama: taxa de correspondncia entre o medido no ArcCHECK e o

calculado no TPS, para vrios planeamentos, durante a fase inicial. ............................................ 78

XIV

Tabela 5.11: Anlise Gama: taxa de correspondncia entre o medido no ArcCHECK e o

calculado no TPS, para vrias planimetrias. ............................................................................................ 81

Tabela 5.12: Anlise Gama: taxa de correspondncia entre o medido no ArcCHECK ena

MatrixX com MultiCube e o calculado no TPS, para vrias planimetrias. .................................... 83

6.1: Frequncia e definio testes QA para VMAT ................................................................................ 91

XV

NDICE DE FIGURAS

Figura 1.1: Definio de volumes em Radioterapia (ICRU, 1993) .................................................... 9

Figura 1.2: Esquema comparativo dos mtodos de planeamento. ................................................. 11

Figura 2.1: Diagrama de blocos representativo de um Acelerador Linear Adaptado:

(Podgorsak, 2005); (Greene & Williams, 1997) e (Clark) ................................................................. 14

Figura 2.2: Principais componentes da cabea de tratamentos num LINAC.

Adaptado:(Khan, 2003) .................................................................................................................................... 16

Figura 2.3: Representao da modificao dos contornos das curvas de isodoses obtidas na

irradiao de um fantoma de gua com feixe de fotes. (Smith, 2000) ....................................... 17

Figura 2.4: Efeito filtro difusor (scattering foil) na distribuio dos electres. (Adaptado:

(Greene & Williams, 1997) ............................................................................................................................. 17

Figura 2.5: Efeito de um filtro (cunha) nas isodoses obtidas na irradiao com feixe de

fotes. ....................................................................................................................................................................... 18

Figura 2.6: Principais parmetros geomtricos definidos num feixe que irradia um tumor.

(Adaptado: (Jayaraman & Lanzl, 2004) ..................................................................................................... 20

Figura 2.7: Curva PDD - Deposio de dose de um feixe de fotes num paciente. Adaptado:

(Podgorsak, 2005) .............................................................................................................................................. 21

Figura 2.8: Geometria para definio de PDD (Podgorsak, 2005) ................................................. 22

Figura 2.9: Perfil de Campo, formao da Penumbra (P) e dimenso de campo. Adaptado:

(Smith, 2000) ........................................................................................................................................................ 23

Figura 3.1: Relao entre a tenso aplicada e a carga produzida num detector gasoso.

Diferentes regies de operao. Adaptado: (Podgorsak, 2005) ...................................................... 26

Figura 4.1: Acelerador Linear Elekta Synergy instalado no servio de radioterapia da

Fundao Champalimaud (Lisboa). ............................................................................................................. 33

Figura 4.2: Principais componentes do AL Elekta Synergy. ............................................................... 34

Figura 4.3:Cmara Ionizao modelo FC65 da marca IBA dosimetry....................................... 36

Figura 4.4: Cmara Ionizao modelo CC13 da marca IBA dosimetry. .................................... 36

Figura 4.5: Electrmetro modelo Dose-1 da marca IBA dosimetry. .......................................... 37

Figura 4.6: MatrixX Evolution da Iba Dosimetry. (IBA Dosimetry, 2009) ........................... 37

Figura 4.7:Matriz helicoidal de dodos do ArcCHECK. (SunNuclear, 2010) ............................... 38

Figura 4.8: ArcCHECK, SunNuclear utilizado neste trabalho. ........................................................... 38

XVI

Figura 4.9: MultiCube e Conjunto MatrixX no Multicube, da Iba Dosimetry. (IBA

Dosimetry, 2009) ................................................................................................................................................ 40

Figura 4.10: Diagrama representativo da sequncia para implementao de VMAT. ........... 41

Figura 4.11: Setup com fantoma de placas para verificar a estabilidade do Output............... 46

Figura 4.12: Campo em forma de T para determinar a transmisso das lminas do MLC. .. 48

Figura 4.13: Exemplo dos erros ocorridos no desempenho dinmico dos diafragmas e

respectiva tolerncia. (Elekta, 2010) .......................................................................................................... 49

Figura 4.14: Exemplo dos erros ocorridos no desempenho dinmico da gantry e respectiva

tolerncia. (Elekta, 2010) ................................................................................................................................ 50

Figura 4.15: Exemplo dos erros ocorridos no desempenho dinmico das lminas e

respectiva tolerncia. (Elekta, 2010) .......................................................................................................... 51

Figura 4.16: Exemplo da variao da posio das lminas em funo do tempo utilizado

para determinar a velocidade das lminas. (Elekta, 2010) ............................................................... 52

Figura 4.17: Principais fases do commissioning de um novo sistema de dosimetria 3D. ...... 53

Figura 4.18: Setup para calibrao do ArcCHECK. (adaptado (SunNuclear, 2011) .............. 57

Figura 4.19: ArcCHECK no AL Elekta Synergy. ....................................................................................... 61

Figura 4.20: MatrixX no MultiCube no AL Elekta Synergy. ................................................................ 62

Figura 4.21: Sensor de Angulao da MatrixX Evolution. .............................................................. 63

Figura 5.1: Variao da dose com a angulao da Gantry para a energia de 10MV com um

campo de 5cm x5cm. ......................................................................................................................................... 69

Figura 5.2: Variao do outup com a rotao da gantry para as energias de 6, 10 e 15 MV e

para as dimenses de campo 5cmx5cm e 10cmx10cm. ..................................................................... 70

Figura 5.3:Variao do output em funo da variao das UM, para a energia de 10MV com

um campo de 20cm x 20cm. ........................................................................................................................... 71

Figura 5.4: Variao do output em funo da variao das UM, para as energias de 6, 10 e

15 MV e para as dimenses de campo 5cmx5cm e 10cmx10cm. .................................................... 72

Figura 5.5: Variao do output em funo da taxa de dose, para as energias de 6, 10 e 15

MV e para as dimenses de campo 5cmx5cm e 10cmx10cm. .......................................................... 73

Figura 5.6: Resultado apresentado no software do ArcCHECK na comparao entre o

medido com o ArcCHECK e a dose da planimetria VMAT H&N - 28-07-2011 TPS (248,6

cGy). Anlise Gamma (3%,3mm): AD=96,9%. ........................................................................................ 80

Figura 5.7: Resultado apresentado no software do ArcCHECK na comparao entre o

medido com o ArcCHECK e a dose da planimetria VMAT Prostate - 29-07-2011 TPS (248,6

cGy). Anlise Gama (3%,3mm): AD=95,3%. ............................................................................................ 82

Figura 5.8: Anlise no software Omnipro I'mRT - comparao entre o medido com a

MatrixX com MultiCube e a planimetria do TPS para o caso Mister Prostate. ....................... 84

XVII

Figura 5.9: Anlise no software SNCPatient - comparao entre o medido com ArcCHECK

e a planimetria do TPS para o caso Mister Prostate. Anlise Gama (3%,3mm): AD=96.6%.

