UE 3.6 LES RISQUES EN RADIOTHERAPIE

De la prescription au traitement : identification des risques

Généralités

1^er objectif de la radiothérapie

Pour arriver à la réalisation du traitement de radiothérapie, un processus complexe de préparation doit être mis en œuvre

Le contrôle qualité doit concerner chacun des éléments du processus et couvrir des aspects mécanique, géométrique, dosimétrique et de transfert de données

Sur un plan clinique, le suivi des patients pendant et après leur traitement est aussi une démarche de contrôle qualité

Délivrer la dose prescrite dans la totalité du volume cible avec une précision meilleure que +/- 5% tout en limitant au minimum l’irradiation des tissus sains avoisinants.

Atteindre cet objectif implique :

Connaissance  précise des caractéristiques physiques et dosimétriques des faisceaux de rayonnement utilisés pour le traitement du patient

Un soin particulier aux différentes étapes nécessaire à la préparation lors des acquisitions des données anatomiques du patient, du choix de la technique d’irradiation, de la prescription et ainsi que lors de la réalisation du traitement (mise en place, contrôle).

2^ème objectif :

L’efficacité de la radiothérapie est dépendante de la précision sur la dose délivrée en raison d’un équilibre plus ou moins critique entre : – Dose trop faible à récidive – Dose trop élevée à complications

L’importance des effets du traitement est étroitement corrélée à la dose absorbée à une faible variation de la dose peut avoir des effets importants au niveau du contrôle tumoral mais aussi des effets secondaires au niveau des tissus sains.

Les erreurs et incidents en radiothérapie

Vocabulaire des risques en radiothérapie :

Définition : Un risque : la définition de la norme médicale ISO 14971 : le risque est la combinaison de la probabilité d’un dommage et de sa gravité à associé à une incertitude et un dommage à échelle de gravité

Une erreur : différence entre une valeur mesurée et la valeur « vraie ». Une erreur a une valeur numérique et un signe.

Une incertitude : paramètre qui caractérise la dispersion des valeurs à un écart – type estimé, n’a pas de signe et est supposé être symétrique. En radiothérapie à dépendance des nouvelles techniques Incertitudes spatiales à (<10mm) résultant de la machine et positionnement du patient Incertitudes sur la dose à (5% global sur la dose délivrée au patient) résultant du calcul, des facteurs et de la délinéation des contours.

Origines des erreurs en radiothérapie

Les erreurs peuvent se produire à n’importe quelle étape de la radiothérapie (en particulier, problèmes de transfert d’information entre différentes étapes et différents groupes de professionnels impliqués dans la chaîne de la RT)

• La plupart des causes d’irradiation accidentelles sont liées au manque d’un programme d’assurance de qualité adapté ou a la déficience de son application en pratique
• Les erreurs humaines dues à l’inattention, le manque de connaissances, l’excès de confiance, la pression dans le travail, le manque de ressources, les défauts de communication …

Exemples : A chaque étape une erreur peut s’introduire. Prescription médicale : Dose prescrite / séance, fractionnement … // Erreur identité // Erreur dans la localisation. Simulation virtuelle : Erreur humaine : dans la localisation, le positionnement, l’identité. // Qualité d’image : artéfact // CT réalisé 3 mois avant le traitement Contourage : Précisions des volumes contourés +++ // Pas de fusion avec autres modalités // Non prise en compte du mouvement des volumes cibles et OARs TPS : Configuration données, faisceaux … // Choix algorithme de calcul // Double calcul UM // Erreur lors du transfert // Erreurs imagerie portale // DIV Traitement : Erreur positionnement // Calibration du faisceau

Bilan : Les principales sources d’erreurs en radiothérapie

Le volume traité est différent du volume cible : – Erreurs lors de la définition du volume cible (acquisition des données anatomiques / fusion / segmentation / simulation virtuelle) – Erreurs dans le calcul des distributions de doses ou dans l’établissement du plan de traitement – Géométrie incorrecte du simulateur ou de l’appareil de traitement – Erreurs dans la mise en place des patients ou dans la position de l’appareil de traitement

La dose délivrée est différente de la dose prescrite : – Erreurs dans l’étalonnage absolu des faisceaux (dose de référence) – Erreurs dans les données du patient et de l’appareil (données de base du faisceau) – Erreurs dans le calcul du temps de traitement ou nombre d’unités moniteur – Problèmes techniques de l’appareil de traitement (IQ ? Cambre moniteur ?) – Erreurs dans la sélection de l’énergie, du débit de dose, le filtre en coin … – Erreurs dans la distance de traitement …

CONCEPT ASSURANCE QUALITE

Les moyens mis en œuvres

L’assurance qualité : principes et bases

Définition :

Assurance de qualité : ensemble de dispositions permettant d’assurer la cohérence de la prescription et de la réalisation du traitement, et l’évaluation des résultats.

Contrôle de qualité (CQ) : mesures destinées à vérifier, améliorer et maintenir la qualité de la réalisation du traitement.

Objectif / Intérêt :

• Améliorer et maintenir la précision requise (réduction des incertitudes et erreurs à chaque étape de la préparation et de la réalisation du traitement)
• Réduction de la probabilité d’occurrence d’une erreur / incident ET amélioration de la probabilité d’identification de la cause + rectification.
• Permettre un inter comparaison des traitements (uniformité de la réalisation de TT) -> Dans le même centre -> Entre différents centres à l’échelle nationale (ex : Guide SFPM en France) ou internationale

 

MEILLEURE EVALUATION DES TECHNIQUES DE TRAITEMENT ET DE LEUR INCIDENCE (taux de guérison, récidives, complications …).

Quel est le principe de base de l’assurance qualité en RTE ?

LA PREPARATION

ELABORATION DE PROTOCOLES DE CONTROLE DE QUALITE :

• Incluent des règles précises sur les méthodes et appareillages utilises
• Pour chaque étape du traitement
• Tenant compte de l’équipement local, des ressources humaines

PREPARATION DES PROTOCOLES DE CONTROLE DE QUALITE :

Engage la responsabilité du département de radiothérapie =>  un minimum de cohérence est souhaitable entre les protocoles utilisés dans différents centres.

La MISE EN ŒUVRE

CONSTITUTION D’UNE EQUIPE LOCALE PLURIDISCIPLINAIRE associant :

• Radiothérapeutes
• Physiciens médicaux
• Dosimétristes
• Manipulateur en radiothérapie
• Ingénieurs -> pour le contrôle global en radiothérapie

INTERVENTION PROGRAMME D’EXPERTS EXTERIEURS AU CENTRE (mise en évidence d’éventuelles erreurs systématiques -> Audit).

Quels sont les responsabilités des équipes médicales en RTE (radiothérapie externe) ?

RADIOTHERAPEUTE :

• Prescription du traitement (volume cible, dose totale, dose / séance, n séances, espacement des séances, doses aux organes a risque, plan de traitement)
• Surveillance du patient (pendant et après traitement)
• Evaluation des résultats

PHYSICIEN MEDICAL :

• Equipement : spécification, validation, caractérisation et étalonnage de l’ensemble des équipements de radiothérapie (informatique + dosimètres et accessoires)
• MISE EN PLACE des contrôles de qualité périodiques associés.
• Connaissance et mise en place des méthodes de mesures et de calcul de la dose
• Acquisition des données de base (commissioning) + Acceptance
• Contrôle de qualité de la réalisation des traitements (IGRT, Dosimétrie in vivo, etc.)
• Radioprotection du patient (personnel si PCR)
• Elaboration et revue des protocoles de contrôles de qualité et procédures d’utilisation du matériel

MANIPULATER EN RADIOTHERAPIE :

• Réalisation quotidienne de l’irradiation du patient incluant :
• Mise en place du patient
• Technique d’irradiation conforme à la prescription
• Contrôle de l’irradiation et du suivi
• Enregistrement et suivi de la fiche de traitement

Pourquoi l’implication d’un AUDIT de qualité ?

