Multiple Brain Mets SRS

Sadržaj

Otimização principal

Descrição do algoritmo

O algoritmo de otimização principal do software Multiple Brain Mets SRS tem o objetivo de gerar um plano de tratamento que contemple a prescrição de todos os PTVs, além de considerar os limites de dose para OARs, minimizar os índices de CI e GI e utilizar um número apropriado de unidades monitoras (MUs). A otimização principal é composta pelas seguintes etapas:

  1. Geração de dados que influenciam a dose
  2. Otimização da configuração de arco
  3. Otimização final do peso do arco

Dependendo do estado do software, apenas uma parte dessas etapas precisa ser realizada. O algoritmo de otimização pode ser cancelado durante qualquer uma dessas etapas. Rodadas de otimização subsequentes tentam reutilizar o maior número possível de dados pré-calculados.

Função de objetivo para a otimização principal

A pontuação de objetivo de um plano de tratamento é definida por uma função de objetivo que consiste nos seguintes termos de penalidade:

  1. Desvio da dose em volumes de cobertura para as doses de cobertura prescritas
  2. Subdose para os volumes tolerados para as doses de cobertura prescritas
  3. Desvio da dose nos volumes de restrição de dose desejada para a restrição de dose desejada prescrita (apenas no modo de prescrição SRS)
  4. Desvio da dose nas restrições/objetivos de OAR em relação aos limites de dose do respectivo OAR
  5. Índices de conformidade (CIs)
  6. Índices de gradiente (GIs)
  7. Espalhamento de unidades monitoras entre arcos
  8. Total de unidades monitoras
  9. O número de recortes por metástase e arco durante a otimização da configuração de arco

A função de objetivo é utilizada nas etapas 2 e 3.

Geração de dados que influenciam a dose

Durante a otimização da configuração de arco é essencial avaliar a qualidade da distribuição de dose com a maior rapidez possível. Durante a otimização assume-se, portanto, que a dose total do plano de tratamento pode ser aproximada por meio da soma linear da contribuição da dose de patches de pequena fluência (de forma semelhante à abordagem de subfeixe). Para cada um desses patches, os dados que influenciam a dose são calculados para todos os voxels relevantes para o problema de otimização. A distribuição de dose acumulada e os dados do DVH resultante podem ser calculados em menos de um milissegundo, permitindo a exploração dosimétrica de milhões de soluções de configuração de arco.

Otimização da configuração de arco

Os seguintes parâmetros são otimizados durante a otimização da configuração:

  • Recortes: o algoritmo de otimização pode introduzir ou remover recortes introduzidos anteriormente. Se a preservação de OAR estiver desativada, os recortes serão realizados apenas no início e/ou na parada do gantry. Se a preservação de OAR estiver ativada, os campos no meio de um arco também poderão ser recortados.

  • Margens de BEV: o algoritmo de otimização pode aumentar ou diminuir a margem de BEV individualmente para cada metástase e para cada arco. Se o modo de margem de BEV automática estiver ativado no arquivo de protocolo clínico, o intervalo e o número de margens de BEV importantes será determinado automaticamente. Se o modo estiver desativado, esses valores serão interpolados linearmente usando o intervalo e as margens de BEV conforme especificado no arquivo de protocolo clínico.

  • Pesos de arcos: o algoritmo de otimização pode aumentar ou diminuir o número de unidades monitoras por arco individualmente.

O software utiliza uma otimização inversa com um algoritmo genérico para encontrar um plano de tratamento ideal em termos da função de objetivo mencionada anteriormente. O algoritmo utiliza uma geração iterativa de modificações heurísticas e aleatórias.

O algoritmo não remove ângulos de mesa durante a otimização da configuração de arco.

O recorte de áreas de preservação de OAR pode resultar em campos para os quais todas as lâminas estejam fechadas. Para recortes não relacionados a OARs, campos totalmente fechados são evitados pelo algoritmo de otimização. Entretanto, se os graus de liberdade forem muito limitados (p.ex., muitos PTVs com um pequeno número de ângulos de mesa), o plano de tratamento poderá conter campos totalmente fechados. Para evitar essa ocorrência, os graus de liberdade são aumentados, por exemplo, por meio do aumento do número de ângulos de mesa ou da adição de Extra Arcs.

O número de iterações para a otimização da configuração de arco depende quase linearmente do número de metástases e do número de arcos. Além disso, a adição de restrições/objetivos de OAR e prescrições de SRS tipicamente aumenta o número de iterações requeridas.

Otimização final do peso do arco

Após a conclusão da configuração de arcos, o software realiza o sequenciamento de lâminas de arcos dinâmicos e depois calcula a distribuição de dose final. A distribuição de dose final pode apresentar desvios em relação à aproximação resultante das etapas 1 e 2. Portanto, o software realiza uma otimização estocástica adicional de pesos de arcos usando os dados que influenciam a dose com base na distribuição de dose final por arco. A mesma função de objetivo usada na etapa 2 é usada agora.