.................................................................................................................................................................................... 84

XIX

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS

AL Acelerador Linear

CPE Charged Particle Equilibrium

CTV Clinical Target Volume

CQ Controlo da Qualidade

GTV Gross Tumor Volume

Gy Gray

HDV Histograma Dose Volume

IMAT Intensity Modulated Arc Therapy

IMRT Intensity Modulated Radiation Therapy

ITP Inverse Treatment Planning

IV Irradiated Volume

MLC Multileaf collimator

NTCP Normal Tissue Complication Probability

MU Monitor Unit

MV Megavoltage

PDD Percentage depth dose

OAR Organ at Risk

OD Optical Density

PET Positron emission tomography

PTV Planning Target Volume

QA Quality Assurance

RA RapidArc

SAD Source-Axis Distance

SSD Source-Surface Distance

T Factor de Transmisso

TAC Tomografia Axial Computadorizada

TCP Tumour Control Probability

TPS Treatment Planning System

TV Treated Volume

VMAT Volumetric Modulated Arc Therapy

1

INTRODUO

O cancro representa a segunda causa de morte em Portugal, como tambm na

Unio Europeia, precedido apenas pelas doenas do aparelho circulatrio. Actualmente

existem diversas tcnicas e metodologias de tratamento para as patologias do foro

oncolgico, sendo a Radioterapia Externa (RE) uma das mais requisitadas. uma tcnica

que utiliza radiaes ionizantes de forma controlada e precisa, produzidas usualmente

num acelerador linear (AL) para administrar uma rigorosa dose no volume tumoral.

A inovao tecnolgica presenciada no decorrer das ltimas dcadas trouxe mais

rigor e preciso aos tratamentos efectuados em RE, uma vez que aliou o poder

computacional a equipamentos mais avanados, permitindo assim o desenvolvimento de

novas tcnicas. O avano dos sistemas de planimetria (Treatment Planning System -TPS) e

dos colimadores multi-lminas (Multileaf collimator - MLC) permitiu desenvolver a

radioterapia de intensidade modulada (Intensity Modulated Radiation Therapy -IMRT),

possibilitando assim, modelar a intensidade da fluncia do feixe de radiao. Sempre com

o intuito de aplicar rigorosamente a dose no volume alvo, poupando os tecidos saudveis

adjacentes, surgem as tcnicas que adicionam a rotao da gantry modulao da

intensidade. Actualmente surgem tcnicas de RE rotacionais que permitem a modulao

da intensidade atravs de uma nica rotao da gantry, e durante a qual o MLC se adapta,

em cada instante, forma do volume tumoral, efectuar tratamentos, que aliam rapidez ao

rigor.

A instalao de uma nova tcnica de radioterapia num (novo) AL envolve vrias

etapas at que seja possvel o seu uso clnico. Engloba um conjunto de testes de aceitao e

commissioning que garantem o estado operacional seguro do equipamento e que este se

encontra apto para uso clnico.

O objectivo deste trabalho efectuar um estudo extensivo para a implementao

da tcnica VMAT em modo clnico, no servio de radioterapia da Fundao Champalimaud

-Lisboa. VMAT uma tcnica de radioterapia externa em arco que conjuga a modulao da

intensidade do feixe conseguida com MLCs dinmicos (IMRT), com a variao da

velocidade da gantry e taxa de dose durante a rotao da gantry. Para atingir este

objectivo, pretende-se efectuar um conjunto de testes mecnicos e dosimtricos que visam

garantir que os componentes do acelerador linear e as caractersticas do feixe de radiao

2

esto dentro das especificaes necessrias para a aplicao da tcnica VMAT, bem como

avaliar se o AL efectivamente reproduz o planeado no TPS.

Aps ter conhecimento das tcnicas de RE, das caractersticas dos AL, da

especificidade da tcnica VMAT e dos vrios equipamentos dosimtricos, foi necessrio

estabelecer e definir os testes a realizar, estruturando-os em trs etapas distintas,

contribuindo assim para a sistematizao dos testes para a implementao da tcnica

VMAT. A etapa inicial englobou um conjunto de testes usuais na implementao de

tcnicas de radioterapia convencionais, que avaliaram a estabilidade do output, a simetria

e homogeneidade dos perfis de dose obtidos durante pequenas rotaes da gantry, a

transmisso das lminas do MLC e a preciso do posicionamento das lminas do MLC.

Concluda esta etapa, avanou-se para a realizao de um conjunto de testes especficos

para o VMAT que avaliam parmetros mecnicos e dosimtricos, que asseguram e

verificam o correcto funcionamento do acelerador e dos seus componentes

especificamente para o VMAT. Os testes garantem a preciso do posicionamento das

lminas do MLC e do desempenho dinmico da gantry e diafragmas. A ltima, mas no

menos importante, etapa deste trabalho consistiu em avaliar um conjunto de planimetrias

de VMAT, verificando se o AL consegue reproduzir as condies calculadas pelo TPS e se o

tratamento preciso em termos de dose absoluta administrada durante o tratamento.

Para tal, recorreu-se a dois equipamentos, recentemente apresentados no mercado, para

dosimetria 3D (ArcCHECK, SunNuclear e Delta4, ScandiDos) ideais e especficos para

avaliar as planimetrias de tcnicas de RE rotacionais e um equipamento 2D da IBA

Dosimetry (MatrixX Evolution com MultiCube). Utilizou-se o fantoma CIRS para simular

o paciente e foram seguidos os passos convencionais de uma planimetria, desde a

aquisio de Tomografia Axial Computorizada (TAC), prescrio do tratamento,

delimitao dos volumes de interesse e elaborao e aprovao da planimetria. Concludos

e aprovadas as vrias planimetrias, o ArcCHECK, a MatrixX com MultiCube e o Delta4

foram irradiados segundo essas mesmas planimetrias. Analisaram-se os resultados

obtidos em termos de dose absoluta e relativa, comparando o planeado no TPS com o

medido nos equipamentos para as vrias planimetrias. Este QA (quality assurance) da

planimetria permite analisar se possvel implementar a tcnica VMAT em modo clnico e

particularmente se a planimetria em questo reprodutvel no AL. Procurou-se ainda

comparar os dois equipamentos dosimtricos, ArcCHECK e Delta4, analisando qual se

evidencia mais especfico, reprodutvel e prtico para utilizao diria.

A presente dissertao est dividida em trs partes. Na primeira parte,

Fundamentos Tericos, efectua-se uma abordagem s componentes tericas do trabalho,

apresentando os principais objectivos da radioterapia, as componentes de um AL, com

3

especial incidncia no MLC, os parmetros dos feixes de radiao, as principais tcnicas

dosimtricas referenciando ainda o controlo da qualidade num AL. A segunda parte,

Trabalho Experimental, inicialmente dedicada apresentao dos materiais e

equipamentos utilizados, seguidamente so apresentados, discutidos e analisados os

resultados dos testes mecnicos e dosimtricos realizados e finaliza com a comparao

dos equipamentos ArcCHECK e Delta4 e avaliao de vrias planimetrias no

ArcCHECK e na MatrixX com MultiCube . Na ltima parte desta dissertao, Concluses

e Perspectivas Futuras, so apresentadas as principais concluses deste trabalho e

sugeridas algumas abordagens futuras de trabalho relacionadas com a tcnica VMAT.

A contribuio particular para este trabalho pretende, aps interiorizao das

tcnicas de RE, dos equipamentos dosimtricos e da importncia de assegurar a qualidade

e preciso, quer dos equipamentos dosimtricos, quer dos componentes do AL, seleccionar

e sistematizar um conjunto de testes que visam assegurar a implementao da tcnica

VMAT e garantir que possvel avanar para a sua prtica clnica. A aprendizagem

resultante da utilizao dos novos equipamentos dosimtricos, em especial do

ArcCHECK e Delta4, visa contribuir para uma sedimentao das etapas subjacentes ao

QA necessrio na tcnica VMAT, permitindo assim que, neste trabalho, seja iniciada uma

comparao entre os dois equipamentos deixando ainda definidas linhas gerais para

continuar a comparao entre eles.

