Conceitos básicos de Estereotaxia e Radiocirurgia

Armando Alaminos Bouza - Físico

Serviço de Radiocirurgia CEPRO, São Paulo.Serviço de Dor e Neurocirurgia Estereotáxica e Funcional, Hosp. Nove de Julho, SP.MEVIS Informática Médica Ltda.

XXXIII Oficina de Física “Cesar Lattes”Física na Medicina e Biologia.Instituto de Física “Gleb Wataghin”.UNICAMP18 de Outubro de 2014

Definição do conceito de “Estereotaxia”

Como integrar um sistema de coordenadas Cartesiano ao encéfalo ?

Horsley & Clark 1906 - London

UCLA Museum of Medical Apparatus

Munssen 1918 - Montreal

Como localizar/atingir um ponto do cérebro com máxima precisão ?Primórdios da Estereotaxia.

Spiegel e Wycis 1947

Primeira cirurgia estereotáxica em humanos.

Leksell - 1949. Primeiro sistema isocêntrico

Formas de fixação de um sistema cartesiano rígido ao encéfalo.

Riechert-Mundinger ou ZD FiMe ou Bramsys

Tomografia Estereotáxica.

Marcadores estereotáxicos ( fiducials )

Localizador em forma de “N”( sistemas: Micromar, Radionics, Leksell, FiMe )

Cálculo do Z para o ponto de interseção entre a diagonal do localizador eo plano de corte tomográfico, independentemente da obliquidade.

(correção por obliquidade, A. Alaminos Bouza [1,11])

Paciente com um Radionics CRW em 3D

Cálculo do “Z” para localizador em “V” (sistemas Riechert-Mundiger e Zamorano-Dujovni).(Sturm-Pastyr, Acta Neurochirurgica,

Volume 68, Numbers 1-2 / March, 1983)

(Algoritmo do MNPS – correção por obliquidade, Alaminos Bouza [1,11])

Radiocirurgia Estereotáxica : Definições

Radiocirurgia Estereotáxica = Estereotaxia + Feixes de alta energia colimados, 1 Fração.

Radioterapia Estereotáxica = Estereotaxia + Feixes de alta energia colimados, N Frações.

Comum : Alta precisão na definição e localização do alvo dentro do sistema de referência Estereotáxico. Alta concentração de energia dentro do alvo. Alto gradiente dedose na borda do alvo. Poupa de forma dramática tecidos fora do alvo.

Prof. Lars Leksell (1907-1986) . Neurocirurgião sueco, criador do Gamma Knife e do conceito da Radiocirugia.

Em 1951, usando o cyclotron da Universidade de Uppsala, Leksell e o físico e radiobiólogo Borje Larsson desenvolveram o conceito de Radiocirurgia. Usaram feixes de prótons que incidiam em um pequeno volume do cérebro chegando por diversas direções. Conseguiram um método não invasivo de destruir regiões discretas e bem definidas dentro do cérebro com danos mínimos ao tecido circundante.

Radiocirurgia na década de 1960:

- Universidade de Berkeley, California. Cyclotron. Tratamento estereotáxico de doenças hipofisárias. Dr. John Lawrence, desde 1954, irmão de Dr. Ernest O. Lawrence, Prêmio Nobel de Física pela invenção do cyclotron. Depois usado por Dr. Jacob Fabrikant para tratar MAV e adenomas.

- Harvard, Boston. Cyclotron. Dr. Ray Kjellberg, após visitar a Leksell. MAV.

Toda a radiocirurgia dos anos 1960 foi baseada em cyclotrons. Poucas chances de popularizar o método pelo alto custo do sistema.

O primeiro sistema clinicamente prático para radiocirurgia estereotáxica foi o Gamma Knife de 179 fontes de Cobalto-60, desenhado por Lars Leksell (neurocirurgião) e Borje Larsson (físico).

Os primeros casos clínicos foram tratados na própria fábrica, Motala AB, em Linköping, Suécia, no ano de 1967.

Instalado pela primeira vez no Hospital Sophia Hemmet em Stockholm, 1968.O primeiro paciente tratado foi submetido a uma talamotomia para controle de uma dor oncológica.

O Gamma Knife tem evoluído até o presente e hoje utilizam 201 fontes de Cobalto-60 colimadas e convergentes a um isocentro comum.

Ainda hoje o Gamma Knife é um sistema de custo muito alto com aplicabilidade limitada apenas à Radiocirurgia Estereotáxica.

1980..89 : Nascem os sistemas de radiocirurgia alternativos.

1982 – Barcia-Salorio – Cobalto-60 arcos isocêntricos com cones. Madrid.

1983 – Jack Beraha – LINAC, arcos isocêntricos com cones. São Paulo.

1984 – Osvaldo Betti / Derechinski – LINAC – Cadeira isocêntrica com cones.Buenos Aires.

1985 – Colombo – Itália – LINAC irradiação dinâmica, com cones.

Fatos que ajudaram a popularizar A Radiocirurgia :

- LINACs com isocentro estável.

- Boom da neuro-imagem.

- Boom da neurocirurgia estereotáxica.

- Queda contínua dos preços do MegaFLOPS e megaByte.

Solução com LINAC :

Radiocirurgia comLINAC

“fluxograma”

Radiocirurgia e imagens:

- X-Rays : angiografia e ventriculografia. Alta resolução espacial mas pouca diferenciação dos tecidos.

- Tomografia computadorizada. A resolução espacial tem melhorado e hoje pode considerar-se de 0.5 mm. Não apresenta distorção da geometria ou apenas linear. Moderada diferenciação dos tecidos.