A distribuição de dose resultante pode ainda conter alguns pontos frios para algumas prescrições de PTV, devido ao fato de que tipicamente existem objetivos conflitantes. Portanto, o software realiza uma otimização de peso final para garantir que a dose de prescrição seja alcançada pelo menos para o volume tolerado de cada PTV. A cor resultante na tabela de análise do plano deve ser sempre verde ou amarela, mas não vermelha. Apenas no modo de prescrição SRS: o semáforo para a restrição de dose desejada poderá ser vermelho se o desvio da dose desejada for maior que o desvio de dose tolerado.

Quando esta etapa é concluída, o software realiza um cálculo final da dose. O cálculo final da dose não pode ser cancelado.

Otimização de dose de Monte Carlo

O software Multiple Brain Mets SRS permite que a dose de Monte Carlo seja incorporada no processo de planejamento do tratamento. Independentemente da posição da chave de Monte Carlo na interface de usuário, o cálculo de dose das etapas 1 e 2 é sempre baseado no algoritmo Pencil Beam. A etapa 3 utiliza o algoritmo de dose correspondente à posição da chave de Monte Carlo.

Veja a seguir dois exemplos de como o algoritmo de otimização responde a alterações:

  • Se você otimizar um plano de tratamento utilizando o algoritmo de dose A, depois alterar a chave de Monte Carlo para o algoritmo de dose B e então selecionar Calculate, a otimização final do peso do arco (etapa 3) será realizada.
  • Se você otimizar primeiro um plano de tratamento utilizando o algoritmo de dose A, depois alterar a chave de Monte Carlo para o algoritmo de dose B, então alterar a barra deslizante de modulação e subsequentemente selecionar Calculate, a otimização da configuração de arco será realizada (etapa 2) utilizando o algoritmo Pencil Beam e a otimização final do peso do arco (etapa 3) será realizada com o algoritmo de dose B.

A chave de Monte Carlo fica disponível após a conclusão da primeira otimização.

Barra deslizante de tecido normal

O software Multiple Brain Mets SRS incorpora a otimização do índice de gradiente (GI). Durante a configuração de arco, o índice GI é influenciado principalmente pelas margens de BEV. A otimização de GI tipicamente resulta em distribuições de dose heterogêneas. A barra deslizante de tecido normal oferece controle sobre a otimização de GI, conforme mostrado a seguir:

  • Mova a barra deslizante de tecido normal à direita para aumentar a importância da preservação dos tecidos normais, com margens de BEV tipicamente negativas e distribuições de dose de PTV heterogêneas.
  • Mova a barra deslizante de tecido normal à esquerda para diminuir a importância da preservação dos tecidos normais, com margens de BEV tipicamente positivas e uma distribuição de dose homogênea.

A região esquerda da barra deslizante de tecido normal resulta em margens de BEV semelhantes às versões anteriores do software.

A barra deslizante de tecido normal fica disponível apenas no modo de prescrição não SRS. No modo de prescrição SRS as margens de BEV são efetivamente otimizadas para satisfazer as prescrições de IDL.

Barra deslizante de espalhamento de unidades monitoras

O software Multiple Brain Mets SRS permite o controle do espalhamento de MU por meio da barra deslizante de espalhamento de MU, conforme mostrado a seguir:

  • Mova a barra deslizante de espalhamento de MU à direita para diminuir a importância de uma pequena variação nas Mus em todos os arcos.
  • Mova a barra deslizante de espalhamento de MU à esquerda para aumentar a importância de uma pequena variação nas Mus em todos os arcos.
Isto é alcançado por meio do controle da distribuição das Mus geradas aleatoriamente e do peso dos respectivos termos na função de objetivo.

Para planos de tratamento típicos, existe uma solução de compromisso entre o alcance preciso da prescrição e o espalhamento de MU. Especialmente para o alcance de prescrições de IDL e de um grande número de PTVs, o espalhamento de MU é necessário para gerar um plano de tratamento adequado.

O espalhamento de MU é penalizado apenas para arcos dentro de um grupo de arcos. Por exemplo, para um plano de tratamento com 8 PTVs, dos quais 2 PTVs têm o recurso Extra Arcs ativado, o termo de espalhamento de MU é calculado três vezes. Primeiro, para o grupo de arcos que está tratando os 6 PTVs agrupados; segundo, para um dos PTVs com Extra Arcs ativado; terceiro, para o outro PTV com Extra Arcs ativado.

Volume tolerado versus volume de cobertura

O algoritmo de otimização têm o objetivo de alcançar a prescrição de dose de cobertura para o volume de cobertura, por meio da penalização das subdoses e das sobredoses. Entretanto, você pode atribuir algum grau de alavancagem à otimização, configurando o volume tolerado para uma valor menor que o volume de cobertura. A função de objetivo penaliza apenas a subdose para este volume.

