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RadiophysiqueLille – 5 au 7 mars 2015Cours de DES d’Oncologie Radiothérapie

R. de Crevoisier

Intégration des nouvelles modalités d’Imagerie en radiothérapie : TEP, IRM, fusion et recalage

en pratiquePoint de vue du médecin

Intégration des nouvelles modalités d’Imagerie en radiothérapie

1. Intérêt des nouvelles modalités d’imagerie et problématique du recalage

2. TEP/IRM pour la planification initiale- Pratique standard- Dose-tumor painting

3. Images en cas d’IGRT et de RT adaptative- IGRT (recalage rigide)- RT adaptative et guidage par la dose (recalage elastique)

4. Images pour prédire et analyser les récidives


Images: CT, TEP, IRM, CBCT et doses

� Informations: morphologiques et fonctionnelles/métaboliques

� Différentes applications/intégrations des images dans le workflow de RT: POURQUOI et COMMENT ?

Images « standards » (planification):

CT (morphologique et densité électronique) et doses


RT

Bilan initial Suivi

TDM

- Bilan d’extension initial et suivi (diagnostic pré coce de la récidive)

RT

Planification

IGRT/RT adaptative

TDM


- Optimisation de la définition des volumes cibles à la planification et de la délivrance du traitement

RT

Bilan initial Suivi

Planification

Analyse des récidives

Prédictive (récidive)

TDM

- Prédiction et analyse des récidives


RT

Bilan initial Suivi

Planification

IGRT/RT adaptative


Prédictive (récidive)

TDM


- Bilan d’extension initial et suivi (diagnostic préc oce de la récidive)- Optimisation de la définition des volumes cibles à la planification

et de la délivrance du traitement- Prédiction et analyse des récidives

Mise en correspondance:

- d’images quelques fois multimodales (TEP,IRM,…)- effectuées à des moments différents , comprenant donc

des variations anatomiques (déplacement et déformations)

- provenant le plus souvent d’un même individu, quelque fois entre individus différents

� Différentes méthodes de recalage ?� Précision du recalage ?


FMT →

Principe du recalage

Fixed Image Moving Image

9

= transformation spatiale qui fait correspondre les points homologues, d’une image (flottante) vers une autre image (fixe)


O. Acosta, LTSI

Fixed image

Rigid transformation

?FMT →

Moving image

Rotation & Displacement

O. Acosta, LTSI

Fixed image

Affine transformation

?FMT →

Moving image

Rotation & Displacement & Shear

O. Acosta, LTSI

Non-affine transformation (elastic)

Parallel lines DO NOT stay parallel

Deformation

Free Form Deformation (FFD), Demons…

O. Acosta, LTSI

Validation du recalage entre 2 images ?

– Visuellement : images en mosaïque

Avant recalage Après recalage

Initial Affine FFD

Différentes methodes de recalage O. Acosta, LTSI


– Visuellement : images de colorations différentes


– Quantitativement : distance entre points de reference anatomiques (définis par l’expert et l’algorithme de recalage)

Rigaud, BioMed Research International 2015

Organ A,BA

B

A

B


– Quantitativement : recouvrement des structures = index de Dice

O. Acosta, LTSI




3. Images en cas d’IGRT et de RT adaptative- IGRT (recalage rigide)- RT adaptative et guidage par la dose (recalage élastique)

4. Images pour prédire la récidive et analyser les récidives

2. TEP/IRM pour la planification initiale

RT

Planification

TDM

TEP/TDM IRM

Escalade dose

Diminuer la dose dans les OARs

TOXICITE minimale

Augmenter le CONTROLE LOCAL

Optimiser la definition du volume cible

• Traceur =glucose

• Marqueur =18 fluorémetteur de positon, +électron= annihilation + émetteur de 2 photons de direction opposée, détectés par des caméras