MISE EN PLACE DE PROGRAMMES D’ASSURANCE DE QUALITE COMPLETS IMPLIQUANT LA PARTICIPATION A DES AUDITS DE QUALITE EXTERNES

Exemple : EQUAL ESTRO

Si on ne respecte pas les contrôles qualité externe, ASN nous contrôle ! Après les visites, on fait des corrections. -> Liste des actions correctives suite aux incidents -> CREX

Les évènements indésirables

Définition : Evénement indésirable : Evénement ne devant pas se produire ou devant se produire avec une probabilité moins élevée au regard d’objectifs de sûreté de fonctionnement.

Un événement indésirable résulte d’un enchainement particulier de dysfonctionnement technique ou humain.

Comment gérer ces événements indésirables en radiothérapie externe afin de garantir cette assurance qualité ? -> CREX (Comité de Retour Expérience).

Qu’apporte la déclaration des évènements indésirables ?

5 principaux enjeux

1. Surveiller et évaluer les lignes de défense mises en œuvre pour garantir la sécurité
2. Accroître ses connaissances sur les causes de défaillance et facteurs de performance : principales causes -> la communication
3. Envisager de nouveaux scénario d’incidents : Un dysfonctionnement -> un incident -> un accident
4. Améliorer la robustesse du système par l’action sur les vulnérabilités repérées
5. Permettre un dialogue au sein de l’installation et avec l’autorité sur la gestion des risques.

Le contrôle de qualité réglementaire

Objectif en Radiothérapie

• Le but de la radiothérapie est de délivrer une dose suffisamment importante à la tumeur pour la stériliser
• Compromis entre :
  • Dose suffisante pour éviter les récidives
  • Dose pas trop forte pour éviter les complications

 

• L’efficacité de la radiothérapie dépendra de la précision sur la dose délivrée
• L’expérience a montré qu’une variation de 10% pouvant induire un changement significatif dans le contrôle local et le taux de complication

Dose prescrite délivrée dans la totalité du volume cible avec une précision meilleure que +/- 5% tout en limitant au minimum l’irradiation des tissus sains avoisinants.

Définitions

Assurance de Qualité : Ensemble des actions planifiées et systématiques nécessaires pour garantir qu’une structure, un système ou un composant fonctionne d’une manière satisfaisante.

Assurance de Qualité en Radiothérapie : Ensemble de protocoles qui assure la cohérence de la prescription médicale et la rigueur de son exécution. Particulièrement pour ce qui concerne la dose dans le volume cible, la dose délivrée aux tissus sains, et l’exposition du personnel.

La surveillance post-thérapeutique du patient permet d’évaluer le résultat final du traitement.

Contrôle de Qualité : Mesures destinées à rétablir, maintenir et/ou améliorer la qualité du traitement. Elles constituent l’unes des composantes du programme d’assurance de qualité en radiothérapie.

Le contrôle de qualité touche chaque étape : de la préparation à la réalisation du traitement.

1 .Simulation – Acquisition des données anatomiques (TDM, Simulateur, IRM…)

2.Segmentation / Simulation virtuelle

3.Calcul 3D (HDV)

4.Transferts

5.Contrôles sur l’accélérateur

6.Traitement

Textes de loi : Des textes officiels existent dans le domaine de la radiothérapie concernant le contrôle de qualité des dispositifs médicaux.

• Décision de l’Afssaps du 27 juillet 2007 fixant les modalités du contrôle de qualité interne des installations de radiothérapie externe
• Décision de l’Afssaps du 27 juillet 2007 fixant les modalités du contrôle externe des installations de radiothérapie externe

Contrôle de Qualité Interne : Le contrôle de qualité interne est réalisé dans le service de radiothérapie par la personne responsable. Il peut être délégué mais reste sous sa responsabilité.

«  Ce contrôle est réalisé par l’exploitant ou sous sa responsabilité par un prestataire »

Contrôle de Qualité Externe :

Le contrôle de qualité externe est réalisé par un organisme extérieur à l’institution et agrée. En radiothérapie : EQUAL-ESTRO SAS (30/09/2009)

«  La société EQUAL-ESTRO SAS est agrée pour la réalisation des opérations de contrôle de qualité externe des  installations de radiothérapie externe »

Quand réaliser ces contrôles ?

A la recette du dispositif (mise en place initiale) :

• Evaluation des performances de l’appareil
• Conformité avec les données du cahier des charges

Périodiquement :

• Vérification de la constance des performances dans le temps
• Périodicité à adapter à la stabilité de la machine (prise en compte des points faibles)

Après intervention ou panne :

• Contrôles à adapter à la nature de l’intervention

Contrôle de Qualité Interne

Simulation : acquisition des données anatomiques (TDM, IRM)

Contrôles mécaniques :

• Lasers et alignement avec le plan de coupe (+/- 2mm)
• Horizontalité et position du plateau de la table
• Mesure de distances dans un plan de coupe et position des coupes

Contrôle de qualité des images produites :

• Rapport signal sur bruit, résolution à bas contraste, résolution spatiale
• Largeur de coupe, artéfacts, distances,
• Linéarité et uniformité des nombres CT (eau : 0 UH +/- 4 UH)

Contrôle de la dose délivrée :

• Mesure des indicateurs dosimétriques et comparaison avec ceux indiqués par le système d’exploitation (+/- 20%)
• Mesuré dans un fantôme de plexiglas de 16cm pour la tête, 32cm pour le corps

Segmentation / Simulation virtuelle

Contrôle de la simulation virtuelle

• Précision des contours
• Positionnement de l’isocentre (+/- 2mm)

Correspondance UH – densités électroniques

• Utilisation d’échantillons de densités électroniques connues
• Comparaison avec la courbe de référence

Calcul de dose 3D (HDV)

Validation du modèle

• A la recette du TPS et/ou de l’accélérateur
• Concordance entre le calcul de la dose avec le TPS et la mesure sous l’accélérateur (+/- 3%) et validation pour chaque modalité et chaque énergie disponible

Contrôle de constance

• Reproductibilité du calcul de la dose au cours du temps (pas de délivrance)
• Mesure des longueurs
• Absence de distorsion de l’image
• Calcul correct des volumes

Transferts des données DICOM-RT : RT-Plan, RT-Image, RT-Dose…

Contrôle du transfert des éléments DICOM

Transfert d’un dossier type depuis la simulation jusqu’à la réalisation de la première séance

• RT-Plan : les paramètres géométriques du faisceau restent identiques
• RT-Image : distances identiques, pas de distorsion…
• RT-Dose : les doses sont correctement transférées et ne sont pas modifiées
• RT-Structure : les structures définies restent inchangées et leurs volumes ne varient pas
• RT-Record : l’enregistrement des séances se fait correctement après chaque séance de traitement

Contrôles sur l’accélérateur

Contrôles de sécurités

• Voyants lumineux (salle, pupitre)
• Système de surveillance audio-visuelle
• Systèmes d’arrêt d’irradiation, arrêts d’urgence

Contrôles mécaniques

• Rotation du collimateur et du bras (+/- 1°)
• Indication du télémètre (+/- 2mm)
• Position de l’isocentre de l’accélérateur (+/- 2mm)
• Concordance entre affichage et dimensions réelles du champ lumineux (+/- 2mm)
• Superposition champ lumineux / champ irradié (+/- 2mm)
• Alignement des lasers (+/- 2mm)
• Mouvements de la table

Contrôles dosimétriques

• Etalonnage des faisceaux dans les conditions de référence
• Variation du débit de référence (+/- 2%)
• Homogénéité, symétrie (+/- 3%)
• Pénombre
• Energie des faisceaux (rendement)
• Transmission des accessoires (filtres, collimateurs…)

Objectifs :

• Correspondance entre les mesures et le calcul
• Suivi des accélérateurs pour mettre en évidence une dérive
• Anticiper une éventuelle erreur avant qu’elle n’implique un effet sur le patient

Périodicité

• Périodicité adaptée suivant la pertinence et la complexité du contrôle
• 5 fréquences de contrôles : quotidiens / hebdomadaires / mensuels / semestriels / annuels

