ES2940534A1 - Metodo para la planificacion de tratamiento de radioterapia - Google Patents

Abstract

Método basado en la imagen clínica multidimensional para la planificación de tratamientos de radioterapia, mediante la combinación booleana de las proyecciones de los volúmenes de interés estáticos (3D) o en movimiento (4D), que comprende las etapas de obtener imágenes radiológicas de un paciente; identificar las regiones de interés en las imágenes; determinar el movimiento de la lesión, obteniendo un punto de la lesión tumoral en un solo corte anatómico, que representa una fase cualquiera de la respiración, generando el volumen correspondiente a lo largo de las distintas fases de respiración, propagando la posición de la lesión, definiendo completamente el movimiento en todas las fases y generando reconstrucciones intermedias entre fases del ciclo respiratorio a través de registro deformable; parametrizando el movimiento de la lesión, y planificando la estrategia de radioterapia para la sincronización de parámetros geométricos de la fuente de radiación, teniendo en cuenta el movimiento predicho.

Description

MÉTODO PARA LA PLANIFICACIÓN DE TRATAMIENTO DE RADIOTERAPIA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un método para la planificación de tratamiento de radioterapia 3D y 4D y su posterior verificación experimental previa al tratamiento.

El objeto de la invención es un método que permite la planificación de tratamientos de radioterapia mediante la predicción del posible movimiento de las lesiones internas a tratar, reduciendo así las zonas infradosificadas y sobredosificadas y proporcionando los parámetros necesarios para la verificación experimental precisa tanto en imágenes estáticas (3D) como en movimiento (4D) previa a la irradiación del paciente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La radiocirugía craneal estereotáxica se ha utilizado con éxito durante años para el tratamiento de lesiones intracraneales, ya que puede entregar con precisión una dosis alta al tumor, manteniendo valores suficientemente bajos en los órganos de riesgo y tejido sano comprometidos con la irradiación. Los buenos resultados han llevado al desarrollo de la estereotáxia para lesiones extracraneales, acuñándose el término de SBRT (Stereotactic Body Radiation Therapy).

La administración de alta dosis en SBRT exige procedimientos y herramientas estrictas para garantizar que la precisión se logre para cada tratamiento y cada fracción. El paso para iniciar un programa de SBRT clínica implica determinar los requerimientos para el posicionamiento del paciente, la administración del tratamiento, y la verificación de la administración de la dosis de radiación. Este escenario es especialmente complejo en el caso de lesiones que se encuentran en movimiento durante la irradiación, fundamentalmente debido a la respiración del paciente, como es claro en el tratamiento del cáncer de pulmón, por ejemplo.

En los centros más avanzados es ya habitual el uso de 4D-CT durante las diferentes fases respiratorias, para generar una imagen reconstruida en el tiempo, de acuerdo con las diferentes fases de la mecánica ventilatoria. Además, las técnicas de compresión abdominal pueden incluirse también aquí para reducir el área de tratamiento en tejido sano de manera más eficaz y ayudar a una posible parametrización del movimiento.

La información que proporciona la imagen 4D puede ser utilizada en los algoritmos de planificación de la dosis. Estos generan aberturas de los sistemas de colimación, como el MLC (multileaf collmimator) para la aplicación la de intensidad modulada, capaces de administrar mapas de fluencia previamente generados a partir de una planificación inversa lastrada por un cálculo matemático respecto a una imagen estática en cada cálculo, aun considerando los desplazamientos.

Los mapas de fluencia son generados a partir de una información global respecto al problema a que se enfrenta cada incidencia, por lo que, si algo se mueve, el cálculo tiene que ser realizado de nuevo, lo que retrasa los tratamientos y dificulta una radioterapia adaptativa.

Los algoritmos que generan aberturas del MLC basados en la anatomía, en cambio, pueden abordar el problema de forma más realista, relacionando cada segmento de colimación en la planificación con proyecciones de los volúmenes de interés y, por lo tanto, de manera más eficiente con las posibles modificaciones de esas proyecciones en el tiempo.

El informe de recomendaciones americano establece que los algoritmos de cálculo que representan con precisión el transporte de fotones y electrones, tal como se podría realizar con el método Monte Carlo, serían ideales por las circunstancias involucradas en SBRT, donde es recurrente una lesión pequeña rodeado en su totalidad por un medio de baja densidad, o en su defecto diferente.

Para estas consideraciones asociadas a las dificultades que presenta la SBRT, la única vía fiable es el cálculo Monte Carlo en su versión más potente (Full Monte Carlo- fMC) donde se simula el transporte de las partículas del haz a lo largo del acelerador y en el paciente.

El método Monte Carlo se trata de un método de análisis preventivo en casos en donde la experimentación es poco posible, proporcionando soluciones teóricas a problemas matemáticos complejos tras realizar un muestreo de números aleatorios para muestrear las funciones de distribución de probabilidad que gobiernan el fenómeno físico.

Con el fin de implementar la aplicación de SBRT basada en la imagen 4D, es necesario abordar las incertidumbres específicas que deben ser resueltas antes de la implementación clínica, ya que pueden modificar los resultados esperados. Con objeto de cubrir estas incertidumbres, la radioterapia actual exige el desarrollo de planificaciones robustas que arrojen soluciones válidas dentro de un error asumido.

En la actualidad se discute sobre la posibilidad de establecer una alternativa a los escenarios que heredaron los planteamientos de técnicas quirúrgicas, a través de un sistema de optimización robusto que tenga en cuenta los factores de incertidumbre, dentro del nuevo contexto más flexible y adaptativo de planificación.