4

A. FUNDAMENTOS TERICOS

5

1. CAPTULO I

1. Evoluo tecnolgica: da descoberta dos raios-X aos aceleradores lineares

Os primeiros avanos na rea da radioterapia so dados no final do sculo XIX, com

as descobertas dos raios-X por Wilhelm Roentgen em 1985, da radioactividade por

Beqquerel em 1896 e do Rdio pelo casal Curie em 1898. Os primeiros tratamentos surgem

logo aps estas descobertas. Associados s primeiras tentativas de tratamento de tumores

com a utilizao de raios-X, em 1986, surgem os nomes de Emil Grubb (Chicago), Victor

Despeignes (Frana), Lopold Freund (ustria). A utilizao de fontes radioactivas para

tratamentos teraputicos foi iniciada, em 1900, com o uso do Rdio para braquiterapia

superficial pelo Dr. Danlos (Hospital Saint-Louis - Paris).

A radioterapia comeou a ser aplicada mais amplamente medida que apareciam

aparelhos com tenses de acelerao superiores, produzindo assim raios-X com energias

mais elevadas. Em 1920 surgiu na Alemanha um aparelho que produzia raios-X com

energias at 200kV e, em 1928, a Califrnia dispunha de um aparelho com tenso de

550KV. Nos Estados Unidos, o Laboratrio Kellogg, em 1935, construiu um aparelho de

radioterapia de 1MV, apesar da necessidade da presena de engenheiros para a sua

utilizao. Com a corrida energia nuclear, na poca da 2 Guerra Mundial, surgem

istopos radioactivos produzidos artificialmente, como o Cobalto 60 e, em 1950, aparece a

primeira unidade de cobalto para utilizao clnica, em radioterapia. Popularizam-se

unidades de telecobaltoterapia, capazes de gerar energias na ordem de 1MeV (raios gama

com 1.17MeV e 1.33MeV) e tratar leses a uma maior profundidade.

A procura de energias mais elevadas, que permitissem melhorar os tratamentos,

leva pesquisa de outras formas de acelerao de partculas, deixando de parte as

mquinas convencionais de Raios-X que aceleravam as partculas atravs da diferena de

potencial, potenciando energias de apenas 2 ou 3 MV. A acelerao de partculas atravs

de um guia de ondas, inicialmente proposta em 1924, s aps a 2 Guerra Mundial foi

aplicada concretamente em aceleradores de partculas. Foram apresentados dois

aceleradores lineares, por dois grupos distintos, na dcada de 50, um instalado em

Londres, no Hammersmith Hospital, com 8MeV de energia, e o outro surge nos Estados

Unidos resultante de uma cooperao entre o MIT e a Universidade de Stanford. (Instituto

de Radioterapia So Francisco) (Lopes, 2007)

6

O avano tecnolgico das ltimas dcadas trouxe inovaes e optimizaes na

concepo dos equipamentos, desde a tcnica de acelerao de electres, passando pela

modulao e colimao do feixe at aos sistemas de planimetria e algoritmos de clculo.

Todos estes avanos resultam da exigncia de optimizao das tcnicas de radioterapia e

visam sempre melhorar os resultados clnicos.

1.1. Radioterapia convencional, IMRT, Arco dinmico, VMAT

A radioterapia uma tcnica que utiliza, de forma controlada e precisa, radiaes

ionizantes com fins teraputicos. Visa essencialmente o tratamento oncolgico, atravs da

administrao rigorosa de uma dose de radiao no volume tumoral (volume alvo),

procurando erradicar as clulas tumorais e causar os menores danos possveis nos tecidos

sos adjacentes.

A Radioterapia conformacional tridimensional (3D-CRT) surgiu com a introduo

dos sistemas de planimetria, que trouxeram maior rapidez e eficincia aos clculos das

distribuies de dose, possibilitando o clculo da dose para a configurao de campos

desejada. Inicialmente recorria a blocos de uma liga metlica de alta densidade para

colimar o feixe, que possibilitavam o bloqueio da radiao, protegendo assim alguns dos

tecidos sos adjacentes ao volume tumoral. A introduo dos MLCs (multi leaf collimator)

para substituio dos blocos de proteco deu incio a uma nova abordagem da 3D-CRT

com modulao precisa do feixe de radiao e consequente melhoria em termos da dose

administrada no volume alvo e proteco dos rgos de risco.

A tcnica de IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) permite obter

distribuies de dose de intensidade modulada, possibilitando assim modular a fluncia

do feixe e obter distribuies de dose muito variadas e precisas. Actualmente so vrias as

metodologias disponveis que permitem a realizao de um tratamento em IMRT. Destaca-

se a modulao da intensidade com MLC, a Tomoterapia e a Arcoterapia de Intensidade

Modulada (IMAT).

A modulao da intensidade com recurso ao MLC pode ser efectuada em modo

esttico (SMLC) ou step-and-shoot e em modo din}mico (DMLC) ou sliding window. O

primeiro mtodo subdivide o campo de tratamento, isto , a rea irradiada, e cada diviso

de campo criada pelo MLC. A modulao da fluncia do feixe conseguida controlando o

nmero de divises que resultam do campo de tratamento (segmentos) e a intensidade da

radiao distribuda em cada diviso. Neste modo, durante o tratamento, o feixe de

radiao interrompido enquanto as lminas do MLC adquirem a forma de cada diviso

7

de campo. J no mtodo em modo dinmico a intensidade modulada atravs do

movimento das lminas do MLC, durante a irradiao, onde a variao da posio e da

velocidade das lminas permite criar um perfil de fluncia modulado.

A Tomoterapia tem por base a tcnica de IMRT mas com recurso a um acelerador

com um design diferente, semelhante a um aparelho de TC, que possui um micro

colimador que apenas admite duas posies das lminas: abertas ou fechadas. Envolve um

conceito de tratamento slice-by-slice ({s fatias) { medida que a gantry gira em torno do

paciente. Uma nova abordagem desta tcnica Tomoterapia Helicoidal alia o movimento

da mesa de tratamentos simultaneamente rotao da gantry.

A tcnica IMAT recorre utilizao do MLC em modo dinmico juntamente com a

rotao da gantry para a criao de arcos dinmicos, durante os quais efectuada a

distribuio de dose. atravs da criao de vrios arcos rotacionais durante os quais a

forma do campo definida pelo movimento das lminas do MLC, que se obtm a

modulao de intensidade desejada. Em cada arco podem ser definidos vrios campos,

com diferentes ponderaes, de acordo com a velocidade de rotao da gantry.

O recente desenvolvimento das tcnicas de tratamento rotacionais RapidArc

(RA) da Varian1 e VMAT da Elekta2 desencadeou uma onda de interesse na tcnica IMRT.