Principe de la (18F)-fluoro-désoxyglucose [(18F)-FD G] TEP

- radiotraceur le + utilisé

- spécificité: modérée, fixation: réactions inflammatoires (y compris radiques),tissus granulomateux, organes à forte consommation de glucose (coeur oucerveau)

- sensibilité: fonction:- de la taille des lésions: faux négatifs < 7 mm- de la résolution de la TEP (4 à 5 mm)- du type histologique ou grade de différenciation- mauvaise visualisation de l’infiltration muqueuse

- caractère pathologique de la fixation : analyse qualitative par lemédecin nucléaire, même s’il est possible de calculer des paramètres numériques:maximal Standardized uptake value (SUVmax) and Metabolic tumor volume(MTV) = volume correspondant à un % du SUVmax, total lesion glycolysis (TLG)

TEP-FDG et fixation tumorale

C. Rossier, Cancer/Radiothérapie 2012

Indication des traceurs TEP par localisations tumor ales




3. Images en cas d’IGRT et de RT adaptative- IGRT (recalage rigide)- RT adaptative et guidage par la dose (recalage élastique)


2. TEP pour la planification initiale

Pratique standard

Apport majeur de la TEP: = modification des volumes cibles (up/down -staging)

= table spécifique (plan dur) et lasers: positionnement identique à la RT � vacations spécifiques

sinon utiliser la TEP effectuée pour le bilan initial

TEP

TDMTEP

acquisition planification

TDMpl

2. recalage rigide

1. même référentiel spatial 3. fusion

TEP TDMpl


Pratique standard

Impact de la position du patient lors de l’acquisit ion TEP (/position de traitement) et de la mobilité des structures anatom iques

� surestimation et mauvais positionnement du GTV

� TEP 4D

Lire très attentivement le compte-rendu de l’examen TEP (solliciter le médecin nucléaire) concernant l’interprétation des hyperfixations: approche qualitative très peu normalisée et pas de valeurs seuils.

� paramètres impactant sur les valeurs de SUV ou sur la visualisation des hyperfixations: protocoles d’injection et d’acquisition d’images, caméras, reconstruction d’image, bruit de fond, masse maigre, pseudo-normalisation à partir de différents organes (foie,…), échelles de visualisation par couleurs (linéaire ou non,…)


Pratique standard

�pas de délinéation de GTV à partir d’un seuillage qui sera forcément arbitraire (utiliser l’image CT)

�outil de délinéation/segmentation (semi-)automatique en cours de développement


Pratique standard

inclusion ou non d’une « structure anatomique » dans le GTV

Diminution de la variabilité de délinéation cibles inter/intra-opérateurs

des volumes cibles


Pratique standard

C. Rash, ESTRO Teaching Course

Impact du seuillage sur la visualisation

tumorale

Impact du seuillage sur la

visualisation tumorale

GG rétropharyngé nécrotique sans fixation ? (console de RT)


C. Rossier, Cancer/Radiothérapie 2012

Atéléctasie

TEP Impact sur la planificationPoumon - VPN= 90% (peu de faux neg)

- Sp=40-80% (inflammation)- Se=80-95% (taille)

- Up-staging: . GG � histo (médiastinoscopie). métastase

- Down staging : atélectasie=diminution du GTV (80% des cas)

- selective nodal irradiation

TEP pour la planification des tumeurs bronchiques

TEP Impact sur la planification

Œsophage (+jonction OG)

- Tumeur oeso : bonne corrélation TEP et anapath

- GG : faire une écho-endoscopie (Se=20 à 90% et Sp=90%

Impact dosimétrique variable selon les études

TEP pour la planification des tumeurs oesophagiennes

TEP pour la planification des autres tumeurs digestives

TEP Impact sur la planificationEstomac - paroi gastrique fixe ++

- Se (TP et GG) =50%- Bilan d’extension

Non/peu utilisé

Rectum - Tumeur rectale : bonne corrélation TEP et anapath

- GG : Se =50%

TEP TDM et IRM > TEP ou IRM pour la tumeur primitive

Canal anal GG : Sp= 85% Stratégique pour le boostPancreas T pancreas, GG et méta Augmentation du volume cibleFoie - Foie sain : captation FDG +++

