Progressi nel trattamento radioterapico delle neoplasie pelviche: come ridurre gli artefatti metallici su scansioni di tomografia computerizzata?

Introduzione

La radioterapia (RT) ad oggi, rientra tra le modalità di trattamento di gran parte delle neoplasie solide. La tomografia computerizzata (TC) costituisce la metodica di imaging più comunemente utilizzata per la pianificazione del trattamento radioterapico. Lʼaccuratezza e la risoluzione del set di immagini TC acquisito del paziente sono fondamentali per la corretta esecuzione della terapia. Gli errori di imaging, infatti, possono influenzare notevolmente tutte le fasi di pianificazione della radioterapia, come la delineazione del bersaglio, il calcolo della dose e lʼerogazione della dose, e possono portare a un sottodosaggio o a un sovradosaggio del target nellʼarea di trattamento. Sebbene i progressi della radioterapia guidata dalle immagini (IGRT) abbiano aumentato lʼaccuratezza dellʼerogazione della dose e diminuito la necessità di grandi volumi target di pianificazione (PTV), gli impianti metallici, come le protesi dellʼanca e della colonna vertebrale, e le otturazioni dentali deteriorano significativamente la qualità dellʼimmagine. Il tumore della prostata è la neoplasia più frequente negli uomini di età superiore ai 65 anni [1]. Poiché la radioterapia è uno dei principali trattamenti, si prevede che il numero di pazienti affetti da artefatti metallici da TC dovuti a protesi dʼanca aumenterà in modo significativo nel prossimo futuro avendo i progressi nella chirurgia ortopedica portato ad un aumento significativo del numero di pazienti che ricevono impianti metallici. Tuttavia oggi, grazie allo sviluppo di moderni software di correzione degli artefatti metallici sulle immagini TC, un trattamento radioterapico di alta qualità può essere garantito.

Processo di creazione degli artefatti

Lʼacquisizione TC elabora i dati di proiezione di un oggetto a diverse angolazioni e li ricostruisce in unʼimmagine. La presenza di un oggetto metallico nella regione di interesse provoca errori nella proiezione dei dati dovuti principalmente ai fenomeni fisici della "fame di fotoni" (photon starvation), indurimento del fascio (beam hardening), scattering, o effetti di volume parziale (undersampling). La ricostruzione con dati corrotti o incompleti darà luogo ad unʼimmagine con artefatti. Il loro aspetto radiologico sulle immagini di scansione TC è quello di striature iper o ipodense, tipicamente alternate tra loro e con una caratteristica forma a stella (Figura 1). La causa di questi fenomeni è la variazione dei processi di attenuazione che avviene nei materiali ad alto numero atomico a causa di fenomeni fisici quali lʼindurimento del fascio di fotoni, la “fame” di fotoni, lʼeffetto del volume parziale e lo scattering. La gestione degli artefatti è un problema ben noto sia ai medici che ai fisici sanitari dei reparti di radioterapia in quanto hanno un impatto significativo sia nella delineazione degli organi a rischio e del target sia nel calcolo della distribuzione di dose.

Impatto clinico degli artefatti nella radioterapia pelvica

La presenza di artefatti metallici nel distretto pelvico si traduce, da un punto di vista clinico, in una visualizzazione sub-ottimale di regioni anatomiche critiche per la definizione del volume bersaglio nel trattamento sia del carcinoma prostatico, come la zona dellʼapice della prostata, sia nel trattamento del carcinoma vescicale, come la zona della parte dorso-basale della vescica nella zona di transizione verso la prostata. Ciò assume ancora maggiore importanza nellʼera della IGRT che, grazie alle tecniche ad alta accuratezza di erogazione della dose come la Radioterapia ad Intensità Modulata (IMRT), la Terapia ad Arco Modulato Volumetrica (VMAT) o la Radioterapia Sterotassica Corporea (SBRT), ha portato ad un aumento dei requisiti di accuratezza di delineazione delle strutture anatomiche del paziente. Gli artefatti determinano errori nella assegnazione dei numeri della TC, che a loro volta comportano errori di assegnazione della densità e di conseguenza errori di calcolo della dose. I valori di unità Hounsfield (HU) acquisiti dalle immagini TC variano in un range da 1024 a 3071 che di solito coprono la gamma dei tessuti del paziente. Gli impianti metallici più comunemente utilizzati in ambito clinico come il titanio o lʼacciaio inossidabile, hanno densità stimate al di fuori dellʼintervallo HU dello scanner TC e saturano la scala dei numeri TC; questo influenza il calcolo della dose erogata al paziente in quanto il sistema di pianificazione del trattamento (TPS) non calcola correttamente lʼattenuazione dei metalli sottostimandola e, quindi, calcolando una dose al target inferiore rispetto a quella realmente necessaria con un potenziale effetto negativo sul controllo tumorale (TCP). Vari studi hanno quantificato lʼimprecisione del calcolo della dose in prossimità delle protesi metalliche che può arrivare anche al 5% della dose totale di prescrizione (2-3).