Tanto o RA como VMAT so similares IMAT, pois recorrem a um MLC que altera a forma

do campo de tratamento dinamicamente enquanto a gantry roda volta do paciente. A

diferena significativa que, ao contrrio do que sucede na tcnica IMAT, apenas

necessria uma nica rotao da gantry, tornando o tratamento potencialmente mais

rpido. (Bortfeld & Wedd, 2009)

O VMAT, recente e avanada tecnologia da Elekta, permite efectuar tratamentos de

uma forma controla, precisa e rpida, com uma nica rotao da gantry, durante a qual o

MLC se adapta, em cada momento, forma do PTV, proporcionado uma adequada

distribuio 3D de dose. conseguido atravs da alterao simultnea de trs parmetros

durante o tratamento, a velocidade de rotao da gantry, a forma do campo tratamento

atravs do coordenado movimento das lminas do MLC e a taxa de deposio de

dose.(Palma, Verbakel, Otto, & Senan, 2010)

1.2. Objectivo da radioterapia

Existem dois mtodos distintos para aplicar uma dose rigorosa de radiao no

volume tumoral previamente definido, originando uma classificao da radioterapia em

Radioterapia Externa e Radioterapia Interna, ou Braquiterapia. Na Radioterapia Externa 1 Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA. 2 Elekta AB, Stockholm, Sweden.

8

so utilizadas fontes de radiao ionizante (X, gama, e-) que s~o colocadas { dist}ncia

(pequena) do paciente, isto , do volume tumoral. Na Braquiterapia, so utilizadas fontes

radioactivas (sementes iodo, ) que podem estar na superfcie do paciente ou no interior

do mesmo, localizadas muito prximas do tumor.

A radiao ionizante, que possui energia necessria para ionizar tomos e

molculas, pode interagir de forma directa com o tecido biolgico provocando danos no

DNA ou, de forma indirecta, dando origem a radicais livres que iro interagir com o DNA

danificando-o. Uma vez que o alvo crtico da radiao ionizante para a destruio celular

o DNA, e o maior dano que a radiao causa ocorre quando as clulas se encontram em

diviso (mitose), ento as clulas que possuem uma maior taxa de mitose so mais

radiossensveis, ou seja, so mais susceptveis aos efeitos degenerativos provocados pela

radiao. A radiao ionizante afecta, no apenas as clulas cancergenas, como tambm as

clulas saudveis, mas o maior efeito destrutivo provocado pela radiao obtido nas

clulas cancergenas pois estas dividem-se mais rapidamente do que as clulas ss.

O facto de as respostas do tecido tumoral e do tecido normal mesma dose de

radiao no serem iguais permite que exista algum controlo tumoral, ou seja, dano no

tecido tumoral e, simultaneamente, no seja efectuado um dano significativo no tecido

normal.

1.2.1. Planeamento em Radioterapia

O planeamento do tratamento em radioterapia de extrema importncia, sendo

nele delineadas todas as etapas do percurso do paciente. Numa fase inicial uma consulta

multidisciplar avalia o doente, o seu estado clnico, o estdio da sua patologia definindo o

principal objectivo do tratamento, curativo ou paliativo. Escolhe ainda o tratamento mais

indicado, cirurgia, radioterapia ou quimioterapia, ou a combinao de mais do que um tipo

de tratamento, assim como a ordem a serem efectuados. Aps definido o modelo de

tratamento e quando se recorre radioterapia externa, determinado o sistema de

imobilizao do paciente e so adquiridas imagens anatmicas do paciente, recorrendo a

uma tomografia computorizada, a que pode ser complementada com ressonncia

magntica e PET-CT. Com recurso s imagens anatmicas adquiridas so delimitados os

volumes alvo e rgos de risco, por parte do mdico radioterapeuta, definindo ainda dose

a administrar (por fraco, por dia e total). Aps da definio dos volumes a irradiar, da

responsabilidade do fsico/radioterapeuta a definio da tcnica de tratamento, bem como

a determinao da melhor configurao de feixes que produz a distribuio de dose 3D

pretendida, recorrendo aos sistemas de planimetria e efectuar uma avaliao do plano

9

obtido. Finalmente, da responsabilidade do mdico radioterapeuta a aprovao final do

plano de tratamento, verificando sempre se a distribuio de dose obtida est de acordo

com o prescrito e avaliando a dose recebida pelos rgos de risco. (Rodrigues)

1.2.2. Volumes em radioterapia

Sendo o principal objectivo da radioterapia administrar uma dose de radiao no

volume alvo, bem definido, limitando ao mximo a radiao nos tecidos sos adjacentes,

importante uma correcta definio dos volumes de interesse e dos rgos de risco para a

realizao do tratamento. De acordo com a localizao do tumor, o mdico oncologista

define os volumes GTV (Gross Tumor Volume), CTV (Clinical Target Volume) e PTV (Planing

Target Volume). Partindo da definio destes volumes e do plano de tratamento so ainda

definidos os volumes TV (Treated Volume) e IV (Irradiated Volume). Os volumes so

delimitados considerando os OAR (Organ at Risc), que devem ser devidamente

identificados.

Figura 1.1: Definio de volumes em Radioterapia (ICRU, 1993)

1.2.2.1. GTV, PTV, CTV, TV, IV e OR

O menor volume considerado o GTV que corresponde ao volume tumoral, isto ,

parte palpvel e visvel do tumor, onde existe a maior concentrao de clulas

cancergenas. Pode ser observado e delimitado a partir dos diferentes exames de imagem

mdica, como ressonncia magntica ou tomografia computorizada, ou a partir de exames

clnicos de diagnstico (inspeco, palpao, endoscopia). Adicionando uma margem ao

GTV, que englobe a difuso local do tumor, define-se um outro volume, o volume alvo

clnico - CTV. Este volume deve ser adequadamente tratado de forma a atingir o objectivo

do tratamento, curativo ou paliativo. Com o objectivo de garantir que todos os tecidos

tumorais esto includos no CTV e que este volume recebe toda a dose prescrita,

10

necessrio definir um volume ligeiramente maior, o PTV que dimensionado tendo em

considerao as variaes geomtricas possveis.

Uma vez que a dose no administrada apenas e exclusivamente ao PTV, devido a

vrias limitaes das tcnicas de tratamento, surge um novo conceito de volume que

engloba todos os tecidos que receberam alguma dose durante o tratamento, o volume

tratado - TV. Este volume encontra-se dentro de uma superfcie de isodose (linha em que

todos os pontos possuem igual valor de dose) e recebe uma dose especificada, aquela que

permite atingir os objectivos do tratamento. O volume tratado deve ser ajustado forma e

dimenso do PTV, normalmente superior ao PTV mas nunca dever ser inferior. Outro

volume a considerar o volume irradiado (IV) que corresponde a um volume de tecido

que recebe uma dose considerada significativa em relao tolerncia dos tecidos

normais. (ICRU, 1993)

Os rgos de risco so tecidos normais (sos), geralmente muito radiossensveis,

localizados na proximidade do volume tumoral, podendo influenciar o tratamento e a dose

prescrita. Existem tabelas de limites de dose para os tecidos sos e que so respeitadas na

realizao da planimetria. (ICRU, 1993)(Podgorsak, 2005)

1.2.3. Sistemas de Planimetria Computorizados (TPS)

Um Sistema de Planimetria Computorizado (TPS - Treatment Planning System)

uma ferramenta de extrema importncia no processo de planeamento do tratamento em

radioterapia. Consiste num conjunto de software e hardware que permite a introduo de

dados relativos ao paciente, as suas definies anatmicas e delimitaes de volumes,

permite gerar a melhor configurao do feixe (ou feixes), calcular as distribuies de dose,

efectuar uma avaliao do planeamento definido, em termos de dose e efeitos nos volumes

definidos, bem como permite ainda a exportao de dados para outras unidades

(acelerador linear, por exemplo) e sada de documentao. Actualmente todos os servios

de Radioterapia utilizam algum tipo de TPS, existindo desde os mais simples 2D aos mais

complexos 3D baseados em simulaes Monte Carlo. Os sistemas 3D-TPS permitem a

simulao 3D dos feixes, consideraes 3D do paciente e visualizaes avanadas da

anatomia do paciente. (IAEA, 2004)