- CHC de Ht grade et méta (FDG)- CHC bas grade (choline)

Intérêt de l’IRM mais attention au recalage rigide: décalage des structures du fait des variations antomiques

Canal anal

� Inter/intra-observer variability

8 observers, 10 pts, 2 delineations (prostate and SV) at 3 months interval

Messai SFRO 2006

CT is not the optimal imaging for prostate delineat ion, even if it remains the reference (dose calculation)

apex

bases prostate/SV

PROSTATE

Prostate reference imaging = MRI

MRI for prostate delineation ?

CT scan over-estimates the apex

� MRI: useful:- to define CTV margins around the prostate (T3-T4) +++

- for proper prostate gland delineation ? not easy, lack of tool for a straight prostate rigid MRI to CT registration (� use fiducials)

- to define dominant lesion for a boost ? (next future)

- “MRI simulator” without CT (electronic density from atlas based CT) ? (Dowling ESTRO 2013)


Prostate - FDG : élimination urinaire, la tumeur ne fixe pas et la prostatite fixe

- Choline : phospholipides (membrane cellulaire), élimination urinaire faible : peu d’intérêt pour la TP et pour les GG au diagnostic

- = à la rechute biologique , pour la localiser : locale, GG ou méta ? fonction du PSA : Se=50% qd PSA entre 1 et 3 ng/ml et 80% qd PSA > 3 ng/ml

= décision/volume cible en cas de RT de rattrapage

TEP pour la planification des tumeurs prostatiques

TEP Impact sur la planificationORL - TP : Se et Sp= 90%

- Bonne corrélation anatomo-pathologique

- Pas de détection de l’extension muqueuse (examen clinique/endoscopie)

- Modification des volumes cible pour 10 à 30% des pts :- fixation GG- méta- 2nde tumeur synchrone (poumon)- Identification de la TP en cas de GG isolés (25%)- Diminution de la variabilité de délinéation des volumes cibles inter/intra-opérateurs- Diminution du GTV

TEP pour la planification des tumeurs ORL

Daisne et al, Radiology 2004

- 29 patients

- Comparaison avec valeurs de référence: anatomopathologie

- Seuillage adaptatif (SBR)


cerveau - Référence = IRM avec recalage rigide précis (sauf nerfs optiques) mais difficulté pour:o différencier radionécrose et

progressiono pseudo-progression par

altération de la barrière hémato-encéphalique

- FDG : fixation intense du cerveau sain

- Nvx traceurs :11C- méthionine(grading tumoral), 18F-fluoroethyl tyrosine (radio-nécrose, Sp=90%), 18F-dopa

Diminution de la variabilité de délinéation inter-observateurs, mais choix de seuillage (40% SUVmax pour (18F)-fet)

TEP pour la planification des tumeurs cérébrales

TEP pour la planification des tumeurs gynécologiques et lymphomes


Col utérin - IRM= référence (paramètres)- TEP

- TP : Se=75% et Sp=95%- GG : Se=90%

(lombo_aortique)

Modification du volume cible et des doses (GG) dans 20% des cas

Endomètre TP et GG : Se=90%, comme l’IRM

Peu de données

Lymphomes Se=Sp=95% - changements (dose totale, volumes et nombres de volume cibles) pour 13% des pts atteints d’une maladie de Hodgkin de stade I ou II- chez l’enfant : 70% de modifications

Ling et al. 2000


Dose Tumor Painting

Dose painting by contours

� Boost intégré (SIB)

Toward dose tumor painting (prostate)

Targeting dominant lesion

MRI + biopsies

High risk cancer

Dose escalation in: the whole prostate + tumor

Increase local control

Main issue

= recurrence

Pinkawa, radiother Oncol 2010

GTV=PET = tumour-to backgroundcholine uptake ratio >2 (studies correlating choline PET

results with histopathologic examinations)

