ESTUDO DOSIMTRICO DE BRAQUITERAPIA DA PRSTATA UTILIZANDO TCNICAS DE MONTE-CARLO, MEDIDAS

EXPERIMENTAIS, E COMPARAO COM UM PROCEDIMENTO DE PLANO DE TRATAMENTO

Pedro Teles1, Slvia Barros1, Simone Cardoso2, Alessandro Facure3, Luiz da

Rosa4, Mara Santos4, Pedro Paulo Pereira Jr.5, Isabel Gonalves1, Pedro Vaz1,

Maria Zankl6

1 IST/ITN, Estrada Nacional 10, 2686-953 Sacavm, Portugal2 Universidade Federal do Rio de Janeiro, Av. Pedro Calmon, 550, Rio de Janeiro,21941-901, Brazil3 Comisso Nacional de Energia Nuclear, Rua Gal Severiano, 90, Rio de Janeiro, 22290-901, Brazil4 Instituto de Radioproteo e Dosimetria, Av. Salvador Allende, Rio de Janeiro, 22780-160, Brazil

5 Dosimtrika, Avenida Olegrio Maciel, 231, Rio de Janeiro, 22621-200, Brazil6 Helmholtz Zentrum Mnchen, Ingolstdter Landstrae 1, 85764 Neuherberg, Germany

IRPA Brasil, 18 de Abril de 2013 Rio de Janeiro, Brasil

Resumo da apresentao

Introduo Braquiterapia da prstata

Parmetros que influenciam a dose absorvida na prstata embraquiterapia.

Medies com um fantma fisico

Implementao no programa de Monte-Carlo (MCNPX/MCNP)

Simulaes Resultados com o fantoma Golem

Comparao com um plano de tratamento real

Braquiterapia da prstata Implantao de pequenas sementes (~5x0,10mm na

prstata em torno do tumor contendo, p. ex.:

241Am, 125I, 103Pd

Implantes permanentes: sementes de 125I Amersham Health 6711

Cpsulas de titnio

O Iodo encontra-se adsorvido superfcie de um radiomarcador de ouro ou prata que se encontra dentro das cpsulas de titnio

Baixas energias: energia mxima de 35.5 keV

Image taken from

21stcenturyoncology.com

Motivao Existem vrios parmetros num tratamento de braquiterapia de prstata que

influenciam o valor da dose absorvida total assim como localmente. A variao do volume da prstata devido ao edema causado pela insero das fontes

O efeito inter-sementes

A migrao das sementes ao longo do tratamento

Os padres de sementes utilizados

Em planos de tratamento de braquiterapia de prstata, tipicamente, alguns destesparmetros no so contabilizados adequadamente.

As simulaes de Monte Carlo (MC) providenciam uma ferramenta eficaz, segura e capaz de fazer estimativas apropriadas de doses absorvidas em tratamentos de braquiterapia de prstata

Este trabalho teve como objectivo realizar um estudo dosimtrico das incertezasassociadas aos parmetros referidos acima, em planos de tratamento, utilizandomtodos de Monte Carlo, medidas experimentais e um fantma de voxel de referncia.

No foi dado destaque a aspectos clnicos , nomeadamente a nvel do tipo de tratamento adequado para um determinado tumor, o mbito deste trabalho foisobretudo na componente dosimtrica,

Nmero tpico de sementes Tipicamente utilizam-se 60 a 120 sementes, dependendo do

tamanho da prstata

Padro de distribuio das sementes o espaamentotpico entre as sementes de ~0,5 cm Insero uniforme

Distribuda uniformemente em vrios planos, ao longo do eixo vertical da prstata.

Insero perifrica

Diferentes camadas dispostas de forma circular em redor do tumor.

Dosimetria das sementes: AAPM TG 43 define o formalismo da dosimetria de

sementes de braquiterapia

Braquiterapia da prstata

Alguns parmetros que influenciam a variao de dose na prstata:

O efeito inter-sementes

Difcil de estudar do ponto de vista de primeiros princpios. Inclui atenuao inter-

sementes, auto-absoro, disperso inter-sementes, entre outros.

O volume da prstata.