Os TPS consideram duas abordagens distintas para determinar a distribuio de

dose pretendida, uma o planeamento directo, utilizado normalmente para a 3D-CRT e

outra o planeamento inverso, utilizado para o IMRT e VMAT. No planeamento directo o

nmero e tipo de campos (angulaes da gantry), a configurao das lminas do MLC, os

filtros a aplicar so definidos pelo responsvel do planeamento e o sistema de

11

planeamento determina a distribuio tendo em considerao os campos definidos. A

avaliao da distribuio obtida efectuada e o melhor planeamento alcanado pelo

mtodo tentativa-erro. Pelo contrrio, no sistema inverso primeiro especifica-se o nmero

e localizao dos campos e so definidos os objectivos e as restries, ou seja, a dose

requerida, a dose mxima nos volumes alvo, os limites de dose nos rgos e tecidos

adjacentes. Depois, a configurao das lminas do MLC e dos pesos dos campos so

determinados pelo computador que executa a distribuio de dose e a respectiva

optimizao. (Carvalho, 2009) As principais caractersticas destes dois sistemas de

planeamento esto resumidas esquema que se segue.

Figura 1.2: Esquema comparativo dos mtodos de planeamento.

Os algoritmos de clculo da dose so os principais componentes do software de um

TPS. So responsveis pela correcta representao da dose no paciente, podendo estar

associadas aos clculos do tempo de feixe ou das unidades monitor (MU). Devido rpida

evoluo do poder computacional, os algoritmos de clculo de dose so um processo em

constante evoluo, existindo actualmente vrios algoritmos utilizados nos TPS. A

abordagem geral destes algoritmos consiste em decompor e analisar o feixe de radiao

em componentes primrias e de disperso, permitindo assim incorporar na distribuio

da dose mudanas na disperso devido a mudanas na forma do feixe, a intensidade do

feixe, a geometria do paciente e as heterogeneidades do tecido.

1.2.3.1. Avaliao da planimetria

A etapa final do planeamento do tratamento a aprovao desse mesmo plano.

uma etapa fundamental que implica, por vezes, a deciso de admitir mais dose num rgo

de risco para proteger outro ou para irradiar melhor o volume alvo. So ponderados todos

Planeamento Directo

Aquisio de imagens: definio de volume alvo e outras regies de

interesse;

Seleco de feixes, energias, filtros e configurao MLC;

Clculo tridimensional de dose;

Avaliao da curva de isodose em 2D e 3D;

Aprovao do plano de tratamento.

Planeamento Inverso

Aquisio de imagens: definio de volume alvo e outras regies de

interesse;

Definio dos objectivos e restries na distribuio de dose nos volumes

alvo e rgos de risco;

Procedimento computacional de optimizao de distribuio 3D da

dose;

Avaliao da distribuio de dose;

Aprovao do plano de tratamento.

12

os riscos, tendo em considerao a radiossensibilidade dos diferentes tecidos. A avaliao

efectuada recorrendo-se normalmente avaliao de curvas de isodose, estatsticas das

doses e histogramas dose-volume (HDV). Alguns TPS permitem ainda a utilizao de um

modelo radiobiolgico que permite estimar as probabilidades de controlo tumoral (TCPs)

e as probabilidades de complicao no tecido normal (NTCPs), indicando assim a

qualidade do plano de tratamento. (IAEA, 2004)

1.2.3.2. Curvas de Isodose, Estatsticas de dose e HDV

As curvas de isodose so linhas que unem pontos de igual dose. Permitem uma

representao volumtrica ou planar da distribuio da dose mostrando facilmente o

comportamento de um ou mais feixes. (Khan, 2003) As curvas de isodose podem

representar a dose real, em Gray (Gy), no entanto, mais comum uma representao

normalizada para 100% num dado ponto. As normalizaes usuais so a normalizao no

isocentro ou a normalizao para 100% na profundidade de dose mxima no eixo central.

Por vezes, quando um grande nmero de planos utilizado para os clculos so usuais

representaes nos planos sagital e coronal das curvas de isodose. Uma forma alternativa

de representar as isodoses mape-las em 3D, sobrepondo as isosuperfcies, constituindo

assim uma representao 3D com os volumes alvo e outros rgos. Esta representao,

embora permita visualizar o volume alvo, no evidencia a distncia entre as isosuperfcies

e os volumes anatmicos nem d informaes quantitativas dos volumes. (Podgorsak,

2005)

As estatsticas das doses permitem efectuar uma avaliao quantitativa da dose

recebida pelo volume alvo e estruturas crticas. Os parmetros avaliados, para qualquer

volume, so a dose mxima, mnima e mdia que recebem, e, para o volume alvo, a dose

recebida em, pelo menos, 95% do volume, e o volume irradiado com, pelo menos, 95% da

dose prescrita. Para os OR esta avaliao percentagem de dose em determinada

percentagem de volume depende do rgo em questo e das tolerncias aceites pelo

mdico. (Podgorsak, 2005)

Os histogramas dose volume resumem a informao contida nas distribuies 3D

de dose e so ferramentas de extrema importncia na avaliao quantitativa dos planos de

tratamento. As curvas apresentadas num HDV representam a distribuio de dose no

volume de um determinado rgo a tratar e a distribuio de dose nos rgos de risco.

Pode ento verificar-se que o volume alvo se encontra correctamente coberto pela dose

prescrita e que a irradiao dos rgos de risco no ultrapassa as tolerncias

recomendadas internacionalmente.

13

2. CAPTULO II

2. Aceleradores Lineares

O acelerador linear um equipamento que permite, atravs de mecanismos de

acelerao e colimao, obter feixes direccionados de electres ou de fotes de alta

energia. o equipamento mais comum na radioterapia externa e usualmente dispe de

duas ou trs energias de fotes, utilizadas para tratamentos mais profundos, e vrias

energias de electres utilizadas para irradiar volumes mais superficiais. um

equipamento isocntrico pois permite a irradiao segundo vrias direces de incidncia

e os eixos centrais intersectam-se num mesmo ponto do espao (isocentro), situado

normalmente a 100 cm do foco do feixe.

Para alm dos elaborados sistemas de produo, colimao e controlo da radiao,

associado a um acelerador linear esto equipamentos para posicionamento do paciente e

sistemas de localizao e verificao dos campos a irradiar. O posicionamento do paciente

efectuado numa mesa de tratamento especfica com o auxlio de um sistema de lasers. O

sistema de verificao de campos constitudo por um sistema de deteco de radiao

que permite, com auxlio de um sistema informtico, verificar a conformidade entre os

campos irradiados e os campos planeados. O sistema de verificao electrnico,

normalmente localizado no brao do acelerador, permite adquirir imagens (imagem

portal) na altura do tratamento e verificar a sua conformidade com as imagens do sistema

de planimetria.(Rodrigues)(Carvalho, 2009)

2.1. Principais Componentes de um acelerador linear

O acelerador linear, com recurso a uma fonte de electres e a microondas de

frequncia prxima dos 3GHz, gera feixes de electres com energias cinticas de 3 MeV at

cerca de 25MeV. (Podgorsak, 2005)

14

As componentes bsicas que constituem um acelerador, esquematizadas na figura

2.1, so a fonte de energia - modulador, a fonte de microondas, o sistema de ejeco de

electres, os guias de onda de acelerao, o sistema de magnetos e a cabea de tratamento.