El proceso de segmentación de la imagen para la delimitación de la enfermedad es un factor para tener en cuenta en el manejo de las incertidumbres, por lo que el uso de algoritmos automáticos o semiautomáticos juega un papel relevante de cara a la reproducibilidad del proceso, que permitirá una planificación directa con la imagen procesada.

Las técnicas de imagen guiada durante el tratamiento (IGRT), como el gatting o tracking, son métodos apropiados para controlar los posibles cambios en la imagen de tratamiento, así como otras técnicas que no requieren marcas fiduciarias, resultando en procedimientos menos invasivos sobre el paciente. Sistemas de compresión para reducir el movimiento de la lesión en direcciones determinadas, también pueden ayudar a controlar en cierta medida estos desplazamientos durante la irradiación.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un método implementado por ordenador para la planificación de tratamiento de radioterapia, preferiblemente de tipo SBRT (Stereotactic Body Radiation Therapy), mediante la predicción del movimiento de lesiones para su sincronización con el haz de irradiación. El método hace uso de la combinación de proyecciones de volúmenes de interés, órganos de riesgo y dianas, en imágenes que representan un volumen estático 3D o en movimiento 4D.

El método comprende una etapa de obtención de imágenes radiológicas de un paciente, en las que se encuentra la lesión a tratar. Preferiblemente, se obtienen y procesan imágenes con información en 4D, en las tres dimensiones del espacio y en el tiempo. Preferentemente, dichas imágenes pueden proceder de un dispositivo de adquisición de imagen clínica 3D o 4D realizado al paciente con anterioridad, con el fin de detectar de manera automática o semiautomática una lesión.

A continuación, se identifica la lesión, procesando las imágenes mediante técnicas tipo ventana radiológica y técnicas de segmentación aplicadas sobre la información 4D.

Seguidamente, se genera un volumen de interés que representa la lesión en su contexto en la imagen a lo largo de las distintas fases de respiración, donde un conjunto de imágenes 2D representan un volumen estático 3D en una fase de respiración, registrando parámetros asociados a la geometría del volumen y también de su desplazamiento. Para ello, es necesario obtener la intervención externa, preferiblemente, por parte de un especialista para la selección de un punto de la lesión en un solo corte anatómico e instante de tiempo registrado, esto es, en una imagen que representa una fase cualquiera de la respiración. Dicha selección se propaga en todas las imágenes de la lesión, es decir, en varios cortes anatómicos, generando un volumen estático 3D, y, en el caso de que haya movimiento, en varios tiempos, generando una representación 4D, permitiendo la determinación en cada instante de la posición de la lesión, y, por tanto, del volumen generado.

En caso de imágenes con movimiento, la propagación de la posición de la lesión en la imagen 4D, se lleva a cabo mediante la determinación de una posición inicial del centroide del volumen generado, correspondiente a una fase, y una segunda posición del centroide de la lesión en una fase contigua, se determina mediante análisis 3D del rango de grises existente en todas las imágenes y de criterios geométricos de distancia relativa y/o pertenencia a la proyección del volumen de la primera fase en dicha segunda fase. Se repite este proceso tantas veces como sea necesario en imágenes de fases sucesivas en el tiempo para definir completamente el movimiento de la lesión a lo largo de un ciclo respiratorio del paciente.

Una vez definida la posición del centroide de la lesión en cada instante, se realiza una predicción del movimiento de la lesión y su volumen en posiciones entre las fases adquiridas a través de registro deformable.

En ambos casos (estático y en movimiento), a continuación, se planifica la estrategia de planificación radioterápica, mediante una planificación directa, usando un optimizador de secuencia para determinar una secuencia óptima de aberturas de unas láminas de un colimador multilámina de un sistema de irradiación externa, el ajuste de velocidad de rotación de una cabeza de dicho sistema, y de su angulación relativa a un campo de irradiación, a través de una combinación booleana de matrices correspondientes a proyecciones en el plano ortogonal a la línea que une una fuente del sistema de irradiación externa al isocentro o centro de rotación de la cabeza, según esa angulación y la geometría de cada abertura, de los volúmenes de interés definidos en la imagen 3D o 4D del paciente. En el caso de imágenes 4D, esta etapa se realiza determinando el movimiento de un sistema de irradiación externa, ajustando el ángulo de incidencia de la cabeza de un acelerador o gantry, las posiciones de las láminas del sistema de colimación y sus velocidades relativas a la velocidad de giro alrededor del paciente, teniendo en cuenta el movimiento de la lesión predicho.

E uso del optimizador de secuencia, permite encontrar los parámetros geométricos óptimos para la entrega de la dosis, evitando el inconveniente de quedarse sin campo de visión, perdiendo el enfoque de la lesión, para lo cual es necesaria la generación de aberturas de un colimador multilámina en un orden específico para la administración de la dosis en cada instante a la fase más adecuada a lo largo del tiempo de giro y completar así la dosis prescrita, preferiblemente por un médico especialista.

Teniendo en cuenta los rangos de velocidad de gantry y aberturas del colimador multilámina, hay un conjunto virtualmente infinito de posibles secuencias de irradiación. El optimizador de secuencia analiza el espacio de resultados de ese conjunto y elije la mejor secuencia de aberturas que es solución de acuerdo con los requisitos del usuario.