Strumenti di correzione

Sono stati utilizzati diversi approcci per ridurre lʼimpatto degli artefatti sulla qualità dellʼimmagine. Per quanto riguarda la delineazione del target, lʼimaging multimodale con risonanza magnetica nucleare (MR) è uno dei metodi più diffusi in quanto permette tramite lʼutilizzo di sequenze appropriate, di ridurre al minimo la perdita di informazioni. Un altro metodo è la modifica dei parametri di acquisizione della TC. Alcuni studi hanno dimostrato una minore variazione delle HU con lʼutilizzo di energia in megavoltaggio (MV) per integrare la kVCT (kilovoltage computed tomography) di pianificazione della radioterapia. Entrambi i set di immagini sono stati acquisiti e co-registrati. I dati non visualizzabili sulla kVCT sono stati mostrati sulla MV CT perché gli impianti metallici hanno un impatto minimo sulla qualità dellʼimmagine MV CT (4,5,6). Tuttavia, la delineazione del target e degli organi a rischio (OAR) può essere più difficile a causa della bassa risoluzione di contrasto. Altri svantaggi di questo metodo sono lʼincertezza dellʼaccuratezza della registrazione con la kVCT, il campo visivo ridotto (40 cm) e lʼelevato spessore della scansione e non ultimo, una maggiore dose di esposizione per il paziente. Altra metodica per ridurre lʼimpatto dosimetrico degli impianti metallici sullʼindividuazione del target consiste nel delineare manualmente le regioni degli artefatti e assegnare un numero di TC corrispondente alla densità elettronica relativa dellʼacqua o del tessuto circostante ma vi sono diverse limitazioni: la delineazione degli artefatti è operatore-dipendente, il processo richiede molto tempo, la scelta arbitraria del numero di TC da assegnare può introdurre unʼincertezza sistematica. Infine, questa opzione di correzione non è prevista in tutti i TPS in utilizzo clinico. Un ulteriore accorgimento per ridurre lʼimprecisione del trattamento in fase di pianificazione è quello dellʼottimizzazione geometrica dei fasci di trattamento in modo da evitare gli impianti metallici. Unʼulteriore possibile soluzione per la gestione degli artefatti creati da protesi metalliche è costituita dallʼutilizzo della Tomografia Computerizzata a Doppia Sorgente (DSCT). Questa recente tecnologia, utilizzata prevalentemente in diagnostica, consiste in una doppia scansione TC a diverse energie che risulta poco versatile in campo radioterapico sia in fase di acquisizione che di pianificazione. Negli ultimi anni sono stati sviluppati degli algoritmi per la riduzione degli artefatti metallici (MAR) per lʼimaging TC. Questi algoritmi agiscono modificando il processo di ricostruzione dellʼimmagine. Ne esistono di vario tipo, ma il sistema più diffuso consiste nel correggere o sostituire direttamente i dati di proiezione corrotti nel sinogramma sintetizzando nuovi dati di proiezione. Ciò è possibile interponendo valori TC sostitutivi, provenienti da proiezioni vicine o stabiliti a priori da un modello matematico. In alternativa, per completare il sinogramma possono essere incorporate informazioni precedentemente acquisite per generare dati di proiezione. I metodi iterativi possono ridurre lʼimpatto degli artefatti ignorando o riducendo statisticamente i dati influenzati dallʼoggetto metallico, correggendoli con una procedura iterativa al fine di arrivare ad unʼimmagine con caratteristiche più affidabili. Numerosi studi hanno dimostrato lʼutilità di questi algoritmi per lo sviluppo del piano di trattamento radioterapico a livello della pelvi. Ad esempio, lʼalgoritmo O-MAR (Philips Medical Systems), Andersson et al. hanno valutato le prestazioni di quattro algoritmi MAR su un fantoccio in presenza di protesi bilaterali (7). Questi dati sono congruenti con quelli ottenuti dallʼanalisi retrospettiva di 14 TC di pazienti che hanno eseguito radioterapia a livello pelvico in presenza di protesi, in 4 bilaterali. King et al. hanno applicato un algoritmo MAR alle TC di questi pazienti e successivamente ripianificato il piano di trattamento. Dal confronto tra il piano sviluppato su TC non corretta e quello su TC ottenuta con lʼutilizzo del software MAR, è stata evidenziata una differenza statisticamente significativa del volume prostatico contornato. È stata, inoltre, registrata una differenza nella dose calcolata a livello del volume target sulle immagini standard e quelle corrette compresa fra lʼ1% e il 2% pur rimanendo allʼinterno della tolleranza clinica per il trattamento (8). Lʼefficacia degli algoritmi MAR nello sviluppo dei trattamenti radioterapici è stata confermata anche da uno studio di revisione della letteratura che ha considerato 40 studi clinici recentemente pubblicato (9).