- Prostate = 66.6 Gy in 37 fractions (1.8 Gy/ fr)

- GTV-PET=83.25 Gy in 37 fractions (2.25 Gy/ fr)

� 89.2 Gy

(dosimetric study only)

230 patients

-Intraprostatic lesion defined by MRI (pelvic coil+spectroscopic endorectal coil) (+ 4 mm PTV)

- Total Dose: - in the prostate =76 Gy in 38 fractions (2 Gy/fr)

- in the IPL= 82 Gy in 38 fractions (2,16 Gy/fr) � 86 Gy (α/β=1.5)

Fonteyne IJROBP 2008

Grade 3 or 4 acute GI toxicity = 0Grade 3 acute GU toxicity = 7%


MRI + biopsies

High risk cancer low risk cancer


Focal therapy in cancer only

Increase local control Decrease toxicity (impotency)

Main issue=recurrenceMain issue

= quality of life

Toward dose tumor painting (prostate)

Toward dose tumor painting


MRI + TEP+ biopsies

High risk cancer low risk cancer


Focal therapy in cancer only

Increase local control Decrease toxicity (impotency)

Dose painting by numbers




3. Images en cas d’IGRT et de RT adaptative- IGRT (recalage rigide)- RT adaptative et guidage par la dose (recalage éla stique)


POPULATIONbased strategies

MarginsPTV/PRV

Displacements Deformations

- Rational margins: not only empirical , however complex for deformations

- PTV never being to zero even if IGRT/adaptive RT: residual uncertainties: delineation/intrafraction/registration

Strategies to compensate for anatomical variations

Van Herk recipe :

at least 90% of pts receive a minimal dose of 90% in more than 99% of the PTV

POPULATIONbased

strategies

PTV/PRV IGRT

(rigid registration)


Specific PATIENT based strategies


- Tumor (prostate,…)- Bone (Noded, brain)

POPULATIONbased

strategies

PTV/PRV IGRT


Adaptive RT(re-planning)




DGRT 1

Dose guided RT (at the fraction)Per-Tt imaging (CBCT, CT)Planning

Contouring propagation

IMPORTATION of the dose

distribution from the planning CT into the CBCT

No variation in external contour

and same electronic

density

DGRT 1

Per-Tt imaging (CBCT, CT)Planning



distribution from the planning CT to

the CBCT

Calibration of the CBCT images: electronic

density/HU

Importation of the beams parameters into the CT/CBCT

DOSE distribution CALCULATION on the CT/CBCT

DGRT 2

CT during RT

CBCT

Dose guided RT (at the fraction)

DGRT 1 DGRT 3

Per-Tt imaging (CBCT, CT)Planning



distribution from the planning CT to

the CBCT

Calibration of the CBCT images: electronic

density/HU

In vivo DOSE MEASURMENT

(flat panel)

3D dose reconstruction

3D dose distribution

visualisation

Importation of the beams parameters into the CT/CBCT

DOSE distribution CALCULATION on the CT/CBCT

DGRT 2

CT during RT CBCT

Dose guided RT (at the fraction)

DVH at the fraction

Need for:

- CUMULATING the dose fraction after fraction

- COMPARISON with the planned dose

- DECIDING (or not) to re-plan

Not realistic to re -plan at the fraction

POPULATIONbased

strategies

PTV/PRV IGRT


Adaptive RT(re-planning:on/off-line)



Dose monotoring or dose guided RT

(at the fraction/cumulated)


CBCT

Cumulative dose in prostate(elastic registration)