Seguidamente se calcula la dosis correspondiente a cada abertura, preferiblemente a una tasa constante, atendiendo a un cálculo de tipo full Monte Carlo, que considera de forma más precisa la radiación dispersa debido al sistema de colimación que conforma la abertura. A partir de la tasa de dosis calculada, se encuentran las unidades de monitor para cada abertura, a través de un proceso de optimización basado en programación lineal, denominado optimizador de pesos, donde se atribuye una contribución relativa por cada abertura, siendo ésta la cantidad de unidades monitor correspondiente, hasta lograr, de manera iterativa, los valores de dosis requeridos en vóxeles específicos, según pertenezcan a la lesión o a un órgano de riesgo. Con esto se consigue modular la intensidad a lo largo de la irradiación y completar la dosis a la lesión, incidiendo lo menos posible en las regiones sanas circundantes.

Una vez definida de forma completa la estrategia de aplicación de radioterapia, se obtiene la distribución de la dosis relativa y se puede conocer la dosis absoluta en un lugar preciso a lo largo de la traza seguida por la lesión, en caso de que se analice un caso con movimiento, previamente calculada en las imágenes o en cualquier otra posición para su verificación de dosis a lo largo de cada sesión.

Finalmente, se puede verificar el tratamiento obteniendo una dosis experimental, irradiando la planificación, preferentemente sobre un maniquí antropomórfico, en cuyo interior un equipo de invención mueva un detector de dosis de radiación ionizante alojado en su eje capaz de reproducir el movimiento requerido para su evaluación a partir de las coordenadas del movimiento previamente registradas.

Para ello, se obtiene la dosis registrada por el detector a lo largo del movimiento y se compara con la calculada previamente con el método full Monte Carlo sobre la imagen 4D del maniquí en cada punto e instante de interés.

Si se determina, en su caso, que la dosis proporcionada no es adecuada, se proporciona la información obtenida como datos de retroalimentación al método descrito y se repite, según sea necesario, el proceso de optimización de secuencia, cálculo de dosis con Monte Carlo de las nuevas aberturas y optimización de pesos, obteniendo una distribución de dosis nueva correspondiente a nuevos valores de movimiento de la cabeza del acelerador, posiciones de las láminas del sistema de colimación y su angulación relativa al campo de irradiación, y la intensidad correspondiente.

Cuando la dosis medida con el equipo de invención coincida dentro de una tolerancia prevista con la dosis calculada a lo largo de la traza con el método desarrollado, se considera que el tratamiento puede ser llevado a cabo sobre el paciente con los recursos considerados según la planificación prevista.

Si el tratamiento fuese considerado de más de una sesión o fracción, el procedimiento puede ser aplicado tantas veces como se quiera, para su verificación previa a la irradiación sobre el paciente y/o para la adaptación eficiente de la planificación a una nueva información obtenida a partir de imagen guiada o nueva adquisición de escaneo del paciente a lo largo de las sesiones que conformen el tratamiento.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: Figura 1.- Muestra un diagrama de bloques de una realización preferente del método de planificación de tratamiento de radioterapia de la invención.

Figura 2.- Muestra un diagrama de una realización preferente de los pasos de la etapa para determinar el movimiento de la lesión del método de la invención.

Figura 3.- Muestra un diagrama de una realización preferente de los pasos de la etapa de planificar la estrategia de radioterapia del método de la invención mediante una planificación indirecta.

Figura 4.- Muestra un diagrama de una realización preferente de los pasos de la etapa de planificar la estrategia de radioterapia del método de la invención mediante una planificación directa.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La invención se refiere a un método para la planificación de un tratamiento de radioterapia que permite planificar, evaluar y verificar tratamientos complejos, incluso con lesión bajo movimiento, a través del uso de imágenes médicas morfológicas y funcionales 3D y/o 4D.

La Figura 1 muestra una representación del método para la planificación de tratamiento de radioterapia de la invención. El método de la invención está destinado, preferentemente, a permitir una correcta aplicación de un tratamiento de radioterapia SBRT (Stereotactic Body Radiation Therapy), Para ello, se realiza una predicción del movimiento de una lesión, principalmente debido a las fases respiratorias de un paciente, durante la aplicación del tratamiento de radioterapia. Una vez obtenida la predicción del movimiento de la lesión, ésta se simula por medio de un equipo para la detección de dosis aplicada en el interior de un maniquí, que es irradiado con la planificación calculada para una comparación teórica y experimental.

El método de la invención comprende, como se muestra en la Figura 1, una etapa de obtención de imágenes radiológicas (101) de un paciente en las que la lesión a tratar es identificable. Las imágenes proceden, en este caso de un estudio previo para el diagnóstico, del cual se obtienen imágenes 2D, 3D o 4D, en las tres dimensiones del espacio y en el tiempo, mediante un dispositivo de adquisición de imagen clínica, como puede ser un dispositivo de tomografía computarizada (CT), tomografía por emisión de positrones (PET), radiología digital dinámica (DDR), resonancia magnética (MRI), etc.

Seguidamente, se procesan las imágenes mediante técnicas tipo ventana radiológica o técnicas de segmentación, de modo que se puede identificar la lesión de forma automática (102).