Contrôles quotidiens

• Sécurités : voyants, systèmes anticollision, dispositifs d’arrêt d’irradiation, systèmes de surveillance du patient
• Dosimétrique : constance du débit de référence de chaque énergie photons

Contrôle hebdomadaire

• Dosimétrique : constance du débit de référence de chaque énergie électrons

Constance du débit de référence

• Suivi du débit de dose de l’accélérateur au cours du temps
• Conditions géométriques fixes
• Mesure rapide, facilement mise en œuvre et fiable
• Contrôle de constance différent des conditions de référence

Matériel de contrôle de qualité Cuve à eau : Mesure de profils de dose, rendement en profondeur, débit de dose de référence

Chambre d’ionisation : Mesure de la dose absorbée dans un volume plus ou moins grand (fonction de la dimension de la chambre d’ionisation)

Traitement

Imagerie de contrôle

• Contrôle du bon repositionnement du patient : superposition imagerie embarquée / DRR
• Vérification du faisceau de traitement à l’aide de l’imagerie portale

Dosimétrie In Vivo

• Contrôle de la dose réellement délivrée lors de la première ou deuxième séance en temps réel
• Comparaison dose calculée par le TPS et mesurée sur le patient
• Détection d’erreur : calcul, repositionnement
• Tolérance : +/- 5%

UE 3.6 LES TECHNOLOGIES INNOVENTES : RCMI, STEREOTAXIE, ARCTHERAPIE

Généralités

Définitions

RCMI = Radiothérapie Conformationelle avec modulation d’intensité IMRT = Intensity Modulation Radio Therapy RCMI = IMRT

• Variation de la fluence en cours de traitement avec des faisceaux fixes

Arcthérapie = radiothérapie dynamique avec modulation d’intensité RapidArc, VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy)

• Variation de la fluence et faisceaux dynamiques en cours de traitement

1^ère modulation des faisceaux : compensateur et filtre en coin

But « compenser » des « manques » de tissus pour conserver une homogénéité de la dose délivrée

Situation des techniques innovantes / aux autres techniques

3 équipements possibles pour réaliser une RT de haute précision : Accélérateurs linéaires d’électrons (avec plus ou moins collimateur mutilâmes) – Tomographie (rotation en continue et traiter le patient) – Cyberknife (accélérateurs mutilâmes avec bras articulé)

La RCMI

Principe

En radiothérapie conformationnelle : – Faisceaux homogènes  => Dépôt de dose uniforme En IRMT :

• Intensité du faisceau varie tout au long de la surface à irradier
• Faisceaux divisé en plusieurs fragments délivrant chacun une dose différente => Distribution de doses très complexes, conformées autour des différents volumes à irradier ou épargner.

Avantages et inconvénients

Avantages

Escalade de dose au volume cible

• Augmente la probabilité du contrôle de la tumeur Certains volumes ne peuvent recevoir une dose optimale par RT conventionnelle
• Doses optimisées aux volumes secondaires

Mieux épargner les OAR

• Diminution de la toxicité du traitement
• Diminution de la probabilité de complications aux tissus sains

Amélioration de la qualité du traitement

• Moins de champs d’irradiation !
• Plus de problèmes de jonctions de champs (sous dosages ou surdosages)
• MLC (collimateur multi lames) remplace définitivement les compensateurs et filtres

Inconvénients

• Temps de contourages et dosimétrie
• Temps d’irradiation réduit
• Profils de dépôts de doses complexes nécessitant des mesures pour chaque mise en traitement
• Contrôle qualité fréquents du MLC

Approche en RT conformationnelle

• Positionnement immobilisation du patient
• Acquisition des données anatomiques du patient (scanner)
• Contourage. Volumes cibles OAR
• Mise en place des champs d’irradiation. Forme, angles, Filtres, MLC, caches …
• Calcul 3D, HDV si nécessaire
• Préparation R&V
• Mise en route et Contrôles

Approche en IMRT

• Positionnement immobilisation du patient
• Acquisition des données anatomiques du patient (scanner)
• Contourage DE TOUS, Volumes cibles et TOUS OAR
• Mise en place des champs d’irradiation, angles
• Définition des contraintes (OAR, volumes cibles, Dmax, HDV)
• Préparation R&V -> Procédure complète de vérification de la dose
• Mise en route et Contrôles : image portale, film, dosimétriques => DOSIMETRIE INVERSE

Les techniques en RCMI : statique ou dynamique

STEP and SHOOT / statique La fenêtre de traitement bouge d’un bout à l’autre du champ

A chaque segment son nombre d’UM (unité moniteur)

Pas d’irradiation durant le mouvement des lames

Fluence délivrée par une somme de champs statiques

Il n’y a pas d’irradiation lorsque les lames se déplacent

DYNAMIQUE

Les lames se déplacent à différentes vitesses durant toute la durée d’irradiation

Par d’interruption d’irradiation

La planification de traitement en RCMI

RCMI et chaîne de traitement

Simulation (virtuelle) : – Définition de la position de traitement (contention) – Acquisition des images Segmentation des volumes Planification dosimétrique – Définition de la balistique – Evaluation du plan – Optimisation Traitement – Contrôle de la dose – Contrôle du positionnement

Scanner -> Logiciel de planification TPS -> Recors & Verify -> Accélérateur Lasers externes -> Console de simulation virtuelle -> …

La segmentation des volumes

• Volumes cibles tumorales
• Organes à risques et régions ganglionnaires

Le choix des faisceaux

Nombres :

• = + ils sont importants + les distributions de doses sont lissées
• + de 3 (entre 5 et 9)
• Temps d’irradiation + long

Energie : en fonction du volume

Angle de bras :

• Pas de faisceau opposé (effet tunnel)
• Voir le volume sous différents angles
• Equidistributions
• Attention à la table (atténuation)

Collimateur : en fonction de la géométrie du volume cible

L’arc Thérapie

IMRT délivrée par 1 ou plusieurs arcs

Pendant l’irradiation évoluent :

• L’angle et la vitesse de rotation du bras
• Le débit de dose
• La forme du champ (mouvement des lames)
• 2 « dénominations » différentes

VMAT (Elekta) : Volumetric Modulated Arc Therapy

Rapid Arc (Varian)

Approche identique à la RCMI

• Contourage des OAR et volumes cibles
• Définition du nombre d’arcs
• Planification inverse
• Contrôle qualité strict avant mise en traitement :
  • Mouvements du bras
  • Débits de dose

Principe :

Délivrance plus rapide qu’en RCMI classique

• Amélioration du confort du patient
• Limites des mouvements du patient

Moins d’UM

Meilleure conformation de la dose au volume cible et meilleure protection des tissus sains

Optimisation interactive

Bilan entre les techniques

Comparaison RT conformationnelle à la RCMI

Grace à l’IMRT, on conserve les parotides.

Comparaison de la dosimétrie en RCMI

« Step and Shoot » classique « Slinding Window »

Les appareils dédiés : Tomotherapy, Cyberknife

Tomotherapy

• Faisceau fin en éventail de 6MV tourne autour du patient de la même façon que tourne la source de RX dans un TDM pour créer une image 3D.
• Contrôle du positionnement en 3D MVCT (scanner en mode MV – Haute tension).