- Ressonância Magnética Nuclear. Alta diferenciação dos tecidos. Resolução espacial próxima dos 0.5 mm. Pode apresentar distorção não linear da geometria.

MRI e estereotaxia

Fusão multimodal de imagens:

- semi-automática com referenciais intrínsecos.

- automática com maximização da informação mútua.

← neurinoma em CT e RMN

Fusão multimodal de imagens

Planejamento da radiocirurgia: conformação da isodose ao formato do alvoou formato do PTV.

Como quantificar o grau de conformação?

(imagem cedida por Lic. Andrés Bruna)

Planejamento de alvos complexos: índices da conformação (conformity index)

Ian Paddick, M.Sc. J. Neurosur. Supp 3, vol 93, dec. 2000

PIV : planned iso. Vol.

TV : Target vol.

TVpiv : TV ∩ PIV

Como otimizar a distribuição da dose?

Parâmetros a considerar para um número fixo de arcos:

- coordenadas dos isocentros por arco.- diâmetros de colimador por arco.- peso de cada arco.

Muitos graus de liberdade !

?

Índice de conformação como função objetivo

Planejamento inverso em Radiocirurgia?

Índice de conformidade como função objetivo.

Correção da distorção em DSA

r' = r + D r3 + E r5

Modelo de Seidel aplicado ao Sistema Intensificador de Imagens (IIs). Curvatura do fotocátodo e campos magnéticos externos .

DSA original DSA após correção

Imagens de DSA: Correção da distorção

Test de Winston-Lutz

Controle de Qualidade Interno

Controle de Qualidade : controle dosimétrico, phantom antropomórfico.

Radiosurgery Verification Phantom.MD Anderson Cancer Center.

Controle de qualidade por laboratório certificador externo.

Radiocirurgia - Indicações frequentes:

- metástases cerebrais- neurinomas- meningiomas- malformações artério-venosas (MAV).- neuralgia do trigêmeo

Critérios de Seleção :

- lesões com diâmetro < 35mm- lesões com limites bem definidos.- outros a critério do serviço.

Dia 0 (zero) Após 30 (trinta) dias

Estereotaxia sem halo estereotáxico : “Frameless neuronavigation”Alternativa moderna com câmara estereoscópica.

Menos invasivo enquanto o paciente está acordado. Ainda, menos preciso que modalidade com “frame”. Depende de CPU e GPU muito rápida. Preferência pelo infra-vermelho. 10 a 30 frames por segundo.

Sistema Mevis/Bramsys/FiMe em desenvolvimento e uso clínico.

Bibliografia

1. Armando L. Alaminos Bouza. “Imaging, Stereotactic Space and Targeting in Functional Neurosurgery”. Book Chapter: “Functional Neurosurgery”, editor Arthur Cukiert. Alaúde Editorial 2014. pages 67-79.

2. Alaminos A., Ortega, Molina, Valladares, Quiñones; “A Stereotactic Surgical Planning System for the IBM 386/486 PC family”. Stereotact Funct Neurosurg. 1994; 63: 35-37.

3. Teijeiro J, Ohye C, Macías RJ, Ortega I, Alaminos A, Alvarez L: “Deep recording and digital processing system for brain electrical activity evaluation” (abstract). Stereotact Funct Neurosurg 1994; 62:198.

4. Teixeira MJ., Lepski G, Aguiar PH, Cescato VA., Rogano L., Alaminos AB : “Bulbar trigeminal stereotactic nucleotractotomy for treatment of facial pain”. Stereotact Funct Neurosurg. 2003; 81(1-4): 37-42.

5. Fonoff Erich T, et al., “Long-term outcome of atlas-based lesion of posterior zona incerta in secondary hemidystonia, Parkinsonism and Related Disorders”. 2011, Sep;17(8):649-50. doi: 10.1016/j.parkreldis.2011.05.005. Epub 2011 Jun 8.

6. Sturm V, Pastyr O, Schlegel W, et al. “Stereotactic computer tomography with a modified Riechert-Mundinger device as the basis for integrated stereotactic neuroradiological investigations”. Acta Neurochir (Wien) (1983) 68:11–17.

7. Burchiel KL, Nguyen TT, Coombs BS, Szumoski J.”MRI distortion and stereotactic neurosurgery using the Cosman-Roberts-Wells and Leksell frames”. Stereotact Funct Neurosurg. 1996; 66(1-3): 123-36.

8. Viola P., Wells WM. “Alignment by Maximization of Mutual Information”. International Journal of Computer Vision, (1997) 24(2)137-154.

9. Maes F., Collignon A., Vandermeulen D., Marchal G., Suetens P. “Multimodality image registration by maximization of Mutual Information”. IEEE Transactions of Medical Imaging, vol.16, no.2, 1997.

10.Cover, T. M. and Thomas, J.A., 1991, Elements of Information Theory, New York: John Wiley & Sons.11.Alaminos A. “MNPS – Mevis Neurosurgery Planning System. User Manual”. www.mevis.com.br

Link para download : http://pt.slideshare.net/alabouza/estereotaxia-e-radiocirurgiaoficinasdefisica2014unicamp

Conclusões

A estereotaxia é, até hoje, a técnica mais precisa para dirigir um objeto a um ponto do encéfalo.

A Radiocirurgia é muito precisa em termos geométricos e dosimétricos.

O erro geométrico pode ser catastrófico em todas a modalidades estereotáxicas !

É uma técnica complexa.

Estereotaxia e Radiocirurgia são técnicas multi-disciplinares, com muita participação do físico-médico.

Além do trabalho clínico, o físico deve considerar as possibilidades de desenvolvimento tecnológico.

Obrigado, Armando