Durante la etapa de obtención de imágenes radiológicas (101) también se pueden incluir los pasos de:

• cambiar los valores de gris en determinadas zonas de interés (por ejemplo, para eliminar la imagen de una mesa de CT);

• fusionar imágenes PET/CT, con selección del tamaño de malla;

• elegir la resolución y tamaño de malla para cualquier formato de imagen, eligiendo el método de interpolación a aplicar (lineal, vecinos cercanos, segmentos polinomiales (o spline en inglés), etc);

• aplicar filtros 2D y 3D (media, mediana, anisotrópico, específicos para la dosis calculada con el método full Monte Carlo, etc.);

• cargar estructuras (regiones de interés previamente delimitadas en otra plataforma), usando la GPU para aumentar la velocidad de visualización;

• visualizar estructuras 3D y 4D;

• realizar una combinación booleana de estructuras;

• editar o generar nuevas estructuras a través de un editor de máscaras, de forma manual o automática, usando diferentes algoritmos de segmentación (umbralización, reclutamiento regional (region growing en inglés), segmentación específica de imágenes PET, etc), pudiendo estar las nuevas estructuras en 2D, 3D o 4D;

• generar estructuras intermedias, que representan la lesión, para muestrear intervalos de tiempo más cortos entre estructuras definidas a partir de una imagen 4D, por medio de un registro deformable;

• crear archivos específicos para el cálculo de dosis Monte Carlo, que incluyen densidad física, materiales y estructuras existentes en cada vóxel.

Cuando se ha identificado la lesión, se genera (202) un volumen que representa dicha lesión. La generación de este volumen se lleva a cabo mediante un paso previo de selección (201) por parte de un especialista de un punto de la lesión tumoral en un solo corte anatómico, es decir, en una imagen 2D que representa una fase cualquiera de respiración.

La selección del especialista se propaga (203) automáticamente en todas las imágenes de la lesión, es decir, en varios cortes anatómicos y varios tiempos, agrupando varias imágenes 2D que representan un volumen estático 3D en cada fase de la respiración, permitiendo la determinación (103) en cada instante de la posición de la lesión, y, por tanto, del volumen generado.

Así, en el paso de editar o generar nuevas estructuras usando estructuras 4D, la generación se realiza de forma automática a partir de un punto inicial y de un algoritmo de segmentación basado en una técnica de reclutamiento regional. De este modo, en el caso de un dispositivo de tomografía computarizada (CT) en 4D con distintas imágenes del ciclo respiratorio, se generan (205) a la vez las estructuras para todas las fases del ciclo de forma automática.

La propagación (203) de la posición de la lesión se lleva a cabo mediante los pasos de:

- determinar una posición inicial del centroide del volumen que define la lesión en una primera imagen 3D correspondiente a una fase o instante de tiempo de la adquisición 4D,

- determinar una segunda posición del centroide del volumen que define la lesión en una segunda imagen 3D correspondiente a una fase o instante de tiempo subsiguiente, mediante un análisis de rango de grises y geometría espacio-temporal en dicha segunda imagen, basado en una técnica de reclutamiento regional adaptada a una versión 4D, y

- repetir el paso (204) anterior tantas veces como sea necesario en imágenes sucesivas para definir completamente el movimiento de la lesión en todas las fases de la respiración del paciente.

Cuando se ha definido la posición del centroide de la lesión en cada fase respiratoria, ya es posible planificar la estrategia de radioterapia (105), realizando una predicción (104) en la cual el movimiento de la lesión es el mismo que en las imágenes analizadas para cada fase respiratoria y en posiciones intermedias calculadas (205) a través de registro deformable según la traza de los centroides.

La planificación de la estrategia de radioterapia (105) comprende la determinación del movimiento de un sistema de irradiación externa, el ajuste de una cabeza de un acelerador, de las posiciones de las láminas del sistema de colimación y de su angulación relativa al campo de irradiación. La planificación, preferentemente, se hace para aplicar la técnica de seguimiento del colimador multilámina, a través de un algoritmo de optimización, denominado de secuencia, que optimiza la secuencia de aberturas del colimador multilámina de entre infinitas posibilidades, para su sincronización con los diferentes campos de visión que la cabeza del acelerador va teniendo de la lesión en movimiento, a través de una combinación booleana de matrices correspondientes a proyecciones en el plano ortogonal a la línea que une la fuente al isocentro o centro de rotación de la cabeza, según esa angulación y la geometría de cada abertura, al conformar los volúmenes de interés definidos en la imagen 3D o 4D del paciente. El algoritmo permite soluciones con tasa de dosis constante o variable, velocidad de giro constante o variable para resolver la sesión de tratamiento en un intervalo mayor o menor de tiempo con el compromiso de aportar una verificación experimental dentro de la tolerancia prevista de precisión de entrega de dosis.

Seguidamente se calcula la dosis (106) mediante un cálculo de tipo full Monte Carlo, en el cual se identifica la contribución de cada abertura en cada voxel de los volúmenes de interés, tanto por su irradiación directa como su irradiación dispersa, se ajustan las unidades de monitor para modular la intensidad.

En relación a la planificación de la estrategia de radioterapia (105) y el cálculo de la dosis (106) se puede hacer uso de dos modos de funcionamiento: la planificación inversa y directa.

La planificación inversa es la más usada, sin embargo, en el método de la invención permite tener en cuenta las interacciones de las partículas desde que parten de la fuente del acelerador, pasando por todos los modificadores del haz de éste, hasta llegar al paciente, de modo que, se adapta para realizar el cálculo de la dosis por medio de un método full Monte Carlo y para permitir la planificación de tratamientos de IMRT (radioterapia de intensidad modulada con fotones) y tratamientos de MERT (radioterapia de intensidad modulada con electrones).

