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Metal e artefatos de TC

Metal · rdphy Platform

Uma prótese de quadril erra a dose de duas formas: as estrias do artefato falseiam o HU dos tecidos ao redor, e o cálculo passa a ler densidade errada ali; e o próprio metal, muito mais denso que osso, atenua e espalha o feixe. O módulo detecta o implante, trata a região de artefato, atribui material e densidade físicos ao metal, evita feixes que entram pelo implante e calcula a dose final no Geant4 com a incerteza declarada.

Dois cortes axiais da mesma TC de pelve com duas próteses de quadril: à esquerda as estrias do artefato, à direita o metal em vermelho, a região de artefato em amarelo e o PTV em ciano.
Detecção automática do metal (HU acima de 2500, dilatado 1,5 mm) e da região de artefato entre as próteses, com as funções de produção. As próteses e o artefato foram inseridos por simulação numa TC pública: é um caso de teste, não uma TC de paciente com prótese. TC: TCIA Prostate-Anatomical-Edge-Cases, caso Prostate-AEC-001 (CC BY 4.0); próteses e artefato sintéticos

O que o módulo permite

  • Detecção 3D do implante — Limiar de HU ajustável (padrão 2500), componentes com volume mínimo e dilatação de 1,5 mm. As estruturas de metal e de artefato são criadas sozinhas e podem ser editadas. HU saturado em 3071 gera alerta: a escala estendida não foi usada e o HU do metal não tem significado.
  • Material e densidade do implante — Biblioteca com Ti-6Al-4V (4,43 g/cm³), CoCrMo (≈ 8,3), aço 316L (≈ 8,0), polietileno, alumina, zircônia, cimento ósseo, ouro e Pt-Ir, cada liga por composição em massa. O metal nunca recebe densidade derivada do HU. Sem informação do implante, entra o material mais denso plausível e um cenário com o alternativo; densidade fora de ± 20 % da típica exige fonte.
  • Correção do artefato — LI e NMAR por reprojeção da imagem DICOM, gravadas como série derivada [AI-DERIVED] ao lado da original. Antes do cálculo cada corte corrigido é conferido: corte com HU impossível para tecido é descartado e volta para a classe de tecido. Alternativa: override por classe de tecido, mantendo o gás do reto e das alças contornados.
  • Decisão registrada — Com metal detectado, o plano 3D, IMRT ou VMAT não segue sem uma decisão auditada: material de cada implante, estratégia para o artefato, política de evitação e cenários. Sem ela o caso fica em revisão manual.
  • Feixes que não entram pelo implante — 3D: fração de raios até o alvo que atravessam o metal por campo; acima de 5 % gera alerta, acima de 50 % bloqueia salvo justificativa, com ângulos alternativos sugeridos. IMRT: beamlets que entram pelo metal saem da otimização. VMAT: setores do arco com o MLC fechado. A saída pelo metal, depois do alvo, é permitida por padrão.
  • Dose final no Geant4 — A liga entra no Monte Carlo com sua composição; voxels parciais viram mistura por massa. Com metal, a grade é limitada a 2 mm e o corte de produção é 0,5 mm. O usuário escolhe otimizar rápido (densidade física do implante no motor analítico) ou tudo em Monte Carlo; a dose final é sempre Geant4.
  • Incerteza e cenários — Estimativa de 1ª ordem por campo pelo trajeto na região de artefato, somada ao termo do material do implante. Cenários de densidade ± Δρ, implante ± mm e material alternativo refazem o Monte Carlo com a mesma semente. A otimização pode ser robusta a esses cenários, nos pesos e na fluência.
  • Relatório — Seção "Metal e artefatos" no PDF do plano: implantes, material e fonte, aquisição (escala estendida, MAR, saturação), correção aplicada, feixes evitados ou justificados, incerteza e a dose dos alvos sem os voxels de metal, com o volume excluído.

Como funciona na rotina

  1. Detecção na TC — Na aba Metal do plano, a detecção roda na TC e lê do DICOM se a escala estendida foi usada. Metal e artefato aparecem como estruturas editáveis. O cálculo não segue com HU de metal na TC sem uma decisão registrada.
  2. Material do implante — O físico registra o material de cada implante. A localização vem da anatomia contornada: quadril só a até 30 mm do fêmur ou da pelve.
  3. Estratégia do artefato — NMAR, LI ou override por classe de tecido. A imagem corrigida é revisada ao lado da original; os contornos clínicos continuam sendo conferidos na original.
  4. Planejamento com evitação — Campos, beamlets ou setores que entram pelo implante são bloqueados ou justificados. Cenários e otimização robusta entram se configurados.
  5. Dose e revisão — Dose final no Geant4, incerteza estatística na sombra do implante e seção de metal na revisão guiada do físico e no relatório.