3D dose of the day

Planning CT

?3D dose of the day reported

on the planning CT

CUMULATIVE DOSE

CBCTANATOMY

DOSE

Demons method

vectors

Elastic transformation

Cumulative dose in prostate

3D dose of several fractions

PLANNING DOSE

Planning CT

COMPARISON

Treatment fractions (wekly CT)Planning

Parotid

Cazoulat Cancer Radiother 2011





4. Images pour prédire et analyser la récidive

RT

Suivi

Prédiction (récidive)

TDM


TEP pré- et plus récemment per-thérapeutique (SUVmax, MTV (40% SUVmax)) prédit le risque de récidive/déces dans de nombreuses tumeurs:

col utérin, ORL, lymphome, canal anal, pancréas,…Mais: manque de reproductibilité multicentrique (standardisation des

méthodes) + analyse multivariée (TEP vs IRM)

Intensification des non-répondeurs

Bilan initial

Cancers du col utérus

SUVmax MTV (40% SUVmax)

Leseur , ESTRO 2011


2-MATERIAL 3-RESULTS 4- CONCLUSION

� Median follow up: 18 months [4-33]� Significant impact of MTV (metabolic tumor volume) and SUVmax on

disease free survival

MTV ≥ 14 cc

MTV < 14 cc

p= 0.02 p= 0.01

Leseur , ESTRO 2011

Cancers du col utérus


Inflammation en cours de RT

Comparison between pre-treatment (left) and per-tre atment (right) FDG-PET images .

The tonsilar tumor visible before treatment (arrow) has almost completely disappeared after 46 Gy. A large zone of mucositis was observed at the level of the floor of mouth (arrow head).

Geets et al, Radiotherapy and Oncology, 2006


Before RT

At 46 Gy

RT

Suivi


TDM


Dans le PTV

En bordure de PTV

En bordure de PTV

Augmenter la dose (+CQ)

Augmenter le volume cible

(+CQ)

Traitement systémique

ContoursDose

Chajon , Radiation Oncol 2013

In field: 92% of pts

Marginal: 8% of pts

Récidives majoritairement dans la zone d’hyperfixation au PET:

– 61 patients traités par Radio-chimiothérapie concomitante (tous ayant eu un PET/CT)

– 9 récidives: 8 dans la zone d’hyperfixation PET-BTV

Soto, Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys 2008


Conclusions: Imagerie multimodale et recalage en RT

Place majeure de la TEP et de l’IRM en RT, pour la quasi-totalité des tumeurs

Enjeux: contrôle local (et indirectement toxicité)

- Bilan d’extension initial et suivi (diagnostic précoce de la récidive: RT de rattrapage)

- Optimisation de la définition des volumes cibles à la planification - Optimisation de la délivrance du traitement: IGRT/RT adaptative- Optimiser la balistique d’irradiation (analyse des récidives) et intensifier le

traitement des pts non répondeurs (prédiction et des récidives)

Implique différentes modalités de recalage

Limites de la TEP dans la délinéation tumorale (pb de quantification/standardisation � attention au seuillage)Place des machines hybrides TEP/IRM ?

IMAGING FOR FUN

F.Dubus

Medical Physicist, PhD in Physics

Physics Department

Centre O.Lambret, 3 rue Combemale, Lille

France

How to create a picture of an object?

You need a wave or a particle, which acts on a object, to be measured

by a detector:

- electro-magnetic wave: X-rays, MRI

- acoustic wave: echography

- radioactive elements: γ-rays

- particles: neutrons, electrons

-General physical principle: excite a system and look at the response.

X Ray tube

Collimator

Beam

Soft

tissue Bone

Air Patient

Table

Grid

Cassette

AEC detectors

1- 2D imaging 10 years ago

Each detector element is hit by a number of particles

with N0= number of incident photons

and the linear attenuation coefficient (x,y) at position (x,y).

Integration is performed along the straight beam path s

through the plane.

eNN pathbeam

dsyx

0

),(

1- X-ray: beam attenuation projection

through a patient

1- X-ray: beam attenuation projection

through a patient

-Not the best because of beam divergence

- We only the integrated information along the path, which

means that the incidence has to be well chosen.