En planificación inversa, se simula (301) la dosis que deposita en el paciente un conjunto de haces, y se calcula la dosis que deposita cada haz en un conjunto de vóxeles de la imagen del paciente. Según la dosis esperada (una dosis prescrita al tumor, respetando los límites de toxicidad de cada órgano sano), se obtendrá el peso (302) que debe darse a cada uno de esos haces para obtener la solución final mediante un proceso de optimización del valor de cada peso relativo de cada haz. Los valores de los pesos se representan (303) en un mapa de fluencias que habrá que segmentar y secuenciar (304) para obtener (305) el conjunto de aberturas geométricas (es decir, la posición en la que vamos a colocar los colimadores del acelerador) que van a dar una solución lo más parecida posible en dosis a la calculada previamente con los haces. En este punto, el cálculo full Monte Carlo es relevante para considerar con precisión la radiación dispersa en los sistemas de colimación.

La planificación directa, está basada exclusivamente en la imagen del paciente, y permite planificar tratamientos de IMRT; MERT y VMAT. En esta planificación, se seleccionan (402) los ángulos de incidencia deseados, y se aplica un algoritmo de intersección (403) rayo-vóxel, que recorre los vóxeles de cada una de las estructuras del paciente implicadas en el tratamiento en cada ángulo de incidencia, a partir de rayos virtuales simulados (401) procedentes de la fuente del acelerador. En este proceso se recoge toda la información existente (404) en cada uno de los vóxeles de las imágenes (morfológicas y/o funcionales) que pertenecen al paciente, tales como densidad, material que lo compone, estructura a la que pertenece, información sobre la captación de un determinado radiofármaco..., etc.

A continuación, utilizando la información morfológica y funcional recogida anteriormente de las estructuras diana y de los órganos de riesgo, se hacen diferentes combinaciones booleanas (405) de los mapas de proyección obtenidos. La segmentación (406) de estos mapas dará lugar a las aberturas geométricas de los modificadores del haz del acelerador que compondrán el tratamiento radioterápico.

Se generan diferentes tipos de segmentos, para tratar de dar la dosis esperada a los volúmenes diana tratando de salvar los órganos de riesgo. A diferencia de lo que ocurría en la planificación inversa, los segmentos generados son independientes entre sí. Así, para tener en cuenta el efecto en la dosis final de la intersección de los segmentos obtenidos, el algoritmo genera (407) un segundo conjunto de segmentos que considera este efecto, previendo posibles zonas se sobredosificación o infradosificación en los volúmenes diana. Este segundo conjunto de segmentos tratará como nuevas dianas los volúmenes "fríos” o potencialmente infradosificados, y como nuevos órganos de riesgo los volúmenes "calientes” o potencialmente sobredosificados. sNo se repiten las etapas de realizar combinaciones booleanas (405) de los mapas de proyección obtenidos seguida de la segmentación (406) de estos mapas, pero sí la generación (407) de un segundo conjunto de segmentos que considera este efecto, hasta alcanzar una densidad de intersecciones en las dianas.

En el caso de estar planificando un tratamiento de VMAT, es necesario asegurar la conectividad geométrica de los segmentos entre sí, ya que el acelerador irradiará de forma continua. Para este tipo de tratamientos se utiliza un optimizador de secuencia de aberturas que selecciona el mejor conjunto de aberturas del sistema de colimación, de forma que sea posible que el acelerador conforme esas geometrías en el orden, ángulo e instante adecuados, sin perder la cobertura de los volúmenes diana y protegiendo los órganos de riesgo.

Una vez establecidas las geometrías o segmentos a conformar con el sistema de colimación, se realiza el cálculo de la dosis (106) que deposita cada uno en cada vóxel de la imagen del paciente. Preferiblemente, se usa el método full Monte Carlo, realizando un seguimiento del transporte de las partículas a través de todos los componentes del acelerador para el cálculo de la dosis en los vóxeles que representan al paciente. Asimismo, se podrían utilizar otros algoritmos analíticos para el cálculo de la dosis.

A continuación, se lleva a cabo un proceso de optimización de pesos para alcanzar un conjunto óptimo de unidades monitor por cada abertura o segmento, de forma que se obtenga la dosis deseada en los volúmenes diana, sin sobrepasar los límites de toxicidad de los órganos de riesgo. Se aplican diferentes penalizaciones para poder restringir la dosis a cada vóxel implicado en el problema a través de una formulación del problema en programación lineal, donde se establecen tantas inecuaciones como condiciones de dosis a vóxeles sean impuestas , en la forma mayor que o menor que, según el voxel corresponda a una diana o a un órgano sano en riesgo.

Se han establecido diferentes formas de escoger los vóxeles (400) participantes en el problema matemático (de forma aleatoria, a partir de un umbral de dosis, o una combinación de ambas), lo que hace que la solución se obtenga de una forma más rápida, al no tener que utilizar el conjunto completo de vóxeles, pero igualmente eficaz. Seguidamente, se calcula un conjunto de pesos que cumpla con las condiciones impuestas, preferiblemente de forma iterativa hasta obtener los resultados de dosis esperados.

La planificación directa aprovecha la información morfo-funcional recabada en la imagen clínica desde el punto de vista del haz terapéutico, para diseñar volúmenes auxiliares que, junto con los típicos definidos por el especialista como diana y órgano de riesgo (OAR, del inglés organ at risk), logra considerar la participación de todas las incidencias al mismo tiempo, tal como hace la planificación inversa, pero sin necesidad de calcular previamente un mapa de fluencias para su segmentación. Se reducen así las etapas de optimización en la planificación radioterápica, y permite focalizar el proceso en la precisión del cálculo de la dosis, al tener en cuenta, mediante full Monte Cario, por ejemplo, la participación de la dosis dispersa debido a la interacción del haz con los sistemas de colimación del acelerador.