Conclusioni

Il primo passo nella pianificazione del trattamento radioterapico è la contornazione del target e degli OAR. Gli artefatti dovuti agli impianti metallici rendono difficile la delineazione dei tessuti nelle aree ad essi più vicini. Ad oggi esistono vari metodi per ottenere una corretta visualizzazione del target. Le immagini TC possono essere integrate con altre modalità di imaging come la RMN per ottenere ulteriori informazioni; la MVTC è unʼulteriore opzione per migliorare la visualizzazione degli organi pelvici per i pazienti portatori di impianti metallici; la delineazione manuale delle regioni dove sono presenti artefatti e lʼassegnazione di un numero TC corrispondente alla densità elettronica relativa dellʼacqua o dei tessuti circostanti è il metodo più diffuso nei reparti di radioterapia (se la densità di massa o la composizione atomica dei tessuti selezionati è nota), ma probabilmente non il più efficace e sicuro. Gli algoritmi MAR pur in assenza di studi clinici prospettici sugli effetti diretti sul controllo locale del tumore e sugli effetti collaterali dei tessuti nei pazienti oncologici radiotrattati con impianti metallici, sembrano essere la migliore soluzione al momento disponibile per un trattamento più accurato. Tuttavia, sono necessari ulteriori indagini di ricerca per valutare i loro vantaggi dal punto di vista clinico sulla delineazione del target e lʼimpatto sulla accuratezza del calcolo della dose.

Bibliografia

Rawla P. Epidemiology of prostate cancer. World J Oncol 2019; 10:63-89.
Kim Y et al. On the radiobiological impact of metal artefacts in head-and-neck IMRT in terms of tumour control probability (TCP) and normal tissue complication probability (NTCP). Med Biol Eng Comput 2007; 45:1045-51.
Spadea MF et al. The impact of low-Z and high-Z metal implants in IMRT: a Monte-Carlo study of dose inaccuracies in commercial dose algorithms: IMRT dosimetric errors due to metal. Med Phys 2013; 41:011702.
Aubin M et al. The use of megavolt-age cone-beam CT to complement CT for target definition in pelvic radiotherapy in the presence of hip replacement. Br J Radiol 2006; 79:918-21.
De Marzi L et al. Calibration of CT Hounsfield units for proton therapy treatment planning: use of kilovoltage and megavoltage images and comparison of parameterised methods. Phys Med Biol 2013; 58:4255-76.
Son SH et al. The effect of metallic implants on radiation therapy in spinal tumour patients with metallic spinal implants. Med Dosim 2012; 37:98-107.
Andersson KM et al. Metal artefact reduction in CT imaging of hip prostheses—an evaluation of commercial techniques provided by four vendors. Br J Radiol 2015; 88:20140473.
King J et al. The impact of a metal artefact reduction algorithm on treatment planning for patients undergoing radiotherapy of the pelvis. Phys Imaging Radiat Oncol. 2022 Nov 12; 24:138-143.
Puvanasunthararajah S et al. The application of metal artifact reduction methods on computed tomography scans for radiotherapy applications: A literature review. J Appl Clin Med Phys. 2021 Jun; 22(6):198-223.8.