Cyberknife

• Accélérateur linéaire 6MV
• Monté sur un bras robotisé (6° de liberté)
• Patient positionné sur une table à 6° de liberté
• Conformation du volume cible avec multitude de faisceau

VERO

• Accélérateur 6MV (500cGy /min) monté sur un anneau
• Précision de l’isocentre submillimétrique
• Rotation de l’anneau et de la table
• Imagerie EPID, kV, fluoroscopie et CBCT

La stéréotaxie

Définitions

• Irradiation tumorale avec une dose par séance très élevée
• Présente un fort potentiel thérapeutique du fait de son excellent contrôle local
• Nécessité d’une précision balistique importante afin de minimiser les toxicités aux tissus  sains
• Applications : localisations cérébrales, pulmonaires et hépatiques
• Nécessité aussi d’une précision dans le positionnement : imagerie 3D, moyens de contentions (cadre stéréotaxique), gating respiratoire…

Principales localisation

Intracrâniennes : Malformation artério-veineuse (MAV), méningiome, neurinome (14Gy), métastases (12 à 18Gy)

Extra crâniennes :

• Pulmonaire : carcinome bronchiques, métastases
• Rachidiennes : métastases médullaires ou para médullaire
• Hépatiques : carcinomes, métastases

Immobilisation du patient

• Immobilisation externe Cadre invasif : radio-chirurgie cérébrale, masque …
• Immobilisation interne : limitation des mouvements respiratoires Système de compression diaphragmatique

Repérage anatomique

Scanner 3D : segmentation des volumes cibles + organes à risques

Scanner 4D : apporte une information sur la déformation anatomique du patient au cours du cycle respiratoire. La stratégie de traitement la plus rependue en stéréotaxie extra crânienne consiste à irradier la tumeur tout le long de son excursion au cours du cycle respiratoire. Le volume tumoral en mouvement acquis par l’imagerie TDM peut être directement appelé l’ITV (internal target volume) à associé aux mouvements respiratoires

Imagerie multimodale : IRM, TEP …

Coupes coronales issues de la reconstruction d’une acquisition 4D selon dix phases équi-réparties sur la période respiratoire, montrant la position de la tumeur au cours du cycle respiratoire du patient.

Planification dosimétrique

Plan de traitement constitué de 12 faisceaux de photons de 6MV coplanaires conformés au PTV ; coupes transverse, sagittale et coronale montrant la distribution de la dose (isodose de prescription pour ce cas : 48Gy).

Plan de traitement d’une séance unique de stéréotaxie crânienne constituée de cinq arcs dynamiques (bras et lames) ; la distribution de la dose (isodose de prescription pour ce cas 18 Gy)

Planification dosimétrique intracrânienne

 

 

UE 3.6 LA DOSIMETRIE

Les grandeurs dosimétriques

Généralités

L’ICRU (international commission on radiation unit and measurements) recommande l’utilisation du système international d’unités SI et fournit un jeu de définitions claires et précises servant de référence dans la dosimétrie des rayonnements. Des unités issues du système international (SI) :

• Becquerel (Bq) (activité) : s^-1 à médecine nucléaire
• Gray (Gy) (dose absorbée, kerma) : J.Kg^-1 à radiothérapie
• Sievert  (Sv) (équivalent de dose) : J.Kg^-1 à radioprotection

Quelques termes doivent être spécifiés avant de définir les unités du SI en radiothérapie :

• Ionisation : évènement dans lequel un ou plusieurs électrons sont libérés d’un atome
• Radiation ionisantes : particules chargées (positrons, électrons) et/ou non chargées (photons, neutrons) capable d’occasionner directement ou indirectement des ionisations par leurs interactions avec le milieu.

Nécessité de quantifier l’énergie transportée par les rayonnements ionisants (RI) et celle cédée à la matière :

• Afin de caractériser le rayonnement : choix des grandeurs et unités relatives au rayonnement 1925 : ICRU (International Commission on Radiation Units)
• Afin de prédire les effets sur la matière : notion de dose absorbée

Rappels : effet photoélectrique, effet Compton, matérialisation.

Conséquences : l’énergie des photons incidents peuvent être :

• Transférée : énergie servant à la mise en mouvements des e- responsables de l’ionisation
• Diffusée : énergie sous forme de rayon
• Absorbée : énergie réellement déposée par les électrons

Grandeur d’intérêt, en liaison directe avec les effets produit sur la matière.

Grandeurs relatives aux champs de rayon :

S’agit des grandeurs quoi caractérisent le nombre, la direction, la nature et l’énergie des particules en tout point du champ.

• Fluence de particules : nombre des particules dN traversant une surface par unité surface da (unité m^-2)
• Fluence énergétique des particules : la somme des énergies dE de l’ensemble des particules qui ont traversés une surface par unité de surface da (unité J.m^-2)
• Débit de fluence énergétique des particules : nombre ou énergie des particules par unité de surface da et unité de temps dt. (unité m^-2s-1 et J.m^-2s-1)

Conclusion :

Base théorique pour caractérisé un faisceau.

Intérêt :

• détermination des efficacités de comptage et possibilité d’effectuer des calculs théoriques.

Inconvénients :

• grandeurs très difficiles à mesurer.
• grandeur très difficiles à rattacher aux effets réels sur la matière.

Grandeurs relatives à l’effet sur la matière

KERMA (Kinetic Energy Released in MAterial)

Grandeur applicable juste aux particules indirectement ionisantes = l’Ec initiale dE de toutes les particules chargées libérée par les particules indirectement ionisantes dans un volume de masse dm : photons, neutrons.

Quantifie l’E moyenne transférée par les particules indirectement ionisantes aux particules secondaires mises en mouvements, sans prendre en compte l’effet produit par ces dernières

Il existe 2 mécanismes de transfert :

• par collisions (Kcol)
• par transfert radiatif (freinage, annihilation e-/e+) K= Kcol + Krad)

Unité : 1 Gy = 1 J.Kg^-1

Le KERMA ne tient pas compte du devenir du parti directement ionisant mise en mouvements. C’est ce qu’on va céder à la matière.

Dose absorbée

Grandeur applicable à tout type de particule = l’énergie moyenne communiquée par le rayonnement incident à la matière dans l’élément de volume de masse dm.

L’énergie moyenne = somme des E des parti qui entrent dans le volume dV – somme des E des parti qui sortent du volume Dv.

Etant donné le parcours moyen des électrons, le lieu du transfert de l’énergie à partir des partis indirect ionisant et celui de l’absorption de l’E par le milieu sont différents.

Unité : 1 Gy = 1 J.Kg^-1

Notion d’équilibre électronique

Transfert et absorption de l’E ne se font généralement pas au mm endroit du fait de la mobilité des électrons secondaires. Dose = Kerma.

Lorsque l’on s’intéresse à un volume suffisamment profond irradié de façon uniforme par un faisceau de photon, si la quantité d’électron secondaire mis en mouvements dans un petit volume V’ mais qui déposent leur énergie à l’extérieur de celui-ci est égale à la quantité d’électrons qui pénètrent et déposent leur énergie dans celui-ci, on dit qu’il y a équilibre électronique à D est alors égal à K.

Echelle de dose

Radiothérapie : Localement : quelques dizaine de Gy délivrés par 1,8 à 4 Gy par séance/jour

Imagerie : 1 examen 1-100 cGy

Radioprotection :

• Public 1mSv/an – 1 mGy/an
• Travailleurs 20 mSv/an – 20 mGy/an

La dose est corrélée aux effets biologiques.

La qualité du faisceau

Objectifs :

• Comparer le comportement des différents faisceaux dans un milieu donné
• Comparer les traitements d’un centre à l’autre
• Suivre la stabilité d’un faisceau lors du temps (CQ)

L’expression la plus précise de la qualité d’un faisceau est son spectre énergétique. Mais, difficile à mesurer ou calculer spécialement pour les photons de hautes énergies.

Photons de basse et moyenne énergie (kV)

Le spectre de rayons X dépend de :

• Différence de potentiel
• Filtration
• Collimation

Spécification de la qualité du faisceau :

Soit par la tension accélératrice + filtration

• Pas d’information sur la pénétration du faisceau, difficile à comparer

Soit par la couche de demi-atténuation (CDA)

• Paramètre exprimant l’atténuation du faisceau dans un milieu de référence

Photons de haute énergie (MV) :

Le spectre de rayon X dépend de :

• Potentiel nominal d’accélération
• Matériaux présents dans le faisceau : cible, cône égalisateur, collimateurs…

Spécification de la qualité du faisceau :

• Paramètre exprimant l’atténuation du faisceau dans un milieu de référence dans des conditions géométriques de référence

Energie nominale + indice de qualité (QI)

Mesure de l’indice de qualité

Le rapport des doses absorbées dans l’eau, sur l’axe du faisceau, aux profondeurs 20 cm et 10 cm dans un fantôme d’eau, obtenues à une distance source détecteur constante (100 cm) et pour un champ de 10 cm x 10 cm aux profondeurs de mesure.