Devido ao edema provocado na prstata aquando da insero das sementes, o

volume da prstata pode aumentar de 40 a 50%. O aumento de volume provoca

uma diminuio da dose absorvida total

Simplificao das sementes a sementes puntiformes (recorrente em softwares de

planos de tratamento)

Em planos de tratamento, recorrente simplificar as sementes a fontes puntiformes.

Esta simplificao leva a quantificaes errneas da dose absorvida total. .

Braquiterapia da prstata

Quantificao destes efeitos??? Mtodos de MC

Medies com um fantma fsico desenvolvido

no IRD (Brasil)

Validao do mtodo de MC utilizando o cdigo

MCNP/X (IRD, UFRJ, CTN)

Utilizao do fantma voxel GOLEM (CTN,

HZM)

Estudo dos diversos parmetros

Comparao com um plano de tratamento num

hospital do Rio de Janeiro (Dosimetrika, IRD,

CTN)

Metodologia do trabalho

Medidas experimentais (IRD, UFRJ) As medidas serviram para validar o modelo computacional Fantma de prstata geomtrico

Placas quadradas de RW3: 0,5 cm espessura e 7 cm de lado. 14 destas placas

emplilhadas formam um fantma cbico.

As placas contm orifcios circulares distando uns dos outros de 0,5 cm, a distncia

tpica utilizada em planos de braquiterapia

Nestes orifcios foram colocados dosmetros termoluminescentes (Harshaw TLD-

100) e sementes para medir doses absorvidas em torno destas.

RW3 square slab 14 slabs piled up

Simulaes MC (CTN, IRD, HZM) Cdigos utilizados

MCNP5

MCNPX 2.7

Valores por defeito para o transporte de p, e.

Bibliotecas para seces eficazes: ENDF/B-VI

O fantma de voxel GOLEM Fantma tipo de uso comercial com as mesmas dimenses do

reference phantom ICRP

Segmentado em 121 rgos ou tecidos

Resoluo de 0,208 cm 0,208 cm 0,8 cm

Nmero de histrias: 6x107 (erros estatsticos inferiores a 1)

PROCESSO DE VALIDAO DA TCNICA Determinao da dose nas posies das medidas experimentais

Simulao do mesmo setup experimental utilizando MC

Simulao do mesmo setup dentro da prstata do fantma GOLEM

Comparao dos resultados

MCNP5 simulated experimental setup

GOLEMs prostate

Experimental setup

Simulaes MC (CTN, IRD, HZM)

Validao_______

VALORES EXPERIMENTAIS

SIMULAES(fantma cbico)

SIMULAES (GOLEM)

RAZO

PosioDose (Gy)

incerteza (%)

Dose (Gy)

incerteza (%)

Dose (Gy)

incerteza (%)

EXP/Simulao

fantma cbico

EXP/ simulao fantma GOLEM

1 1.186 3.32% 1.299 3.83% 1.274 2.08% 0.91 0.93

3 1.165 4.66% 1.325 3.81% 1.266 2.09% 0.88 0.92

6 1.207 3.66% 1.191 4.01% 1.281 2.08% 1.01 0.94

8 1.245 4.94% 1.242 3.94% 1.263 2.09% 1.00 0.98

Simulaes com o GOLEM___ Variao da dose com:

Edema da prstata:

Simulaes variando o volume da prstata

Descrio geomtrica da fonte

Simulaes utilizando fontes puntiformes vs fontes

detalhadamente descritas

Efeito inter-semente

Anlise qualitativa do campo de doses absorvidas com o

aumento da distncia entre as sementes

Distribuio/Padro das sementes

Insero uniforme vs. insero perifrica

Variao do volume da prstata Inventamos um tratamento hipottico

65 sementes implantadas na prstata do GOLEM num padro

homogneo

O volume da prstata foi efectuado variando o volume de cada um

dos voxels do GOLEM

Negativo : todas as dimenses do fantoma variam de igual forma

Positivo: O clculo de dose efectua-se apenas na prstata e

tecidos circundantes, sendo que o efeito acima negligencivel

A distncia entre as sementes no foi modificada

Volumes estudados: 30.02 cm3, 35.00 cm3, 40.00 cm3, 45.00 cm3 and 52.10 cm3

Utilizamos uma descrio detalhada da semente (vs fontespuntiformes)

Volume (cm3) Dose absorvida/semente(Gy/seed) Dose absorvida total(Gy)

30.02 1.93 125.5835.00 1.79 116.2140.00 1.65 107.5445.00 1.53 99.7052.10 1.39 90.30

A dose absorvida total na prstata diminiu com o aumento do seu volume.