Finalmente, se realiza una optimización de los pesos asociados a cada abertura a través de un algoritmo de programación lineal diseñado para establecer, al nivel del vóxel, condiciones de dosis prescrita o de restricciones por toxicidad, imponiendo la dosis deseada a cada vóxel y no a los volúmenes generados, tal como se hace habitualmente en los sistemas comerciales.

Esta técnica de planificación permite una mejor solución para la radioterapia adaptativa, al estar directamente vinculada con la imagen y permitir cambios en la solución, desde sutiles a relevantes, según los cambios en la imagen registrados a lo largo de las sesiones del tratamiento, o cambios por movimiento interno de la lesión a tratar durante la irradiación.

Una vez definida de forma completa la estrategia de aplicación de radioterapia se calcula (108), en base al movimiento predicho de la lesión, el movimiento que se ha de transmitir a un detector de radiación ionizante con el fin de emular de forma precisa dicho movimiento o cualquier otro que pudiera ser de interés para la verificación de la dosis en su traza. Este movimiento puede realizarse mediante programación para placas de Arduino tipo Marlin o GRLB, para resolver lo que es un problema similar al funcionamiento de una impresora 3D.

Para el planificar la estrategia de radioterapia (105) y cálculo del movimiento (107) que se ha de transmitir, se calcula la velocidad de rotación de la cabeza del acelerador o gantry alrededor del paciente, qué aberturas tiene que hacer su MLC y en que ángulo de incidencia a lo largo de la rotación ha de hacerlas.

Como el tratamiento se ejecuta durante un intervalo de tiempo, se necesita un ordenamiento de posiciones de la cabeza del acelerador y posiciones de láminas del MLC, distribuidas a lo largo de la irradiación arcoterápica.

En el caso de la planificación directa de un caso con movimiento de la lesión a tratar durante la irradiación, se realiza un ordenamiento de aberturas. Se coordina velocidad de giro de la cabeza del acelerador y velocidad de movimiento de láminas con el movimiento de la lesión, para lo que se dispone de las múltiples posibilidades que permitirían acometer con una abertura específica descrita por el MLC en un ángulo determinado de la cabeza del acelerador, la proyección del volumen de la lesión, según cada fase del ciclo respiratorio, registrado en la imagen 4D adquirida.

El conjunto de soluciones es muy elevado, por lo que se establece un procedimiento de optimización de secuencia, imponiendo (408) una velocidad de la cabeza del acelerador constante, lo que generará menos errores en la entrega, y descartando (409) aquellas soluciones que serían mecánicamente imposibles para su coordinación con el movimiento de la lesión. Esto reduce el conjunto de soluciones, que se clasifican en recomendables y no recomendables en función del número de intersecciones de los haces en la diana y con cada uno de los órganos sanos dentro de unos sectores de arco.

Debido a la simetría del problema (movimiento rotatorio a una velocidad constante), el número de soluciones recursivas es igual al número de fases incluidas en los datos de adquisición, más las posibles interpolaciones que se realicen entre fases, a través de registro deformable, implementado en el paso de obtención de imágenes radiológicas (101).

Dicha optimización de secuencia proporciona las mejores secuencias posibles para una velocidad de la cabeza del acelerador, inicialmente lo más alta posible, ya que así se disminuye el tiempo de irradiación y se reducen posibles cambios en la cadencia respiratoria respecto a la registrada en la imagen 4D.

En esta etapa, el usuario podrá decidir entregar el tratamiento solo en un sector angular o en todo un arco y/o con un número mayor o menor de coincidencias entre haces y fases, según la precisión deseada, lo que restringirá, una vez más, el conjunto de soluciones.

A continuación, se introduce la optimización descrita, para tener en cuenta, por intersección rayo-voxel, el grado de recubrimiento visual en 3D y su homogeneidad, según el número de incidencia de los rayos previstos desde la abertura y que cruzan algún voxel del volumen diana, así como la posible presencia de estructuras sanas. Se proporcionan así un grupo reducido de soluciones de entre las cuales el usuario puede elegir, y que no requiere ningún cálculo de dosis previo.

Finalmente, se evalúa el tratamiento (109) de radioterapia al irradiar la planificación sobre un maniquí que aloja al detector de radiación ionizante, determinando la dosis justa de radiación ionizante recibida, a lo largo de la traza de la lesión o movimiento de interés que se quiera verificar.

Para dicha evaluación (109), se obtiene la dosis registrada por el detector de radiación ionizante y se compara con la dosis calculada en cada una de las posiciones de la traza seguida por el detector.

La evaluación puede usarse tanto en dosis calculadas a través del método de la invención, como dosis calculadas en otros planificadores (mediante importación de fichero RTDOSE en formato DICOM, u otros formatos). También es posible cargar imágenes correspondientes al escaneo de películas radiocrómicas para hacer verificaciones dosimétricas experimentales. Al cargar la dosis puede escogerse el tamaño de malla y la resolución (y el método de interpolación en el caso en el que sea necesario), y si se desea aplicar algún tipo de filtro 2D o 3D. En la imagen se puede escoger si visualizar en escala de grises los valores de dosis, o a través de líneas o áreas de isodosis, escogiendo un determinado valor de normalización.

