• adroterapia
• cambiamenti morfologici
• in-beam PET
• incertezze sul range
• metodi di variazione del range
• piano di trattamento

L'adroterapia è una forma di radioterapia che impiega fasci di particelle cariche, quali protoni o ioni carbonio, per il trattamento di tumori spesso inoperabili o resistenti ai convenzionali trattamenti radioterapici. Essa sfrutta l'elevata selettività spaziale delle particelle cariche nel convogliare il massimo della dose sul tessuto tumorale risparmiando i tessuti sani circostanti che ricevono, invece, una dose minima. Il massimo della dose corrisponde al picco di Bragg e si colloca a fine range. La sovrapposizione di più picchi di Bragg, nota come Spread Out Bragg Peak (SOBP), di varie intensità e diversi range, permette di avere una distribuzione della dose uniforme in corrispondenza del volume tumorale. Essendo una tecnica di precisione, l'adroterapia è, tuttavia, più sensibile alle incertezze del percorso delle particelle nel tessuto. Variazioni del profilo di dose in profondità possono derivare da cambiamenti fisiologici e morfologici nel paziente, da errori di posizionamento e di calcolo della dose. Questi possono provocare un sotto-dosaggio al tumore oppure dose indesiderata ai tessuti sani. Vi è quindi la necessità di garantire il monitoraggio in-vivo della qualità del trattamento erogato, al fine di intervenire tempestivamente nel caso in cui venga riscontrato un cambiamento rispetto al piano di trattamento.
Un tecnica di monitoraggio molto sensibile è la in-beam Positron Emission Tomography (PET) che consente di misurare la profondità di penetrazione nel tessuto dei fasci di particelle cariche durante il trattamento, a partire dall'attività di isotopi beta+ -emettitori prodotti dall'interazione del fascio primario con i tessuti. Ciò permette di ottenere informazioni sulla morfologia dei tessuti irraggiati senza ricorrere a dose aggiuntiva. INSIDE (INnovative Solution for in-beam Dosimetry in hadronthErapy) è un sistema di monitoraggio attualmente installato presso il Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica (CNAO cnao), che dispone di uno scanner in-beam PET. A partire dal 2020 INSIDE è in sperimentazione clinica, suddivisa in due fasi. La prima, conclusasi nel marzo 2020, ha coinvolto 20 pazienti, 10 trattati con protoni e 10 trattati con ioni carbonio. L'inizio della seconda fase è previsto entro l’autunno del 2021.
Questa tesi di laurea è incentrata sull'analisi di immagini in-beam PET di INSIDE, ottenute sia con simulazioni Monte Carlo che sperimentalmente per i pazienti trattati con protoni. Scopo della tesi è fornire risultati funzionali alla valutazione dell'impatto clinico che un sistema in-beam PET può avere nella gestione del piano di trattamento. Un paziente trattato con protoni presso il CNAO riceve tipicamente una dose totale di 60 Gy suddivisa in frazioni di 2 Gy/die. L'analisi che ho effettuato consiste in uno studio longitudinale in cui l'immagine PET ottenuta durante la prima frazione di trattamento disponibile viene confrontata con le successive. Il confronto è stato effettuato utilizzando diversi metodi di verifica della variazione del range interfrazione. I metodi di Beam Eye View (BEV) e Most Likely Shift (MLS), già utilizzati in precedenza, in questa tesi sono stati da me ottimizzati per l'analisi dei pazienti del trial. Un approccio del tutto nuovo è invece fornito dall'analisi dell'indice gamma, un metodo voxel-based, finora mai applicato in immagini in-beam PET. I metodi sono stati testati su un paziente simulato per il quale si osservavano notevoli cambiamenti morfologici, quantificati con una decrescita del volume tumorale allo stadio finale del trattamento adroterapico di 13.1 ml.
I metodi di verifica della variazione del range, BEV e MLS, analizzano i profili di attività lungo la direzione del fascio, nella cosiddetta vista beam eye¬, per ogni coppia di coordinate nel piano trasverso, ottenendo così l'informazione sottoforma di una mappa bidimensionale, denominata mappa delle differenze di range. I pazienti inclusi nel trial clinico sono suddivisi in pazienti non soggetti e pazienti soggetti a cambiamento morfologico, confermato dalla CT di controllo, prescritta per pazienti soggetti a patologie a riposta rapida alla terapia ed acquisita durante la terza settimana di trattamento. Attraverso l'analisi dei pazienti non soggetti a cambiamento morfologico, è stato possibile valutare la sensibilità del sistema PET INSIDE in termini della deviazione standard delle distribuzioni di differenze di range calcolate su immagini di diverse frazioni di trattamento. Si è così valutata una deviazione standard media di 3 mm per il metodo MLS e 2.7 mm per il metodo BEV, da cui è stato ottenuto un intervallo di confidenza al 95% per valori di differenza di range compresi tra, rispettivamente 6 mm e 5,5 mm. In questo modo, per i due pazienti soggetti a cambiamento morfologico, si è osservato come le differenze di range al di fuori dell'intervallo di confidenza fossero localizzate nelle regioni in cui la CT di controllo aveva evidenziato cambiamenti morfologici.
L'analisi dell'indice gamma consiste nel misurare l'accordo tra due immagini PET in termini di distanza euclidea e differenza nei valori di attività, valutato in termini del tasso di superamento, ovvero della percentuale di voxel per cui gamma<= 1. Più è alto il valore del tasso di superamento tanto più risultano in accordo due differenti immagini. Per pazienti non soggetti a cambiamento morfologico, il tasso di superamento è stato stimato >=90%.
Contrariamente, per due pazienti in cui si era riscontrato un cambiamento morfologico certificato dalla CT di controllo, il tasso di superamento è, invece, inferiore al 90%.
Questo risultato fornisce una prima indicazione riguardo all'uso dell'indice gamma come indicatore del grado di accordo tra due immagini in-beam PET che può quindi rivelarsi uno strumento utile per la rivelazione di cambiamenti morfologici. Valori dell'indice gamma>1 evidenziano la zona del cambiamento morfologico, ma anche variazioni dovute a movimenti casuali, corrispondenti alla zona oculare ed alla zona mandibolare.
Sulla base di questi risultati, estremamente incoraggianti, si propone uno studio basato sui metodi MLS e BEV e sull'analisi dell'indice gamma per pazienti trattati con ioni carbonio e per pazienti che saranno coinvolti nell'imminente seconda fase di sperimentazione clinica.