Figura 2.1: Diagrama de blocos representativo de um Acelerador Linear Adaptado: (Podgorsak, 2005);

(Greene & Williams, 1997) e (Clark)

2.2. Produo Feixe de electres

A fonte de energia-modulador (pulsed modulator) fornece pulsos de alta tenso

fonte de electres (electron gun) e fonte de microondas. A fonte de electres, que

consiste num ctodo aquecido a uma alta temperatura (aproximadamente 1100C) e num

nodo, colocada num sistema de vcuo, produz electres por emisso termoinica e

injecta um pulso de electres nos guias de onda, onde so acelerados. Os guias de ondas

tm como base a acelerao num tubo de ondas progressivas. O electro acelerado ao

longo do tubo, da esquerda para a direita. estabelecida uma diferena de potencial entre

os vrios elctrodos ao longo do tubo e atravs da inverso momentnea do campo

elctrico os electres so acelerados. A distncia dos elctrodos aumentada

progressivamente, uma vez que o electro vai aumentando a sua velocidade, permitindo

que, desta forma, no seja perdido o sincronismo na acelerao do electro. A diferena de

potencial necessria acelerao dos electres no guia de ondas estabelecida pelos

pulsos de microondas, gerados pela fonte de microondas, tipicamente a uma frequncia de

3GHz. (Greene & Williams, 1997)

Os pulsos de microondas so gerados pela aplicao de pulsos de alta tenso, com

cerca de 50kV, gerados pela fonte energia-modulador, fonte de microondas, que

usualmente um Magnetro ou ento, em aceleradores de maior energia, um Klystro. O

15

Magnetro usado geralmente para energias de electres at 15MeV e o Klystro para

energias superiores. (Smith, 2000)

2.3. Sistema de transporte do feixe

O sistema de transporte do feixe recorre a campos magnticos para controlar o

percurso e energia do feixe de electres desde o guia de acelerao at cabea de

tratamento. Engloba trs etapas distintas - direccionar, focar e curvar o feixe de electres.

Ao entrarem e sarem do guia de ondas os electres so direccionadas de forma a

localizarem-se o mais prximo possvel do eixo. Isto efectuado com dois (pares de)

dipolos ortogonais de bobines de direco (steering coils). As bobines localizadas entrada

do guia de ondas direccionam o electro (feixe de electres) para a correcta posio,

imediatamente aps deixar o canho de electres (electron gun), e as bobines localizadas

sada permitem guiar o feixe de electres com preciso para o alvo de raios-X ou janela de

electres (electron window), no caso de uma cabea de tratamento in line, ou para os

sistemas de curvatura do feixe (bending systems), que sero abordados de seguida. Ao ser

acelerado ao longo do guia de ondas, o feixe de electres, sujeito aco de foras, pode

divergir a sua trajectria, essencialmente devido repulso electro-electro. Para

minimizar este factor de divergncia, existem as bobines de focagem (focusing coils), que

no so mais do que um solenoide volta do guia de ondas, que permitem que o feixe de

electres no divirja, mantendo assim uma menor rea de seco recta. Aps a acelerao

do feixe de electres, ele sofre uma mudana de direco de forma a ficar no plano da

mesa de tratamento, caso a cabea de tratamento n~o seja in line. Existem v|rias formas

de obter esta curvatura do feixe, que recaem essencialmente nos sistemas de rotao a

90, e a 270. Em ambos os sistemas, o feixe entra numa caixa de vcuo, localizada entre

dois magnetos, e, devido aco do campo magntico criado pelos magnetos, faz uma

trajectria circular. (Greene & Williams, 1997)

2.4. Principais sistemas de colimao

Aps o sistema de transporte do feixe de electres, o feixe ir ser colimado,

existindo vrias componentes para o efeito na cabea de tratamentos do acelerador linear.

A figura seguinte apresenta os principais componentes presentes numa cabea de um

LINAC, adaptado para fotes A) e electres B).

16

Figura 2.2: Principais componentes da cabea de tratamentos num LINAC. Adaptado:(Khan, 2003)

A) para feixe de fotes com alvo e com filtro flattening no feixe;

B) para feixe de electres e com filtro scattering no feixe

O feixe de electres poder ser utilizado para tratamentos directamente com

electres ou para tratamentos com fotes, sendo necessrio, para o efeito, fazer colidir o

feixe de electres com um alvo de elevado nmero atmico e, devido ao efeito de

Bremsstrahlung, so emitidos fotes (raios-X).

2.4.1. Colimao geral

O feixe de fotes, aps atravessar o colimador primrio, passa num filtro

(flattening filter) que tem por objectivo deix-lo mais uniforme, com uma distribuio de

dose mais homognea. (Smith, 2000)

17

Figura 2.3: Representao da modificao dos contornos das curvas de isodoses obtidas na irradiao

de um fantoma de gua com feixe de fotes. (Smith, 2000)

a) sem filtro b)com filtro flattening.

Para os tratamentos com electres, o alvo retirado da trajectria do feixe e

utilizado um filtro difusor (scattering foil), que permite obter um feixe de electres mais

uniforme e com maior seco til.

Figura 2.4: Efeito filtro difusor (scattering foil) na distribuio dos electres. (Adaptado:(Greene &

Williams, 1997)

De seguida, aps atravessar um sistema de cmaras de ionizao onde so

monitorizadas a dose, a taxa de dose e a distribuio de dose no campo, o feixe limitado

por um segundo colimador que restringe o campo projectado para uma dimenso mxima,

em geral, de 40cm x 40cm. O ltimo sistema de colimao do feixe o colimador multi-

lminas (MLC) que permite obter campos irregulares, mais prximos das formas dos

volumes a tratar.

Para definir a forma e dimenso do campo so utilizados, no caso de feixe de

electres, diversos tipos de aplicadores, diminuindo ainda os efeitos de disperso que se

evidenciam neste tipo de partculas. No caso dos fotes, uma vez que tm maior poder de

penetrao, podem ainda ser utilizados blocos e cunhas que permitem adequar o campo

forma e intensidade desejada, que so colocados aps o colimador secundrio e MLC.

18

Figura 2.5: Efeito de um filtro (cunha) nas isodoses obtidas na irradiao com feixe de fotes.

(Smith, 2000)

Como a maioria dos aceleradores produz electres e fotes com vrias energias,

ento possuem um sistema mvel (Carrocel) que permite a colocao do alvo caso se

pretenda obter fotes e a sua ausncia para tratamentos com electres, e que possibilita

tambm a seleco do filtro flattening para cada energia de fotes, assim como seleco do

filtro scattering para cada energia de electres. (Khan, 2003)

2.4.2. Colimao precisa MLC

Os colimadores multi-lminas, cada vez mais presentes nas unidades de

radioterapia, so responsveis pelas recentes evolues na radioterapia conformal

tridimensional (3D-CRT). Para alm de substiturem os blocos para conformao dos

campos de radiao, os MLCs possibilitam a utilizao de tcnicas especiais de

radioterapia baseadas essencialmente na modulao do feixe de tratamento, como a

radioterapia de intensidade modulada (IMRT), arco dinmico, VMAT. O MLC um sistema

adicional de colimao do acelerador que modifica a geometria (forma) do feixe.