Le milieu de référence : l’eau, car si Z important pas de variation de coefficients d’atténuation pour la gamme d’énergies de la radiothérapie.

Les faisceaux de photons utilisés en radiothérapie

Comportement du faisceau

Comportement du faisceau dans l’air

La dose au point P à la sortie de la tête de l’accélérateur est due à 3 composantes :

• Photons primaires produits dans la cible
• Photons diffusés produits par des interactions avec les composantes de la tête de l’accélérateur
• Electrons de contamination produits pas des interactions dans la tête de l’accélérateur et dans l’air

Dair (P) = DRx _primaires(P) + DRx _diffusés(P) + D_{électrons contamination}(P)

Paramètres géométriques influençant la dose en un point :

• Distance du point par rapport à la source
• Ouverture du collimateur

Influence de la distance à la source

Hypothèses :

• Source ponctuelle S
• Distribution uniforme de la fluence énergétique des photons dans les 2 carrées A et B : Ψ_A et Ψ_B                                                                     Ψ_A= E Ntotal / a²                          Ψ_B= E N total/ b²

Quand on s’éloigne de  la source plus la dose décroit rapidement (Loi de l’inverse carré de la distance LICD)

Plus on s’éloigne de la source plus la dose sera faible.

La dose A est à inversement proportionnelle au carré de la distance :

Influence de l’ouverture du collimateur

La dose au point P augmente lorsque l’ouverture du collimateur augmente :

• Augmentation du nombre de photons primaires suite à l’augmentation de la surface émettrice du filtre égalisateur,
• Augmentation du nombre de photons diffusés et électrons de contamination car augmentation de la surface apparente du collimateur.

Comportement du faisceau dans le milieu

Paramètres d’influence

Nombre atomique Z (densité relative électronique)

1. Milieu de référence homogène (eau)
2. Milieu hétérogène (plusieurs types de tissus)

Position par rapport à l’axe du faisceau

1. Surface plane et perpendiculaire à l’axe
2. Surface oblique par rapport à l’axe du faisceau

Dimensions du milieu

1. Supérieures aux dimensions du faisceau
2. Inférieures aux dimensions du faisceau

Composantes du faisceau

• Composantes de la Dose au pont P à une profondeur z dans le milieu :
• Photons primaires produits dans la cible,
• Photons diffusés produits par des interactions dans la tête de l’accélérateur et dans le milieu,
• Electrons de contamination produits par des interactions dans la tête de l’accélérateur et dans l’air,
• Electrons secondaires mis en mouvement par interactions photons-milieu

D_milieu(P) = D_Rx-primaire(P) + D_{Rx diffusés}(P) + D_{électrons contamination} (P) è D_milieu(P) = D_primaire(P) + D_diffusé(P)

La Dose Primaire

Dose primaire :

Dose déposée dans un milieu par les électrons et positons mis en mouvement par les interactions des photons primaires produits par la source.

La dose primaire dépend de la source de photons et du système de collimation primaire.

Paramètres d’influence de la dose primaire :

• Ne varie pas avec la taille du champ d’irradiation,
• Augmente avec l’énergie du faisceau,
• Diminue avec l’augmentation de la distance à la source car diminution de la fluence de particules (LICD)

La Dose diffusée

Dose diffusée :

Dose déposée dans un milieu par les électrons et positons mis en mouvement par les interactions des photons secondaire (Compton, freinage, annihilation) suite à l’interaction des photons primaires (air, tête, milieu).

La dose diffusée dépend de la forme et la composition du volume diffusant et du système de collimation primaire.

Paramètres d’influence de la dose diffusée :

• Augmentation avec la taille du champ d’irradiation
• Diminue avec l’augmentation de l’énergie du faisceau,
• Diminue si la distance de la source diminue

Distribution de dose

Dans l’axe du faisceau

Rendement en profondeur (RP) :

Evolution de la dose D en fonction de la profondeur z traversée, normalisée pas la dose maximale Dmax => RP(z) = D(z) / Dmax

1. Dose à la surface
2. Région mise en équilibre électronique
3. Profondeur du maximum de dose
4. Région d’équilibre électronique et atténuation
5. Dose à la surface

Dose à la surface du milieu Ds

La dose Ds est due :

• Aux photons diffusés de la tête de l’accélérateur (collimateurs, cône égalisateur…)
• Aux photons rétrodiffusés dans le milieu,
• Aux électrons de contamination produits dans l’air, dans la tête de l’accélérateur et les accessoires interposés dans le faisceau.

La dose Ds augmente lorsque :

• L’énergie du faisceau diminue. Pour les faisceaux de basse énergie (imagerie), la dose à la surface est égale à la dose maximale
• La taille du faisceau augmente

Région de mise en équilibre électronique

Cette région est située entre la surface et la profondeur du maximum de dose :

• Interactions des photons incidents avec le milieu => mise en mouvement des électrons qui parcourent une certaine distance avant de déposer leur énergie,
• Distance approximativement égale au parcours moyen des électrons.

Dans cette région, équilibre électronique n’est pas encore atteint.

Le nb d’électrons mis en mouvement dans un volume dV et déposant leur énergie en dehors de ce volume est supérieur au nombre d’électrons mise en mouvement à l’extérieur de ce volume mais y déposant de l’énergie.

Dose absorbée < Kerma

Profondeur du maximum de dose Zmax

Profondeur à partir de laquelle l’équilibre électronique est atteint.

Dose = Kerma

La profondeur Zmax varie avec :

L’énergie E du faisceau,

Pour une taille de champ donnée, Zmax augmente lorsque E augmente.

                6 MV : Z_max  ≈ 1,5cm

20 MV : Z_max ≈ 5cm

La taille de champ C.

Pour une énergie donnée, Z_max diminue lorsque C augmente.

Région d’équilibre électronique – atténuation

Dose = Kerma

La décroissance de la dose est due à l’atténuation et à l’absorption dans le milieu.

En première approximation, la dose suit une atténuation exponentielle :

D(Z) = Dmax.exp (-µx)

La dose en profondeur varie avec :

• L’énergie du faisceau : pour un champ donné augmente avec l’énergie
• La taille du faisceau : pour une énergie donnée augmente pour les plus grands champs
• La distance à la source : diminue avec la distance (LICD)

Dose à la sortie

La dose décroît par manque de rétrodiffusé.

La dose est inférieure à celle obtenue dans milieu infini.

La dose à la sortie varie avec :

• L’énergie du faisceau : elle augmente lorsque l’énergie du faisceau augmente
• La présence d’accessoires (plan incliné, système de fixation…)

Distribution de dose perpendiculairement à l’axe du faisceau

Profil de dose :

Distribution de dose en dehors de l’axe à une profondeur donnée perpendiculairement à l’axe du faisceau, normalisée par la dose de l’axe.     

Profil de dose

Zone centrale correspond au plateau de dose

Elle dépend :

• De la profondeur de mesure
• De la forme du filtre égalisateur

Taille de champs d’irradiation :

Largeur définie entre les points de 50% de la dose normalisée à l’axe du faisceau, mesurée dans les axes principaux du champ d’irradiation.

 

• Pénombres

 

La pénombre physique des champs d’irradiation est caractérisée par la distance latérale entre le point à 80% et le point à 20% de la dose sur l’axe du faisceau, mesurée sur les axes principaux.

Elle est due :

• Aux photons diffusés,
• A la géométrie de la source (pénombre géométrique),
• A la transmission à travers les bords du collimateur (pénombre de transmission).

Pénombre géométrique

Provient du fait que la source de photons n’est pas ponctuelle

Elle augmente avec :

• la Distance-Source-Patient (d2 augmente),
• la position des mâchoires (d1 diminue),

Pénombre de transmission

Provoquée par la transmission des photons à travers les faibles épaisseurs du collimateur.

Elle augmente avec l’énergie.

La pénombre globale augmente avec : l’énergie, la DSP, la profondeur.