-Not simple for contouring: Humans are not clever enough

to render a 3D tumour based on 2 radiographies.

1- X-ray: Computed Tomography

Because of the beatles rock band success, EMI invested in X-ray research

Projection and Radon Transform

The following assumptions are made:

- the examined object is penetrated by a bundle of parallel rays.

The procedure can be described in a plane (x,y).

- The beam is attenuated by the two-dimensional

attenuation coefficient (x,y).

- Scattered photons do not hit the detector,

so scattering looks like absorption.

- The beam is monoenergetic (not true for photons).


For reminder, again the representation in the spatial and in the Fourier

Domain:

1- X-ray: computed tomography


Look at a picture ….. In the fourier Domain!!!!


Look at a picture ….. In the spatial Domain!!!!

Be careful of the filter of reconstruction: B30f in this case

Noise in the picture is :

-a Quantum Property of photons


Reconstruction changes the Image Quality

filter of reconstruction: I40f

Less noise in the picture:

worse for the radiologist


Noise in the fourier domain explains

and quantifies what we see…..


The fourier domain explains and quantifies

what we see…..


Noise in the fourier domain explains

and quantifies what we see…..


Are we sensitive to spatial frequencies?

Not visible

Visible pattern

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Scanner Jean-Pierre

Scanner Jean-Paul

spatial frequency in cm-1

Mo

du

latio

n T

ran

sfe

r F

un

ction

1- X-ray:

Spatial resolution:What is the best CT?

Jean-Paul is worse than Jean-Pierre for contouring.

1- X-ray:

In low contrast regions, SNR is crucial

Lesion: -5HU Lesion: -11HU

1- X-ray:

Which parameters for image quality?

-

- kV, mA, pitch, physical filter, Spectrum

- patient itself, prothesis, movement

- reconstruction filter, iterative reconstruction


Need of a good image quality

1- X-ray: computed tomography

Hounsfield scale: water

waterCTN

.1000

Conversion from HU to density is necessary to calculate the dose.

1- X-ray: 4D-CT

We need a good 4D CT.

2-MRI: complicated Quantum physics

2-MRI: but also a magnet

2-MRI: Reference imaging for the neuro

Matching CT-MRI for the skull works quite good

2-MRI: Are you confident about your machine?

SR

SNR

uniformity

CNR of 4 inserts

Slice thickness

2-anatomic MRI: simpliest sequence T2 SE

No distorsion:

TE and TR determine the contrast.

3-Fast sequences: steady states

• Spoiled Steady states free precession:

Dixon’s Method

• TR about 5ms

0,0000

0,0500

0,1000

0,1500

0,2000

0,2500

0,3000

0 10 20 30 40 50 60

liver

spleen

pancreas

muscle

bone marrow

FAT

prostate

Water

2-Fast sequences Simulation of the signals of different tissues

TR=4.263ms

Flip angle=15°

TE=1.136ms

They converge to steady states.

2-MRI: Fast sequence

• In phase picture:

2-Fast sequences

-Out phase picture

2-functional MRI: simple sequence of DWI

2-MRI: simple sequence of DWI

2-MRI: Can we contour on DWI?

T2

Old DWI

new DWI

2-functional MRI

2-Functional MRI: distorsion

Distorsion analysis

2-Functional MRI: example

ADC: loss of signal

2-Functional MRI: perfusion

2-Functional MRI: perfusion

Work of Romaric Dal

Ktrans Kep Ve Vp

3-Matching

4-Future: phase imaging with coherent beam

Co

un

ts/s

Angle of Phase shifter [°]

Intensity oscillations

Invented by Professor U.Bonse,

15years ago.

PhD in Physics of F.Dubus

4-future: phase imaging with coherent beam

4-Future: phase imaging with coherent beam

intégration des nouvelles modalités d’imagerie en ... · sain - nvx traceurs :11c-méthionine...

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