Física e verificação

O artefato e a física do metal são erros independentes. Estria clara superestima a densidade e leva a sobredose; estria escura, a subdose. Mesmo com a imagem perfeita, o metal atenua: o TG-63 reporta cerca de 32 % de redução a 6 MV, 10 cm além de uma prótese de CoCrMo de 1,6 cm a 8 cm de profundidade.

No nosso Geant4, uma placa de CoCrMo de 1,6 cm a 8 cm de profundidade em água, 6 MV, dá razão de dose 0,69 a 10 cm além do implante. O corte de produção foi testado em 1,0, 0,5 e 0,1 mm: entre 0,5 e 0,1 mm a diferença ficou abaixo de 1 % a jusante, na interface de entrada e na sombra.

A estimativa de 1ª ordem é ΔD/D ≈ 1 − exp(−μ_eff · Δρ · L), com L o trajeto na região de artefato; Δρ padrão de 0,2 com MAR e 0,5 sem, μ_eff ≈ 0,045 cm⁻¹ a 6 MV, ajustáveis nas Configurações. No fantoma sintético de referência com duas próteses, LI e NMAR reduzem o RMSE fora do metal de cerca de 384 HU para 78 HU.

Os voxels de metal ficam fora do DVH dos alvos, e o volume excluído é informado. Dentro do metal a dose não tem interpretação clínica.

Referências

  • AAPM TG-63 (Reft et al., Med Phys 2003)
  • Kalender et al., Radiology 1987 (interpolação linear no sinograma)
  • Meyer et al., Med Phys 2010 (NMAR)
  • Schneider et al., Phys Med Biol 2000 (HU → material)
  • Coolens e Childs, Phys Med Biol 2003 (escala estendida)

O que muda para o serviço

  • Nada silencioso — Saturação, ausência de MAR, material provisório e feixe que atravessa o implante aparecem como avisos com números, no plano e no relatório.
  • Mesmo fluxo para 3D, IMRT e VMAT — A decisão do metal é uma etapa do plano, com auditoria, e vale para as três técnicas.
  • Base para discutir com o médico — Ângulos evitados, incerteza estimada e cenários de densidade mostram quanto o implante pesa no plano antes da aprovação.

Integração

  • TC DICOM: leitura da escala estendida, da saturação e do MAR do tomógrafo
  • Série MAR derivada no visualizador ao lado da original
  • Planejamento 3D, IMRT e VMAT da plataforma
  • Motor Geant4 com materiais por composição
  • Configurações → Metal: limiares, Δρ, grade e corte
Mesmo corte axial de pelve antes e depois da correção NMAR, com as estrias reduzidas na imagem corrigida.
Imagem original preservada e a correção NMAR gravada como série derivada. Como o artefato deste caso foi simulado com o mesmo modelo de projeção da NMAR, a figura é um teste funcional e não valida a correção. TC: TCIA Prostate-Anatomical-Edge-Cases (CC BY 4.0); próteses e artefato sintéticos; NMAR calculada pela plataforma
Dose em cores sobre o corte axial de pelve com quatro campos; os laterais a 75° e 285° passam acima das próteses.
Plano 3D de teste calculado no Geant4: os laterais foram movidos para os ângulos sugeridos (75° e 285°), sem entrada pelas próteses. Cálculo leve (grade de 5 mm), sem valor dosimétrico. USO EM PESQUISA — NÃO CLÍNICO. TC: TCIA Prostate-Anatomical-Edge-Cases (CC BY 4.0); próteses sintéticas; dose calculada pelo motor Geant4 da plataforma

Situação

Detecção, correção, materiais, evitação em 3D, IMRT e VMAT, cenários e relatório estão implementados e passaram por revisão física interna. Falta validar com fantoma com prótese medido (câmara ou filme) e com TC real de paciente com prótese. O acelerador ainda não foi comissionado.

Software em desenvolvimento. Uso clínico somente após registro na Anvisa e validação no serviço.

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