La dosis puede representarse (107) sobre imágenes morfológicas o funcionales previamente cargadas, ya sean imágenes de pacientes o de maniquíes para verificación. En este caso, si se han cargado estructuras previamente, el modo evaluación permite la visualización y almacenamiento de histogramas dosis-volumen (para evaluar los tratamientos) o histogramas valor de calidad-volumen (para evaluar voxel a voxel tratamientos realizados con la técnica dose painting). Además, se puede obtener un informe con determinados valores y coeficientes numéricos que se utilizan habitualmente en la evaluación de los tratamientos.

Cargando dos cálculos o medidas de dosis, se puede realizar una comparativa (111) directa entre ellas. En el caso de que alguna de las dosis provenga de una medida experimental como la película radiocrómica, es posible aplicar un algoritmo de registro de información mutua rígido, para asegurar la coincidencia espacial de las dosis y poder realizar la comparativa de forma correcta. Esta comparativa puede realizarse en 2D o 3D, incluyendo las siguientes herramientas:

- Análisis del índice gamma local y global. Este índice mide las diferencias de dosis respecto a un valor determinado, dentro de un espacio establecido. La herramienta proporciona el porcentaje de valores que cumplen un determinado umbral del índice gamma.

- Matriz de diferencias. Se visualizan los valores absolutos de diferencia de dosis. - Comparativa de perfiles dosimétricos.

Si se determina que la dosis proporcionada por la planificación no es adecuada, se proporciona la información obtenida como datos de retroalimentación (110) al método para la planificación de tratamiento de radioterapia y se repiten los pasos de optimización de secuencia, cálculo de dosis y optimización de pesos, obteniendo un valor refinado de los valores de movimiento de la cabeza del acelerador, las posiciones de las láminas del sistema de colimación y su angulación relativa al campo de irradiación y la intensidad emitida.

También, se vuelve a calcular el movimiento que se ha de transmitir al detector de radiación ionizante, a partir de los valores refinados obtenidos con los datos de retroalimentación proporcionados por posibles imágenes actualizadas del paciente, a través de técnicas de IGRT o nuevos estudios realizados durante los días que dure el tratamiento completo. Para este fin, el método de la invención basado en abertura directa resulta muy eficiente, ya que, al requerir exclusivamente de las imágenes para proporcionar una solución, se está más cerca de la solución adaptada, siempre que los cambios en la imagen del paciente no supongan modificaciones geométricas importantes, que es lo habitual.

El paso de evaluar la aplicación de radioterapia puede repetirse todas las veces que sea necesario.

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. - Un método implementado por ordenador para la planificación de tratamientos de radioterapia externa, basado en el uso de imágenes clínicas multidimensionales, mediante la combinación de proyecciones de volúmenes de interés estáticos (3D) o en movimiento (4D), que comprende las etapas de:

- obtener imágenes radiológicas (101) de un paciente, en las que se encuentra una lesión a tratar, y en las que están definidos o se definen un uno o más órganos de riesgo y uno o más volúmenes diana;

- identificar la lesión (102) en las imágenes, mediante un procesamiento de las imágenes usando técnicas tipo ventana radiológica y/o técnicas de segmentación; y - planificar la estrategia de radioterapia (105), teniendo en cuenta el movimiento de la lesión predicho, mediante una planificación directa, que comprende un paso de optimización de secuencia, mediante la determinación de una secuencia óptima de aberturas de unas láminas de un colimador multilámina de un sistema de irradiación externa, el ajuste de velocidad de rotación de una cabeza de dicho sistema, y de su angulación relativa a un campo de irradiación, a través de una combinación booleana de matrices correspondientes a proyecciones en el plano ortogonal a la línea que une una fuente del sistema de irradiación externa al isocentro o centro de rotación de la cabeza, según esa angulación y la geometría de cada abertura, de los volúmenes de interés definidos en la imagen 3D o 4D del paciente.

2. - Método de acuerdo con la reivindicación 1, para volúmenes de interés en movimiento (4D) que además comprende las etapas de:

- determinar el movimiento de la lesión (103), que comprende los pasos de:

a) obtener (201) una selección externa de un punto de la lesión tumoral en un corte anatómico de una fase cualquiera de un ciclo respiratorio del paciente, representada en una imagen 2D;

b) generar (202) un volumen 3D que representa la lesión tumoral en una fase de respiración mediante un análisis del rango de grises y propiedades geométricas de distancia relativa y/o pertenencia a la proyección del volumen de la primera fase en dicha segunda fase;

c) propagar (203) la posición de la lesión, determinando una posición inicial del centroide del volumen 3D que representa la lesión tumoral en una primera fase respiratoria, y determinar una segunda posición del centroide de la lesión en una segunda fase contigua en el tiempo;

d) repetir (204) el paso c) tantas veces como sea necesario en fases sucesivas para definir completamente el movimiento de la lesión a lo largo del ciclo respiratorio del paciente, generando una representación 4D del movimiento de la lesión;

e) generar (205) reconstrucciones intermedias de la lesión entre fases del ciclo respiratorio a través de registro deformable para una descripción continua del movimiento de la lesión; y

- predecir el movimiento de la lesión (104), determinando que el movimiento será igual al descrito en las imágenes analizadas en las distintas fases de la respiración.

3. - Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, que además comprende una etapa para calcular la dosis (106) de radiación y modular la intensidad de cada haz de irradiación a través de un optimizador de pesos, que determina, mediante programación lineal, la contribución de cada abertura a cada vóxel representado en las imágenes de cada fase respiratoria asignando una cantidad relativa de unas unidades de monitor del sistema de irradiación externa, y permite alcanzar una distribución relativa de la dosis óptima en los vóxeles de los volúmenes de interés que están involucrados en el cálculo.