Constitudo por um conjunto de lminas, controladas por computador, e que se podem

movimentar at uma posio pr-definida, o MLC permite bloquear a radiao em uma

determinada regio, criando feixes de intensidade modulada, adaptados s formas do

volume alvo. Nos aceleradores Elekta colocado antes dos diafragamas (jaws). Nos

aceleradores Varian considerado como uma colimao terciria, colocado depois dos

sistemas tradicionais de colimao. Este facto torna-se vantajoso pois permite uma

adaptao do MLC a unidades j existentes, bem como a continuao do acelerador em

servio atravs do uso de tradicionais blocos, caso se verifique uma falha no MLC. O facto

de se localizar mais afastado da cabea de tratamento implica que a dimenso do MLC seja

maior, contudo so admitidas maiores tolerncias no posicionamento das lminas. (Galvin,

1999)

19

Um acelerador Elekta comporta os trs principais componentes de

colimao/modelao de um feixe de radiao. O MLC um sistema de colimao

primrio, seguido pelas backup jaws (diafragma Y) que se movimentam na direco das

lminas do MLC e pelas lower jaws que se movimentam numa direco perpendicular

direco das lminas do MLC. As backup jaws tm 3 mm de espessura, pretendem

minimizar a transmisso das lminas e a sua transmisso deve ser determinada e inserida

no TPS. As lminas movimentam-se no eixo x e o movimento de cada lmina

controlado independentemente. As bordas das lminas so ligeiramente arredondadas e

os lados das lminas, de todo o MLC, possuem uma espcie de encaixe entre elas,

designado por Tongue and Groove, que permite minimizar a radiao transmitida entre as

lminas adjacentes. Entre pares de lminas opostas existe um gap de 5 mm e no ocorre

interdigitao. (Liu, 2008)

Um sistema de colimador multi-lminas caracterizado pelo nmero de pares de

lminas que possui, pelo tamanho mximo de campo que permite obter, pela largura das

lminas projectada ao nvel do isocentro, pela distncia mxima que alcanada pelas

lminas relativamente ao eixo central e pela transmisso do MLC. (LoSasso, Chui, & Ling,

1998) importante considerar o MLC como um sofisticado dispositivo elctrico-mecnico

que necessita de um vasto conjunto de passos distintos para a sua introduo em modo

clinicamente operacional. Requer um controle de qualidade rigoroso, comeando com um

conjunto de testes de aceitao e medidas de commissioning, avanando para a sua

correcta caracterizao no TPS e finalmente para uma rotina de controlo de qualidade com

um conjunto de vrios testes. Como principais fontes de erro na caracterizao do MLC no

TPS destaca-se:

Modelao da terminao e das faces laterais das lminas;

Transmisso da backup jaw;

Interaco da backup jaw e das extremidades lminas MLC

Interaco da lower jaw e do MLC na direco perpendicular s lminas;

Transmisso das lminas e entre as lminas do MLC .(Liu, 2008)

2.5. Parmetros de caracterizao dos feixes de radiao

Os vrios equipamentos de radioterapia permitem a produo de feixes de

radiao de diferentes qualidades, isto , diferentes tipos (fotes, electres), energias e

alcance/penetrao. So definidas vrias quantidades fsicas para caracterizao dos

feixes de radiao, teis em uso prtico para clculo especfico das doses administradas

20

durante os tratamentos e para comparao dos diferentes tipos de feixes. De seguida so

definidas algumas dessas quantidades fsicas e relaes entre elas.

2.5.1. Parmetros geomtricos SSD, SAD e Dimenso de Campo

A correcta deposio da dose no paciente requer um correcto posicionamento

deste em relao fonte de radiao. A figura 2.6 esquematiza um feixe colimado que

irradia um tumor e representa parmetros geomtricos que caracterizam a irradiao

num tratamento.

Figura 2.6: Principais parmetros geomtricos definidos num feixe que irradia um tumor. (Adaptado:

(Jayaraman & Lanzl, 2004)

A Distncia Fonte Superfcie (DFS), tambm designada por SSD - Source Skin

Distance (Jayaraman & Lanzl, 2004) ou Source Surface Distance (Smith, 2000) a distncia

entre a fonte (foco) e a pele do paciente ou a superfcie do fantoma. A Distncia Fonte Eixo

(SAD - Source Axis Distance) adiciona a profundidade do tratamento (d) distncia SSD.

A seco recta do feixe, designada por dimenso/tamanho de campo, pode

especificar-se pela rea Ad profundidade d da superfcie do paciente, como tambm pela

rea A0 superfcie do paciente. (Jayaraman & Lanzl, 2004)

2.5.2. Distribuies da dose absorvida

Uma medio directa e precisa da distribuio de dose num tecido (paciente)

praticamente impossvel. Apesar de esta medio ser possvel no ar ou no vcuo, onde a

fluncia de partculas, de um feixe de fotes ou de electres (embora num curto espao

pois facilmente interagem com o meio perdendo energia) inversamente proporcional ao

21

quadrado da distncia fonte, a propagao de um feixe de fotes num paciente afectada

pela atenuao e disperso do feixe no paciente, no ar e no colimador, dando origem a

fotes dispersos e a electres secundrios (disperso Compton).

A dose absorvida no paciente/fantoma varia com a profundidade, dependendo de

factores como a energia do feixe (h), o tamanho de campo (A), a distncia da fonte (f), o

sistema de colimao do feixe e a profundidade (d). Assim, devem ser considerados estes e

outros parmetros no clculo de dose no paciente, uma vez que afectam a distribuio de

dose em profundidade.

A distribuio de dose ao longo do eixo central (variao da dose com a

profundidade) caracterizada em relao dose a uma dada profundidade de referncia,

geralmente a profundidade de dose mxima. A figura 2.6 representa uma distribuio

tpica da dose ao longo do eixo central curva PDD (Percentage depth dose), destacando

pontos e zonas importantes.

Figura 2.7: Curva PDD - Deposio de dose de um feixe de fotes num paciente. Adaptado: (Podgorsak,

2005)

O feixe de fotes entra no paciente (fantoma), deposita uma certa dose superfcie

e rapidamente, numa zona superficial, a dose aumenta e atinge um valor mximo

a uma dada profundidade . Seguidamente, medida que a profundidade

aumenta, a dose diminui quase exponencialmente, atingindo um valor no ponto de

sada . A dose superficial depende de factores como a energia do feixe e a dimenso

de campo, contribuindo para o valor desta dose fotes dispersos (scattered) nos

colimadores, filtros e ar; fotes retrodispersos (backscattered) no paciente bem como

electres de alta energia produzidos por interaces de fotes no ar. A regio build-up a

regio localizada entre a superfcie e a profundidade onde a dose mxima . O

aumento da dose nesta regio resulta essencialmente da deposio de energia no paciente

por parte de energticas partculas secundrias carregadas (electres), que so

produzidas nessa zona devido interaco dos fotes no meio (efeito fotoelctrico,

22

disperso Compton, produo pares). A profundidade onde a dose mxima

(profundidade de equilbrio electrnico) depende essencialmente da energia inicial do

feixe e, aps esta profundidade a dose diminui devido atenuao dos fotes no paciente.