 

• Ombres

 

Les zones d’ombres en dehors du champ d’irradiation s’expliquent par la transmission du collimateur qui n’est pas nulle. Elle est plus importante avec un collimateur multi lames qu’avec des mâchoires.

Elle augmente avec l’énergie.

T_{mâchoires, 6Mv} ≈ 0,5%    T_MLC,6MV  ≈ 2-3%

Distribution bidimensionnelle de la dose

Isodose :

Courbe reliant les points de même dose dans un plan.

Leur forme dépend :

• De l’énergie
• De la distance à la source
• De la forme du filtre égalisateur,
• De la présence d’obliquités de la surface, d’hétérogénéités du milieu,
• La présence d’accessoires

Modification du faisceau

Collimateurs

Primaire

• Cône en tungstène, taille fixe, délimite le champ maximal du faisceau,
• Fuite > 0,2% en dehors du cône

Secondaire

• 2 mâchoires amovibles,
• 2 directions (tête-pied et gauche-droite),
• Définissent la taille du champ rectangulaire,
• Maximum 40cm à l’isocentre,
• Possibilité de champs asymétriques
• Transmission > 1% de la dose au centre.

Influence sur la distribution de la dose ++

• Apport de photons diffusés et électrons de contamination,
• Augmente la dose à la surface pour de grands champs d’irradiation,
• Diminue la profondeur du maximum de dose

Collimateurs Multi lames (MLC)

• Système de lames permettant d’adapter la forme du champ au volume irradié,
• Plusieurs modèles : 40, 60, 80,120 lames de largeur de 0,2 à 0,5 ou 1cm
• Mouvement mécanique indépendant de chaque lame commandé par l’ordinateur
• Généralement double une des mâchoires (X ou Y), ou la remplace
• Indispensable pour les techniques de traitement conformationelle et avec modulation d’intensité
• Protège les organes à risques.

Influence sur les distributions de dose

• Apport de photons diffusés et électrons de contamination
• Transmission à travers les lames et inter-lames
• Influence la dimension de la pénombre
• Influence légèrement la forme des isodoses par la forme en escalier des lames.

Cache

• ­Alliage métallique (Cerrobend) coulé dans des moulages en polystyrène suivant la forme du champ désiré
• ­1 cache par faisceau, adapté à chaque patient et focalisé (divergence du faisceau)
• ­Transmission de 5-6%
• ­Lourds, risque d’outils s’il n’y a pas un codage dans les R&V
• ­Protège les organes à risque.

Influence sur la distribution de dose

• ­Apport de photons diffusés et électrons de contamination
• ­Transmission importante à travers le cache
• ­Calcul de taille réelle du champ d’irradiation (champ équivalent).

Calcul du champ carré équivalent

1^ère approximation :

Champ rectangulaire sans cache

2^ème approximation :

Champ à géométrie complexe avec cache (afin d’avoir une même équivalence de diffusée) : 2 équations, 2 inconnue (L1’ x L2’)

Exemple d’un tangentiel de sein

L=17cm, l= 8,6 ; S_cachée ≈ 35cm² : S_irradiée =111cm²

Applications numériques : L’ = 14.8 cm  l’= 7.5cm

C_eq =10.0cm

Influence des hétérogénéités du milieu

• ­Modification de prédominance des interactions des photons suivant la densité du milieu (Z)
• ­Modification de l’atténuation du faisceau en fonction de la densité du tissu => zones de sous et surdosage

­Influence plus ou moins importante suivant l’énergie et la taille du faisceau (diffusion plus grande dans le poumon avec des photons de haute énergie et atténuation plus importante pour de faible énergie dans l’os)

Correction pour la prise en compte des hétérogénéités

• ­Prise en compte possible à partir de l’équivalence Nombre Hounsfield-densité électronique du tissu (nécessite une calibration),
• ­Calcul de la profondeur équivalente à l’eau
• ­Difficile à corriger à l’interface et à l’intérieur de l’hétérogénéité.

Influence d’une obliquité de la surface d’entrée

• ­Inclinaison des isodoses dans le même sens que la surface
• ­Augmentation de la dose à la surface et à faible profondeur en amont
• ­Le rendement en profondeur n’est pas modifié sur l’axe du faisceau

Correction d’une obliquité

Utilisation d’accessoires pour compenser le manque de volume :

Bolus :

• ­Permet de compenser un manque de matière à la surface
• ­ Matériel malléable, équivalent tissu (silicone), appliqué directement sur la peau
• ­Inconvénient : surdosage à la peau  => déplacement du maximum de dose à la peau.

Compensateur :

• Permet de compenser un manque de matière à la surface,
• Placé à distance du patient,
• Inconvénient : durcissement du faisceau, lourd, encombrement, risque d’oubli
• Module l’intensité du faisceau

Filtre en coin :

• Permet de compenser une obliquité à la surface d’entrée du faisceau et d’homogénéiser la distribution de dose dans les différents tissus du volume traversé
• Déforme les isodoses en leur donnant une direction oblique par rapport à l’axe du faisceau (angle filtre) et modifie l’atténuation du faisceau (facteur filtre)
• L’angle du filtre en coin = l’angle d’inclinaison de l’isodose par rapport à l’axe du faisceau.
• Facteur du filtre en coin = rapport entre la dose avec et sans filtre à la profondeur de référence.

3 types de filtres :

• Manuels : angle de 15°,30°,45° et 60°
• Intégrés  dans la tête de l’accélérateur (généralement filtre de 60°), la présence partielle dans le faisceau d’irradiation donne l’angle du filtre.
• Dynamiques : crées par le mouvement d’une mâchoire du collimateur, l’angle est défini par la combinaison vitesse de déplacement de la mâchoire/débit nominal d’irradiation.

Avantages et inconvénients :

• Manuels : facilement mesurables, mais lourds, encombrants, risque d’oubli ou mauvaise orientation
• Intégrés : facilement mesurables, enlèvent les désavantages des manuelles, mais limites en angles
• Dynamiques : multiples angles, automatique mais plus difficile à mesurer et à modéliser.

Cas pratiques

Traitement de la glande mammaire

• 2 faisceaux tangentiels
• 6MV
• Filtres de 30° : dose homogène

Traitement de la prostate : technique de la boîte

• Haute énergie (ex : 15MV), 4 faisceaux
• Haute énergie (ex : 15MV), 5 ou 6 faisceaux

Traitement d’un nodule pulmonaire

• 5 à 7 faisceaux
• 6MV (sauf médiastin)
• Filtres en coin
• Correction d’hétérogénéité

Evaluation de la couverture des volumes

• Utilisation des Histogrammes Dose Volume (HDV)
• Dose absorbée dans une quantité de volume
• Abscisses : Dose délivrée
• Ordonnées : Volumes des volumes d’intérêt

 

UE 3.6 TECHNOLOGIE DES APPAREILS DE RADIOTHERAPIE

Le Parcours du patient

Résumé :

• Prescription médicale
• Simulation virtuelle (scanner)
• Gestion du dossier par l’équipe de physique : la dosimétrie
• Validation médicale de la planification de traitement
• Transfert des paramètres du traitement via le réseau vers appareil de traitement
• Mise en place au poste de traitement

La prescription médicale

Réunion de concertation pluridisciplinaire ou RCP

Plusieurs spécialités médicales impliquées par la prise en charge d’une pathologie le plus souvent cancéreuse

Participants : radiothérapeutes et médecins spécialistes, médecins radiologue, chirurgien…

Recommandation des bonnes pratiques cliniques

Références protocoles médicaux : SFRO, AAPM…

Objectifs : en fonction du stade de la tumeur trouver le meilleur traitement adéquat

• Tumeur en place : radiothérapie exclusive ou radiothérapie associée à des traitements (chimiothérapie, hormonothérapie)
• Tumeur retirée : radiothérapie complémentaire (complément à la chirurgie)

Définition de la prescription médicale en radiothérapie externe

Objectif de la radiothérapie :

• Détruire les cellules cancéreuses pour contrôler la maladie
• Préserver les cellules saines pour limiter les complications

Elle est établit par le radiothérapeute. Elle consiste à définir :

• Les volumes cibles à traiter à imagerie CT et imageries multimodales
• La dose à délivrer à chacun des volumes à radiothérapeute
• Les organes et tissus à protéger à dose limites aux OARs (organes à risques)

La définition de la dose relève uniquement de la compétence médicale

Elle associe obligatoirement la dose totale à l’étalement et au fractionnement.