O inchao da prstata temporrio. Consideramos para efeitos de clculo de dose uma

simplificao: que o volume inicial de 30,02, este passa para 52,10 durante duas

semanas, passando para o volume normal aps esse perodo

Assumindo que 30.02 cm3 o volume inicial e 52.10 cm3 o volume aps inchao e que 125,58

a dose prescrita no nosso tratamento hipottico (i.e. no considerando o inchao)

O inchao da prstata ( que dura ~ 2 semanas) leva a uma dose absorvida de 120,28 Gy, ~4%

inferior ao valor prescrito

Variao do volume da prstata

Distribuio das sementes______ Mais um tratamento hipottico

65 sementes dentro da prstata do GOLEM em:

Padro uniforme

Padro perifrico

Volumes estudados: 52,10 cm3, 45,00 cm3, 40,00 cm3, 35,00 cm3 e 30,02 cm3

Descrio detalhada das sementes

Distribuio das sementes na prstata do GOLEM

GOLEMs prostate: axial view

GOLEMs prostate: coronal view

Pe

rifric

olo

ad

ing

Un

ifo

rme

Distribuio das sementes______

Distribuio das sementes e variao do volume da prstata

Volume (cm3) PadroDose absorvida

/semente(Gy/seed)Dose absorvida

total(Gy)

30,02uniforme 1.93 125.58

perifrico 1.92 124.62

35,00uniforme 1.79 116.21

perifrico 1.77 114.96

40,00uniforme 1.65 107.54

perifrico 1.64 106.73

45,00uniforme 1.53 99.70

perifrico 1.53 99.57

52,10uniforme 1.39 90.30

perifrico 1.35 89.33

Utilizando o arranjo uniforme das sementes, a prstata recebe uma

dose absorvida total ligeiramente superior (~1%) ao que receberia

utilizando um arranjo perifrico

Para ambos os arranjos o aumento do volume da prstata leva a

uma diminuio drstica da dose absorvida total.

Distribuio/Padro das sementes

Distribuio da dose absorvida na prstata do GOLEMUniform loading Peripheral

loading

Dose distribution in uniform loading. dose is highest

in the center of

the prostate;

. decreases

towards the

organ boundary.

Dose distribution in

peripheral loading

. very high doses

around the

seeds;

. considerably

lower doses in

the rest of the

organ.

Espaamento entre sementes__ Simulao de apenas uma camada de sementes

14 sementes implantadas no GOLEM (ao longo do eixo vertical)

14 o nmero de sementes na camada de um arranjo

uniforme de sementes.

14 permitem estudar o efeito do espaamento entre as

sementes a 2D.

Insero uniforme

Volume da prstata: 52,10 cm3

Espaamentos utilizados: 0,25 cm, 0,50 cm and 0,70 cm

Descrio detalhada das sementes

Variao do espaamento entre as sementes na prstata do GOLEM

GOLEMs prostate: axial view

GOLEMs prostate: coronal view

Da esquerda para a direita: espaamento de 0,25 cm, 0,50 cm, 0,70 cm

Espaamento entre sementes__

Espaamento entre sementes, efeitos

Espaamento(cm)Dose absorvida por semente

(Gy/semente)Dose absorvida total(Gy)

0.25 1.555 21.7680.50 1.551 21.7160.70 1.463 20.482

O espaamento entre sementes na prstata claramente influencia a

dose absorvida na prstata (uma variao de espaamento de 0,25

cm a 0,70 cm provoca um decrscimo da dose de 5.93%)