A regio build-down, localizada na sada do meio considerado, caracterizada por um

decrscimo significativo da dose absorvida. Este facto resulta essencialmente da

diminuio (ausncia) da contribuio da radiao retrodispersa para a dose absorvida

devido alterao do meio material. Quando o meio material existente para alm da

interface considerada possuiu menor densidade, o que se verifica na relao tecido

biolgico-ar, a radiao retrodispersa diminuiu e, consequentemente, a dose absorvida no

meio considerado vai decrescer acentuadamente. (Podgorsak, 2005)(Khan, 2003)

(Teixeira, 2002)

2.5.2.1. PDD

A Percentagem de Dose em Profundidade (Percentage depth dose - PDD) pode

definir-se como a razo percentual entre a dose a determinada profundidade ,

dentro do meio, e a dose mxima (profundidade de equilbrio electrnico) e pode

ser escrita como:

Figura 2.8: Geometria para definio de PDD (Podgorsak, 2005)

onde a profundidade no fantoma/paciente, a dimenso de campo, a SSD e a

energia do feixe, factores de que depende a PDD, a dose no ponto e a dose

mxima. A figura 2.7 representa a geometria para a definio de PDD. O ponto Q um

ponto arbitrrio profundidade e o ponto o ponto de referncia onde a dose

mxima ( .

23

2.5.2.2. Perfil

Para alm da caracterizao da deposio da dose ao longo do eixo central, como

descrito anteriormente para os PDDs, importante verificar como se distribui a dose fora

desse eixo. O Perfil uma representao grfica da distribuio da dose em funo da

distncia ao eixo central do feixe, medida perpendicularmente ao eixo, a uma dada

profundidade. Evidenciam-se trs zonas distintas num perfil: a regio central, a penumbra

e a cauda. A regio central representa a poro central do perfil e afectada pela energia

com que os electres colidem com o alvo, pelo nmero atmico do alvo e forma e nmero

atmico do filtro flatenning. A penumbra depende dos colimadores que definem o feixe, da

dimenso da fonte e do desequilbrio electrnico lateral. A cauda a regio onde a dose

geralmente muito baixa e resulta essencialmente da radiao transmitida atravs do

colimador. (Podgorsak, 2005) Normalmente a dimenso de campo definida num perfil

como a distncia entre pontos com intensidade de 50%. (Smith, 2000)

Figura 2.9: Perfil de Campo, formao da Penumbra (P) e dimenso de campo. Adaptado: (Smith, 2000)

A consistncia de um perfil uma importante caracterstica para a preciso e

reprodutibilidade da dose depositada em radioterapia, podendo avaliar a

uniformidade/qualidade de um feixe atravs das suas caractersticas. Os parmetros

utilizados na avaliao da consistncia de um perfil so a simetria, a homogeneidade

(flatness) e a penumbra. Existem diversas definies e protocolos de avaliao destes

parmetros, segundo as referncias internacionais mas tambm segundo as marcas dos

aceleradores.

24

2.5.2.3. Homogeneidade e Simetria

A homogeneidade (H) avalia se existem flutuaes na regio central do perfil e

definida com base nos pontos de dose mxima (Dmax) e mnimas (Dmin) existentes na regio

central, representada por 80% da largura do perfil:

O valor de H deve ser inferior a 3% quando medido num fantoma de gua, a SSD de 100cm

e a 10 cm profundidade, para a maior dimenso de campo disponvel, normalmente 40x40

cm2. (Podgorsak, 2005)

A simetria (S) usualmente determinada a uma profundidade mxima e verifica se

num perfil os valores da dose de dois pontos equidistantes do eixo central no diferem

mais que 2%.(Podgorsak, 2005)

Uma definio equivalente para a simetria o desvio entre a dose medida do lado

esquerdo e a dose medida do lado direito de num perfil, obtida a 80% da FWHM. (Nath,

et al., 1994)

25

3. CAPTULO III

3. Sistemas Dosimtricos

As radiaes ionizantes por si s no podem ser medidas directamente. A deteco

da radiao realizada pelo resultado produzido da interaco da radiao com um meio

sensvel (detector). Dosimetria das radiaes ou simplesmente dosimetria refere-se

medio da dose absorvida ou taxa de dose resultante da interaco da radiao ionizante

com a matria. Refere-se determinao atravs de medidas ou clculos de quantidades

radiologicamente relevantes como exposio, kerma, fluncia, dose absorvida. Estas

medies so efectuadas com equipamentos dosimtricos calibrados de acordo com

protocolos estabelecidos internacionalmente, por exemplo pela Internacional Agency of

Atomic Energy - IAEA. Os instrumentos de medida so denominados dosmetros e so

constitudos por um elemento ou material sensvel radiao e um sistema que

transforma esses efeitos num valor relacionado com uma grandeza de medio dessa

radiao. A leitura efectuada uma medida da dose absorvida depositada no seu volume

sensvel pela radiao ionizante. Esto normalmente associados a um sistema de leitura,

sendo o conjunto designado sistema dosimtrico.

Uma vez que em radioterapia necessrio determinar, da forma mais exacta

possvel, a dose absorvida na gua, e a sua distribuio espacial, assim como calcular a

dose num volume/rgo de interesse do paciente, necessrio que o sistema de

dosimetria possua caractersticas como grande exactido, preciso, linearidade,

dependncia com a dose e a taxa de dose, dependncia energtica, dependncia

direccional e resoluo espacial. (Podgorsak, 2005)

So vrios os tipos de dosmetros utilizados em radioterapia, de materiais e formas

diferentes, entre eles, as cmaras de ionizao, arrays de detectores, dodos, dosmetros

termoluminescentes (TDLs), dosmetros estado-slido (detector diamante), dosmetros

qumicos, pelculas fotogrficas e a seleco do tipo de dosmetro deve ter em conta as

suas caractersticas especficas (resoluo) e as medies que se pretendem efectuar,

26

avaliando o tipo de aplicao, o tamanho de campo e o tempo necessrio para concluir a

recolha de dados. (Das, et al., 2008)

3.1. Ionometria

Ao logo do percurso de interaco de uma partcula carregada com um gs

ocorrem processos de ionizao e excitao das molculas que constituem esse gs.

Quando no aplicado nenhum campo elctrico a esse gs, os ies criados vo-se

recombinar, produzindo mais uma vez espcies neutras. No entanto, na presena de um

campo elctrico, os ies positivos e electres livres produzidos comeam a movimentar-se

em direco zona onde o potencial oposto sua carga. Na presena de um nodo e de

um ctodo, os ies positivos so atrados para o ctodo e os electres para o nodo,

produzindo-se assim corrente. neste processo de coleco de cargas que se baseiam os

detectores gasosos de radiao. medida que o potencial elctrico aumentado, o nmero

de pares de ies produzidos aumenta, permitindo distinguir diferentes tipos de resposta

(Figura 3.1) e, desta forma, definem-se regies de funcionamento de diferentes tipos de

detectores gasosos: cmaras de ionizao, contadores proporcionais e tubos de Geiger-

Mller.

Figura 3.1: Relao entre a tenso aplicada e a carga produzida num detector gasoso. Diferentes

regies de operao. Adaptado: (Podgorsak, 2005)

As cmaras de ionizao operam na segunda regio, onde a carga elctrica

permanece constante apesar do potencial elctrico continuar

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