4. - Método de acuerdo con la reivindicación 3, donde el cálculo de la dosis (106) se lleva a cabo mediante un cálculo de tipo full Monte Carlo, en el cual se identifica la contribución de cada abertura en cada voxel de los volúmenes de interés, tanto por su irradiación directa como su irradiación dispersa por un colimador que comprende el sistema de irradiación externa, para su inclusión en el cálculo de dosis (106) realizado por el optimizador de pesos.

5. - Método de acuerdo con las reivindicaciones 3 a 4, que comprende además una etapa para evaluar (109) la estrategia de radioterapia generada, comparando la dosis (106) calculada con una dosis experimental registrada por un detector de radiación que simula el movimiento de la lesión a través de un sistema motor al que se le transmite el movimiento de la lesión (104) predicho.

6. - Método de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5, donde los resultados obtenidos se proporcionan como datos de retroalimentación (110) para repetir las etapas de obtener imágenes radiológicas (101); identificar una lesión (102) en las imágenes; determinar el movimiento de la lesión (103); planificar la estrategia de radioterapia (105); calcular la dosis (106) de radiación y/o evaluar el tratamiento (109) de radioterapia.

7.- Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, donde la etapa de planificar la estrategia de radioterapia (105) se lleva a cabo mediante una planificación directa basada exclusivamente en la imagen que comprende los pasos de:

a. simular (401) un conjunto de rayos, independientes entre sí, provenientes del sistema de irradiación externa y dirigidos hacia un conjunto de vóxeles de la imagen del paciente;

b. seleccionar (402) un conjunto de ángulos de incidencia deseados;

c. aplicar (403) un algoritmo de intersección rayo-voxel, que recorre los vóxeles de cada una de las estructuras del paciente implicadas en el tratamiento en cada ángulo de incidencia;

d. recopilar (404) información de cada vóxel comprendiendo densidad, material, estructura a la que pertenece y/o captación de un radiofármaco, generando mapas de proyección que representan estructuras diana y órganos de riesgo;

e. realizar combinaciones booleanas (405) de los mapas de proyección generados; f. realizar un proceso de segmentación (406) para obtener aberturas geométricas de los modificadores del haz del acelerador;

g. generar (407) un segundo conjunto de segmentos que considera la intersección de los segmentos obtenidos en la etapa f) sobre los volúmenes de interés, recategorizando como nuevos órganos de riesgo, aquellos volúmenes potencialmente sobredosificados, si el número de intersecciones registradas sobrepasa un valor específico previsto, y como nuevas dianas terapéuticas, aquellos volúmenes potencialmente infradosificados, si el número de intersecciones registradas es menor que un valor específico previsto;

h. repetir las etapas e) a g) iterativamente hasta alcanzar una densidad de intersecciones en las dianas, de acuerdo con un grado de homogeneidad previamente establecido junto con valores relativamente bajos de intersecciones en los órganos de riesgo, establecidos previamente según la toxicidad a la dosis de los tejidos a los que correspondan; y

i. aplicar un optimizador de secuencia de aberturas, seleccionando el mejor conjunto de aberturas del sistema de colimación, que permite al acelerador conformarlas en el orden, ángulo e instante adecuados, sin perder la cobertura de los volúmenes diana y protegiendo los órganos de riesgo, al mismo tiempo.

8. - Método de acuerdo con la reivindicación 7, que además comprende una etapa de optimización de pesos iterativa para asignar unas intensidades a los haces que permitan obtener la dosis deseada en los volúmenes diana, sin sobrepasar los límites de toxicidad de los órganos de riesgo, a través de la asignación de penalizaciones para poder restringir la dosis a cada vóxel a través de una formulación del problema en programación lineal, donde se establecen tantas inecuaciones como condiciones de dosis a vóxeles sean impuestas, en la forma mayor que o menor que, según el voxel corresponda a una diana o a un órgano sano en riesgo.

9. - Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 8, que además comprende una etapa de escoger (400) un conjunto de vóxeles de la imagen del paciente que se pueden analizar de forma aleatoria, o a partir de un umbral de dosis, o mediante una combinación de ambos.

10. - Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, que además comprende una etapa de imponer (408) una velocidad de la cabeza del acelerador constante y lo más alta posible, para generar menos errores de entrega, y una etapa de descartar (409) soluciones mecánicamente imposibles.

11. - Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, que además comprende una etapa de clasificar (410) las soluciones en recomendables y no recomendables en función del número de intersecciones de los haces en la diana y con cada uno de los órganos sanos dentro de unos sectores de arco.

12. - Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 7 a 11, donde se determina que el tratamiento se entregue solo en un sector angular o en todo un arco, con regiones mayores o menores de intersecciones entre haces, atendiendo a un mayor o menor número de fases de la respiración, de forma que el volumen diana sea irradiado constantemente, teniendo en cuenta los órganos de riesgo involucrados.

13. - Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, donde se representa (107) la dosis calculada sobre imágenes morfológicas y/o funcionales del paciente generando histogramas dosis-volumen o histogramas valor de calidad-volumen cuando se refiera a la dosis por voxeles.

14.- Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, que además comprende una etapa de comparar (111) dos planificaciones y dosis calculadas, asegurando la coincidencia espacial de las mismas y aplicando un análisis del índice gamma local y global, que tiene en cuenta diferencia de dosis junto con distancia de localización del valor, generando una matriz de diferencias y/o aplicando una comparativa de perfiles dosimétricos y magnitudes habituales como dosis máxima y dosis promedio.