A diminuição do volume tolerado em relação ao volume de cobertura permite que o algoritmo de otimização troque uma parte da cobertura do PTV (reduzindo o número de pontos frios) por outros termos da função de objetivo. Ótimos CI e GI podem ser alcançados, por exemplo, quando se permite que o algoritmo de otimização introduza pontos frios. Este recurso também pode ser importante para um PTV com OAR sobreposto/adjacente, pois a redução do volume tolerado para o PTV permite que a solução de compromisso entre a cobertura do PTV e a preservação do OAR seja controlada.

Preservação de Órgãos em Risco (OAR)

O algoritmo de otimização tem a habilidade de considerar objetivos/restrições de OARs. Cada objetivo/restrição ativado (barra deslizante na posição Smart) na tabela de análise do plano é considerado pelo algoritmo.

Durante a otimização da configuração de arco (etapa 2), o software identifica os campos para os quais os PTVs e o OAR se sobrepõem. A expectativa é que o recorte desses campos melhore a distribuição de dose para OARs.

A barra deslizante Guardian permite o controle da preservação de OARs de duas maneiras:

  1. Ela controla linearmente o peso do termo do objetivo de OAR na função de objetivo (relacionados entre si e aos PTVs).
  2. Ela controla os limites superiores dos campos que podem ser recortados para preservar o OAR.

Na primeira vez que um OAR é configurado como Smart e Calculate é selecionado, os dados que influenciam a dose devem ser recalculados, independentemente da posição da barra deslizante Guardian. Quando a posição da barra deslizante Guardian está definida como 0, a preservação de OAR não tem efeito algum no plano de tratamento.

A configuração de restrições/objetivos de OAR como Smart aumenta o tempo da otimização. Quando esses parâmetros são configurados como Off, o tempo da otimização não é afetado.

Os valores de restrições/objetivos de OAR são incorporados durante a primeira parte da etapa 3. Na segunda parte, porém, a dose de prescrição é garantida para o volume tolerado para cada PTV. Para gerar planos de tratamento que satisfaçam as prescrições de PTV e restrições/objetivos de OAR, é importante que os valores de restrições/objetivos sejam realísticos. É recomendável iniciar o plano de tratamento sem preservação de OARs e posteriormente considerar a possibilidade de adicionar OARs ao problema de otimização. A ativação de um valor de restrição/objetivo de OAR diretamente na otimização inicial resulta no mesmo plano de tratamento gerado com a adição posterior de OARs, pois a otimização da configuração de arco (etapa 2) sempre é realizada a partir do zero.

Se um PTV estiver localizado dentro de um OAR (sobreposição total), a otimização da configuração de arco não recortará o PTV para preservar o órgão. Entretanto, a dose do OAR ainda será considerada pela função de objetivo.

Para casos de preservação de OAR muito desafiadores (p.ex., um PTV dentro do tronco encefálico), a adição de Extra Arcs ao respectivo PTV ajudará o algoritmo de otimização a encontrar uma solução.

Visualização durante a otimização

Durante a otimização do plano de tratamento, o software exibe uma aproximação da distribuição de dose. Espera-se que o cálculo da dose final apresente um pequeno desvio em relação à dose aproximada. Portanto, curvas de DVH, semáforos e linhas de isodose podem ser alterados logo após a realização do cálculo da dose final.

A BEV também pode ser avaliada durante a otimização do plano de tratamento. Todavia, a visualização não é atualizada em cada iteração durante a otimização.

Limites de unidades monitoras

O algoritmo de otimização observa o número mínimo e MUs por grau do gantry, conforme especificado no perfil de máquina. Esse número depende de fatores como a taxa de dose e a velocidade do gantry. Uma prescrição de dose baixa por fração pode ser inalcançável para um alto número mínimo de MUs por grau em combinação com um grande número de arcos. Uma combinação inadequada geralmente resulta em uma dose de PTV inaceitavelmente alta. O algoritmo de otimização é capaz de detectar esse tipo de inconsistência e notifica o usuário por meio de uma mensagem de aviso após a conclusão da otimização do plano de tratamento.

Ordenando arcos para exportação

Após a otimização, os arcos são subdivididos em partes quando o número máximo de unidades monitoras por arco é excedido. Subsequentemente, a ordem das partes é otimizada para proporcionar uma rápida aplicação do tratamento, conforme mostrado a seguir:

• Primeiro critério de ordenação: ângulo da mesa (primeiro 0°, depois iniciando em 180° na convenção da IEC 61217 e girando sobre o eixo Z na direção positiva (direção anti-horária quando visualizado de cima)).

• Depois a lista ordenada é adaptada para que a direção da rotação do gantry seja alternada entre horária e anti-horária, dependendo do local em que ocorreu a parada do gantry após a parte anterior e de qual ângulo pode ser alcançado com menos rotação.

A ordem final das partes exportadas é especificada no relatório impresso.

Art. Nº: 60919-38BP

Datum izdavanja: 2019-07-03