La dose totale : dose délivrée de façon homogène dans l’ensemble du volume cible (PTV : volume clinique avec marge de sécurité). Elle est exprimée en Gray (entre 50 et 80) et 45 pour les territoires ganglionnaires.

L’étalement : durée totale du traitement entre la première et la dernière séance. Exprimée en nombre de jours ou semaines. Facteur temps important en radiobiologie car il complète la dose totale

Le fractionnement : complète l’étalement, précise le nombre de séances effective contenues dans la durée totale du traitement à dose/séance.

Consultation médicale

Consultation de mise en traitement

Les acteurs : radiothérapeute et assistante de consultation

Leurs rôles et objectifs :

• Contrôler le dossier médical du patient (compte rendu cliniques, historique de la maladie…)
• Donner des explications au patient sur les indications, les bénéfices/risques, les modalités et effets secondaires de son traitement
• Définir les modalités de traitement en radiothérapie en coordination avec les autres thérapeutiques
• Etablie la prescription sur la fiche de traitement du patient (la dose totale et le fractionnement)
• Expliquer au patient le déroulement du traitement

Consultation paramédical de pré traitement

Les acteurs : les manipulateurs expérimentés

Rôles :

• Se présenter, ainsi que les autres métiers du service en charge du patient
• Evaluation de la compréhension du patient
• Explication du déroulement de son traitement (nombre de séance, le déroulement d’une séance de radiothérapie)
• L’intérêt de la simulation
• Le rôle du service de physique
• Les modalités de son traitement
• Réinformer le patient des effets secondaires liés à la radiothérapie en fonction de la zone à irradier
• Repérer si le patient a besoin d’aide ou s’il exprime des inquiétudes

La simulation virtuelle

Définition : étape de la préparation du traitement qui fait varier à la prescription de traitement, à l’installation du patient, à l’acquisition des images en coupes et aux tracés des contours des volumes.

Quel est le but de la simulation ?

• Préparer les données nécessaires à la réalisation du traitement
• Délivrer la dose adéquate aux volumes cibles tout en épargnant au maximum les volumes sains
• Liée à la dosimétrie prévisionnelle des traitements
• La reproductibilité
• Lui expliquer qu’il ne faut pas bouger

Etapes :

• Acquisition des données du diagnostic, du bilan d’extension et détermination de l’objectif du traitement : curatif ou palliatif, zones à traiter …
• Choix de la position du traitement et reproductibilité de celle-ci par un moyen de contention approprié au traitement.
• Repérage des volumes cibles à traiter et des organes à risque. Contourage des volumes.
• Mise en place des faisceaux d’irradiation et obtention des images de référence (DRR).
• Acquisition des paramètres géométriques du traitement.
• Acquisition des données anatomiques du patient pour le calcul du temps de traitement de la distribution de dose.

Le choix du positionnement du patient

• Réalisé sous contrôle médical (le prescripteur).
• Il faut un patient bien informé, qu’il soit bien placé et qu’il soit confortable.

Centrage précis sur le volume planifié : confort du patient et immobilité.

Rendre accessible le territoire à traiter et écarter le structures saines : positionnement précis du patient (tête et membre) à difficile à reproduire.

Immobiliser le patient : contention : peut entrainer à écart de positionnement à erreur de centrage.

Intégrer la notion de reproductibilité.

Bilan :

• Le positionnement du patient dépend de la localisation tumorale
• Assurance d’une reproductibilité : moyen de contentions
• Assurance du confort du patient à éviter les mouvements indésirables durant traitement
• Surveiller le point du patient

Le choix des moyens de contention

Les contentions sont les mêmes au simulateur et dans les postes de traitement

Objectifs : reproductibilité + confort du patient

• Tête : masque 3 points (ne tient que la tête) ou 5 points (tient aussi les épaules).
• Thorax : contention qui lève les bras.
• Seins : plan incliné, lever les bras pour dégager la glande mammaire.
• Pelvis : calle au niveau des genoux, support en bout de pied.
• Contention sous vide pour les enfants.

L’acquisition des données anatomiques

Les images de référence

Définition : les images de références représentent des informations anatomiques qui vont permettre le contourage des volumes et le calcul dosimétrique.

Outils de simulation virtuelle

Le simulateur standard permet d’obtenir des images en 2D de coupes tomographiques :

• Position de traitement respectée
• Résolution spatiale et contraste < scanner
• Temps d’acquisition plus long

Le simulateur de maintenant : imagerie scanner 3D :

Image de référence en RT = imagerie tridimensionnelle (3D) acquise avec un scanner dédié à la radiothérapie. Images scanner transférées à logiciel de simulation virtuelle.

Avantages :

• Bonne résolution spatiale à des coupes très fines (2-mm)
• Délinéation des volumes cibles et OARs
• Utilité pour le calcul dosimétrique dans des volumes petits et en 3D
• Permet un calcul prenant en compte les hétérogénéités des tissus
• Temps d’acquisition court donc moins d’artéfacts de mouvement
• Restitue les contours sans déformation
• Génère images virtuelles (DRR) utilisées pour la vérification du positionnement du patient

Acquisition des images pour RT différent des acquisitions des images pour le diagnostic.

Images complémentaires

Aident au recalage, fusion et contourage des volumes ciblés

IRM : information anatomique, bonne résolution spatiale et bon contraste

Inconvénients :

• Distorsion géométrique
• Difficultés d’exploitation des densités

Intérêt : recalage avec l’image de référence

TEP : images fonctionnelle ou biologique

Intérêt : précision des contours des volumes « cibles » pour certaines localisations à pulmonaires (nodules)

 Simulation virtuelle

Simulation virtuelle immédiate : on détermine directement l’isocentre (point fixe correspondant à l’entrecroisement de l’axe de rotation du bras et de l’axe du faisceau, directement lié à la géométrie de l’appareil).

• Le contourage est généralement différé
• Localisation simple

Simulation virtuelle différée : transférée ensuite

• Le contourage et la balistique sont effectués ultérieurement sur les consoles de SV
• Outils de visualisations 3D

Outils de la SV :

Module 3D dynamique :

Ordinateur capable de récupérer une série de coupes scanner (coupes transverses ou axiales) et de reconstruire le patient en 3 dimensions. On a alors accès aux structures internes du patient et on peut dessiner tous les volumes nécessaires à la simulation (volume tumoral, organes à risques)

Représentation en temps réel du volume cible

Beams’s Eye View

Cette fonction permet de visualiser les différents volumes

Le patient est vu comme si l’œil se trouvait à la place de la source de rayonnement. Les dimensions de la forme du faisceau peuvent être ajustées.

DRR : Ce sont des radiographies générées informatiquement par projection de « lignes » de RX au travers d’un série de coupes scanner d’un patient.

L’avantage des DRR / aux radiographies d’un simulateur c’est que l’on peut éliminer une partie du patient lors de la reconstruction et mieux visualiser la partie intéressante

Résumé : une DRR est la superposition du BEV et de la radiographie classique correspondante.

A la fin de la simulation virtuelle :

Transfert des images avec les contours anatomiques +/- balistique vers les consoles de calcul dosimétrique.

Etude dosimétrique

Outils indispensables en dosimétrie :

• Les images 3D de références acquises lors de la simulation (avec le scanner dédié à la RT)
• Les contours des volumes cibles et des OARs réalisés sur la station SV

Le système de planification de traitement ou TPS = logiciel de dosimétrie prévisionnelle à permet un calcul prévisionnel des distributions de dose au sein du patient grâce à l’imagerie 3D.

