Applicazione della tecnologia GRID per la simulazione Monte Carlo dell’apparecchiatura per radiochirurgia stereotassica Gamma Knife Applicazione della tecnologia GRID per la simulazione Monte Carlo dell’apparecchiatura per radiochirurgia stereotassica Gamma Knife Grid Open Day all’Università di Catania 13 Marzo 2007 G. Russo 1, R. Barbera 2, G.A.P. Cirrone 1, G. Cuttone 1, F. Di Rosa 1, E. Giorgio 2, V. Mongelli 1, F. Romano 1, M. G. Sabini 3 1) LNS-INFN 2) Università di Catania, INFN sezione di Catania 3) A.O. Cannizzaro di Catania

Radiochirurgia Stereotassica (RS) Il concetto di radiochirurgia stereotassica fu introdotto circa 50 anni fa dal neurochirurgo svedese Lars Leksell. Questo termine definisce una tecnica di distruzione di un bersaglio intracranico (3 cm diametro), utilizzando elevate dosi di radiazioni ionizzanti somministrate in una unica seduta, usando procedure stereotassiche (caschi rigidi fissati al cranio) per il centraggio della lesione. La stereotassia (dal greco: “disposizione spaziale”) è una “mentalità” chirurgica, piuttosto che una tecnica. Prof. Leksell e Dott. Larsson nel 1958 effettuarono il primo trattamento in Svezia con il Gamma Knife

Il Gamma Knife usa fasci di raggi gamma per trattare patologie maligne e benigne, quali tumori, meningiomi, nevralgia del trigemino, malformazioni vascolari dell’encefalo

201 sorgenti  di 60 Co sono posizionate su una matrice semisferica e convergenti, attraverso un collimatore, in un unico punto focale “isocentro”

Componenti principali: Sistema di posizionamento automatico (APS) Lettino per il trattamento Porte schermanti Materiale schermant e (Fe) Sorgenti di 60 Co Copertura in plastica Canale dei collimatori fissi (Pb, W, Al) Elmetto dei collimatori mobili unità radiante fissa unità radiante fissa sistema di posizionamento (APS) sistema di posizionamento (APS) collimatori (fissi e mobili) collimatori (fissi e mobili) Direzione di ingresso nell’unità radiante Principi del Leksell Gamma Knife ®

201 sorgenti di 60 Co sulla superficie di una semisfera lungo 5 anelli 20 dischetti sovrapposti di 60Co di raggio = 0.5 mm spessore = 1 mm Attività totale all’installazione: 5119 Ci  3 Gy/min all’isocentro 60 Co Unità radiante fissa Principi del Leksell Gamma Knife ®

Collimatori Apertura collimatori dell’elmetto (diverse dimensioni della lesione) diametri dei fasci all’isocentro: 18 mm 18 mm 8 mm 8 mm 14 mm 14 mm 4 mm 4 mm collimatore mobile (elmetto) Principi del Leksell Gamma Knife ®

Sistema di posizionamento della testa (APS) Spostamento del bersaglio rispetto all’isocentro fisso Casco stereotassico (fissato rigidamente alla testa) localizzazione del volume di interesse

Leksell GammaPlan ® Sistema di pianificazione dei trattamenti (TPS) Leksell GammaPlan ® Controllo e gestione del sistema durante il trattamento Piani di cura Immagini digitali della testa tramite TC e/o MRI, AngioImmagini digitali della testa tramite TC e/o MRI, Angio Visualizzazione nei 3 piani: assiale, coronale e sagittaleVisualizzazione nei 3 piani: assiale, coronale e sagittale Ricostruzione della forma e delle dimensioni della testaRicostruzione della forma e delle dimensioni della testa Principi del Leksell Gamma Knife ®

Leksell GammaPlan ® Algoritmi matematici di Leksell GammaPlan ® Assunzioni del TPS: ricostruzione della testa a partire da 24 punti di misura ricostruzione della testa a partire da 24 punti di misura scatola cranica costituita esclusivamente da acqua scatola cranica costituita esclusivamente da acqua valore medio di energia dei fotoni incidenti pari a 1.25 MeV valore medio di energia dei fotoni incidenti pari a 1.25 MeV μ = mm -1 E’ fondamentale uno studio dettagliato del comportamento del TPS in casi particolari! Simulazioni Monte Carlo con Geant4 Principi del Leksell Gamma Knife ®

Sviluppo del programma GammaKnifeRS Programma sviluppato con Geant4: GammaKnifeRS (Radiochirurgia Stereotassica con Gamma Knife ® ) Fasi di sviluppo: 1.Suddivisione del sistema in 201 “unità elementari” 2.Simulazione di una “unità elementare” e del fantoccio sferico 3.Simulazione del sistema completo (201 “unità elementari”) 4.Distribuzione del Time Run su GRID Materiale schermante Elmetto mobile Sorgente radioattiva Collimatore fisso Collimatore finale Diametro del fascio Isocentro Simulazione di un’unità elementare: Simulazione della sorgente Simulazione dei collimatori Simulazione del fantoccio sferico e del rivelatore Simulazioni Monte Carlo con Geant4