Do ponto de vista de um tratamento real, devido ao inchao da

prstata aps implante, o espaamento entre as sementes aumenta,

provocando um decrscimo ainda maior da dose do que aquele

esperado pelo simples aumento do volume

Efeito inter-sementes

O efeito inter-sementes um efeito complexo e difcil de

contabilizar. Nesse sentido, tentamos encontrar um mtodo

qualitativo de observar este efeito variar o nmero de sementes

mantendo exactamente os mesmos parmetros:

Fizemos uma comparao entre nmeros de sementes diferentes

14 ou 65 sementes

Insero uniforme das sementes

Volume da prstata : 52.10 cm3

Descrio da semente: detalhado

Efeito inter-sementesEfeito da utilizao de um nmero inferior de sementes

O aumento de sementes em 51 reduz a dose absorvida por

semente em ~30%

Isto uma clara demonstrao do efeito inter-sementes, apesar de

ser um resultado meramente qualitativo.

Nmero de sementes

Dose absorvida porsemente(Gy/seed)

14 1.93

65 1.39

Simulao de um plano de tratamento real

O tratamento deixa de ser hipottico (simulamos o tratamento realizado num paciente num Hospital do Rio)

84 sementes

Insero Uniforme

Para estudar o efeito do inchao utilizamos os seguintes volumes:

57.02 cm3 (que corresponde a um inchao de 50%), 38.01 cm3 (que

o volume da prstata do paciente) NB:o plano de tratamento no

leva em considerao o inchao da prstata.

Descrio das sementes

Puntiformes (como assumido no plano de tratamento)

Descrio detalhada da semente

plano de tratamento real Dose prescrita: 144 Gy Posio das sementes

Eixo vertical: (0 to 11)

Eixo horizontal: (A to L)

A cada posio na matriz (x,y) o

nmero de sementes

implantadas ao longo de z

aparece

A distncia entre as sementes

em cada uma das trs

dimenses de 0,5 cm

Posio das sementes exatamente igual ao utilizadono plano de tratamento

GOLEMs prostate: axial view GOLEMs prostate: coronal view

Nos clculos de dose o efeito do inchao de duas semanas foi considerado

Volume original: 38.01cm3

Volume aps inchao: 57.02 cm3

(considerando que o inchao se d de forma imediata assim como o desinhao)

Simulao plano de tratamento real

Simulao plano de tratamento real

Volume (cm3) Descrio Gy/seed Gy total Comparao

38.01Detailed seeds 1.32 110.96

10.75 %Point sources 1.48 124.33

57.02Detailed seeds 1.07 89.77

11.78 %Point sources 1.21 101.75

A dose total na prstata utilizando sementes puntiformes 10.75% - 12.57% superior do

que considerando uma descrio detalhada das fontes.

Considerando o inchao os resultados so 14% inferiores do que no considerando o

inchao

A dose total absorvida considerando o inchao, e sementes puntiformens de 120.94 Gy,

i.e., 16% ao valor prescrito utilizando o software de plano de tratamento (144 Gy)

A dose total absorvida considerando o inchao, e sementes puntiformens de 107.77 Gy,

i.e., 25% ao valor prescrito utilizando o software de plano de tratamento (144 Gy)

Concluses

Resultados finais: Quantificao dosimtrica da variao do volume: variao do volume de 30,02 a 52,10 cm3 leva a

uma reduo na dose absrovida total de 28%

Quantificao dosimtrica da distribuio das sementes: a diferena nautilizao de um arranjo perifrico ou uniforme leva a variaes de em tornode 1% na dose absorvida total

Quantificao dosimtrica do espaamento entre sementes: a dose total absorvida na prstata 6% inferior quando o espaamento a 2D entre as sementes varia de 0.45 cm

Comparao com um plano de tratamento real: Assumindo as mesmas condies/parmetros desvio de ~14% entre a

dose prescrita computacionalmente e a dose prescrita pelo software

Assumindo um inchao de duas semanas e uma descrio detalhada das fontes a dose absorvida total 25% inferior dose prescrita pelosoftware

Nota Bene: A variabilidade anatmica deve ser considerada como um factor determinante e que no foi aqui abordado, pois utilizamos um fantoma genricoGOLEM, com dimenses mdias. O ideal seria a utilizao de um fantma de voxeldo prprio paciente plano de tratamento utilizando tcnicas de Monte-Carlo???

Obrigado!