Simulazione della sorgente Sviluppo del programma GammaKnifeRS Cilindro di 60 Co raggio base = 0.5 mm asse = 20 mm Generazione random degli eventi primari Parametri da definire per ogni nuovo evento tipo di particella energiaposizione direzione iniziale Decadimento β - del 60 Co: 2 gamma in cascata di energie: E γ1 = 1.17 MeV E γ2 = 1.33 MeV N.B.: Per GammaPlan ®  E = 1.25 MeV

Simulazione del fantoccio e del rivelatore Sviluppo del programma GammaKnifeRS Fantoccio  Sfera di acqua R = 8 cm Rivelatore  cubo di 45 mm di spigolo 45 voxel (1 mm) per lato Visualizzazione con Geant4 rivelatore cubico: acquisizione dell’energia ceduta Fantoccio acqua-equivalente utilizzato per le misure 45 mm voxel (i, j, k) l = 1 mm

Simulazione del sistema completo (201 sorgenti) Sviluppo del programma GammaKnifeRS 201 sorgenti radioattive 201 sistemi di schermo 201 canali di collimazione e un fantoccio fisso 1 sorgente radioattiva 1 sistema di schermo 1 canale di collimazione e un fantoccio rotante troppe linee di codice… codice più leggero e gestibile! Target γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γ γγ γ γ γ γ γ γ γ

Validazione del programma GammaKnifeRS Confronto con i 4 collimatori (20 Gy all’isocentro) 4 film da 6 x 6 cm 2 al centro del fantoccio sul piano assiale Analisi : indice γ * (Matlab ® ) DTA: distanza di accordo Differenza di dose γ < 1  punti che superano il test γ > 1  punti che non superano il test collimatore da 18 mm γ < 1 *A. Low et al., A technique for the quantitative evaluation of dose distributions

Validazione del programma GammaKnifeRS Confronto con i 4 collimatori (20 Gy all’isocentro) collimatore da 4 mm γ < 1 Analoghi risultati sono stati ottenuti con gli altri collimatori

Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan ® Collimatore da 18 mm Collimatore da 4 mm γ < 1 Analoghi risultati sono stati ottenuti con gli altri collimatori

Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan ® Sovrapposizione su piani assiali non passanti dal centro 8 mm dal centro del fantoccio -8 mm dal centro del fantoccio γ < 1

Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan ® Sovrapposizione su piani coronali non passanti dal centro 8 mm dal centro del fantoccio 16 mm dal centro del fantoccio γ < 1

Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan ® Buon accordo tra i dati del TPS GammaPlan ® e i risultati della simulazione! per piani passanti dal centro del fantoccio (in assiale) per piani a varie distanze dal centro del fantoccio (in assiale e coronale) In condizioni standard (fantoccio di acqua) In caso di disomogeneità ?

TPS Simulata Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan ® cubo di aria 3 cm di spigolo disomogeneità aria-acqua (es.: cavità nasali) γ > 1  differenze di dose fino al 4% ! Volume di aria Volume

Confronto tra GammaKnifeRS e il TPS GammaPlan ® In casi non standard il TPS non esegue un calcolo corretto della distribuzione di dose differente coefficiente di attenuazione lineare per fasci gamma in acqua e in aria GammaPlan ® non distingue le disomogeneità !

Perché non si utilizza un software Monte Carlo come TPS ? Il metodo Monte Carlo consente un accurato calcolo della distribuzione di dose ma necessita di grandi tempi di calcolo Per simulare 10 9 eventi l’applicazione GammaKnifeRS impiega: 21,6 giorni su una CPU (Pentium4 1,6 GHz) 2,5 giorni su un cluster (15 Biprocessori Xeon 2,4 GHz) 24 ore su GRID (lanciando mediamente 90 jobs)

GammaKnifeRS su GRID Passi da seguire per lanciare su GRID una applicazione Monte Carlo basata sulle librerie Geant4: 1)Creazione di un tarball per l’installazione delle librerie necessarie 2) Pubblicazione del TAG, da specificare nei requirements del jdl 3)Upload dell’applicazione su alcuni Storage Elements Non è necessario modificare il codice del programma sviluppato

GammaKnifeRS su GRID 4) Sviluppo di uno script per il lancio dei job, che tenga conto delle risorse disponibili 5) Sviluppo di uno script per la raccolta degli output che conti il numero di job in done ed effettui il download raggiunto 80% del totale 6) Sviluppo di un applicativo (ad es. MatLab®) per la somma dei dati di ogni singolo job ###Submitted Job Ids### ….. Codice indentificativo di ogni singolo job

Applicazione della Tecnologia GRID Riduzione dei tempi di calcolo Riduzione dei tempi di calcolo Facilità di utilizzo Facilità di utilizzo Possibilità di creare un portale web per la sottomissione e raccolta dei job Possibilità di creare un portale web per la sottomissione e raccolta dei job

Conclusioni E’ stata sviluppata e validata la simulazione Monte Carlo del sistema per radiochirurgia stereotassica Gamma Knife: GammaKnifeRS Sono state confrontate le distribuzioni di dose calcolate dal TPS GammaPLan con quelle previste dal Monte Carlo Sono state evidenziate delle differenze tra il TPS e l’applicativo GammaPlanRS in caso di fantocci non omogenei E’ stata utilizzata la tecnologia GRID per ridurre i tempi di calcolo dell’applicazione Monte Carlo

Grazie per l’attenzione