Objectifs du TPS :

• Permet la segmentation
• Choix de la balistique de traitement : angulation des faisceaux ou utilisation de celle réalisée lors de la SV
• Calcul de la distribution de dose
• Optimisation : homogénéité, pondérations des faisceaux, calculs des HDV…

Participants :

Les physiciens médicaux :

• Configuration du logiciel de TPS et validation à partir des mesures physiques
• Validation et mise en place des protocoles dosimétriques utilisés en routine
• Contrôles Qualités obligatoire et périodique des accélérateurs et de ses accessoires
• Calcul et validation des dosimétries

Les dosimétristes/manipulateurs :

• Calcul dosimétrique
• Aide le physicien à la validation de dosimétries et au CQ (contrôle qualité)

1^ère étape : segmentation des volumes et prescription définit par le médecin

Sur les images récupérées du scanner les volumes « cibles » et OARs sont contourés ou importés du logiciel de SV.

La prescription de dose établie par le médecin précise la dose à délivrer aux volumes cibles et des doses « limites » à ne pas dépasser aux organes critiques.

2^ème étape : choix du type de rayonnement, énergie et balistique

Choix du type de rayonnement/énergie : électrons ou photons en fonction de la profondeur de traitement et de la présence de l’hétérogénéité des tissus traversés

Choix de la balistique d’irradiation : étape importante facilitée par l’utilisation du BEV à trouver l’angle sous lequel on peut séparer au mieux le volume cible des organes à risque. Dans la majorité des cas, l’angulation des faisceaux est prédéfinie par des protocoles et le BEV sert à adapter la taille du faisceau et à définir les caches.

Choix de la forme du champ d’irradiation à l’aide de caches ou du MLC (collimateur multilames) à éviter OAR.

3^ème étape : choix d’accessoire faisceaux

Les différents modificateurs de faisceaux à notre disposition sont : les caches, les bolus, les compensateurs, les filtres en coin, la modulation d’intensité (cf cours modificateurs de faisceau/technologies innovantes)

4^ème étape : calcul dosimétrique

Etape simultanée et interactive avec le choix de la balistique. Une bonne balistique est celle qui va donner la dose la plus homogène possible dans le volume cible tout en limitant aux maximum la dose reçue par les tissus sains.

5^ème étape : étude histogramme dose volume ou HDV et validation médicale

L’examen de la répartition de dose et des histogrammes dose-volume et des éléments d’appréciation de la qualité d’une planification. S’il reste un choix entre plusieurs techniques, il faut retenir la plus simple et la plus reproductible.

• Planification approuvée par le médecin prescripteur.
• Il faut que 95% du volume, reçoit 95% de la dose.
• Respecter les limites de dose prescrite pour les OARs (inférieur à 50% de la dose).

6^ème étape : validation de la planification de traitement

Constitution du dossier de traitement :

Impression des données techniques de la fiche de traitement = elle résume tous les paramètres nécessaire au traitement : identité, pathologie, but de la radiothérapie, prescription médicale, appareil de traitement, contention…

Elle est indispensable à chaque séance de traitement.

• Impression des DRR de chaque faisceau d’irradiation
• Double calcul des Unité Moniteur

UM : unité arbitraire d’affichage de la grandeur mesurée par les chambres d’ionisation d’un accélérateur linéaire. (Exemple : 1 Gy = 100 UM)

Préparation des mesures de dosimétrie in vivo (DIV)

Mise sur le réseau informatique (R&V) propre à la RT des données en vue du traitement du patient.

7^ème étape : transfert de la planification de traitement via le réseau

Une fois la dosimétrie faite par le médecin, le physicien est chargé de transférer les paramètres de la planification de traitement vers l’appareil de traitement via le réseau.

• Utilisation du Record&Verify ou système d’enregistrement et de contrôle des paramètres.

Rôles :

• Garantir l’enregistrement de l’ensemble des paramètres réellement mis en œuvre lors de chaque séance de traitement ; des doses délivrées et des images de positionnement.
• Le contrôle automatique des paramètres réels de traitements. Ils sont comparés à ceux définis lors de l’élaboration du plan de traitement.

Mise en place du patient au poste de traitement

La mise en place du patient a pour objectif de placer le patient sous l’appareil de traitement dans les mêmes conditions que la SV.

Les détails du positionnement du patient et des contentions utilisées sont retranscrites dans la fiche de traitement du patient. La vérification de la fiche de traitement (contrôles des paramètres…) de chaque patient est réalisée avant la MP. A partir des paramètres transférés via le réseau, le manipulateur pourra réaliser la MP à vérification par images du positionnement du patient.

Les participants : médecin prescripteur et les manipulateurs.

Rôles des manips :

• Accueil du patient
• Explication du déroulement de cette séance au patient
• Installation du patient identique à la simulation (alignement lasers ; contention…)
• A partir du plan de traitement + images de référence transférées : vérification du positionnement du patient SV.

Les manipulateurs mettent en place le patient sous l’appareil de traitement avec des moyens de contention.

La projection des lasers et du champ lumineux permettent aux manips un repositionnement du patient et un centrage identique à la SV à Reproductibilité

Les manips réalisent ensuite un contrôle du positionnement par imagerie :

• Une acquisition des images de contrôle (IC) orthogonale (ANT-LAT). Pour contrôler le positionnement il faut toujours des clichés orthogonaux.
• Un recalage anatomique / images de REF (DDR).
• Appliquent les corrections nécessaires pour retrouver la position identique à celle de l’acquisition des images lors de la SV.

A faire valider par le médecin 

Traitement du patient

Avant tout traitement du patient

• VALIDATION médicale du Plan de traitement + clichés de la MP
• Double vérification du temps de traitement et/ou UM par physicien et manipulateur au poste de traitement

Première séance de traitement

Lors de la 1ère séance, vérification de l’exactitude du transfert du plan de traitement entre le R&V et l’accélérateur

Lors de la 1ère séance, mesure de la dose à l’entrée par dosimétrie in vivo (DIV)

Lors de chaque séance enregistrement du temps du traitement et dose délivrée par faisceau et inscription sur la fiche de traitement

Plus ou moins IC du positionnement hebdomadaire/quotidien

Séance de traitement quotidienne

Lors de chaque séance, enregistrement du temps de traitement, et dose délivrée/faisceau au niveau du R&V

Plus ou moins IC du positionnement hebdomadaire/quotidien a validé par le médecin

Consultation médicale hebdomadaire : surveillance des effets secondaires, contrôle de la dose reçue et vérification des imageries de contrôle

Consultation de fin de traitement

• Vérification de la dose totale délivrée à R&V + fiche de traitement
• Interrogation du patient sur le vécu du traitement en RT
• Toxicité ou non ?
• Informer le patient du suivi

 

Bilan du parcours et RT  externe

La préparation du plan de traitement est complexe et dépend du parc technique.

De nos jours, les techniques deviennent de plus en plus complexes à besoin de formation.

Plusieurs participants avec des responsabilités différents :

• Le médecin spécialiste en RT à décideur de la prescription d’un traitement (dose totale, fractionnement et étalement)
• Le physicien médical à garant de la dose délivrée au patient
• Le manipulateur à garant du bon déroulement d’un traitement

Plusieurs intervenants = source multiple d’erreurs !!

Nécessité protocoles + critères de bonnes pratiques

Quelles sont les erreurs susceptibles d’entraîner ?

Un accident d’irradiation et pendant quelle étape peuvent-elles apparaître ?

• Décalage, centrage par rapport à l’isocentre.

Est-ce qu’il existe une étape dans la préparation d’un traitement RT externe plus importante que les autres ?

Données informatiques et réseau

Le réseau d’enregistrement et de vérification des paramètres (R&V) permet la communication entre les différentes stations de travail de radiothérapie. Il est avant tout le support du dossier du patient lors de son cheminement au sein du service de radiothérapie. Il est  aussi un maillon essentiel de la prévention des risques en radiothérapie.

Le réseau du service de radiothérapie doit assurer le transfert et la vérification des données du patient entre les principaux éléments du service de radiothérapie. A partir de ce moment, tout le dossier est lié à un numéro d’identification unique (id patient).

Ce réseau constitue alors le support numérique pour le dossier et doit être à tout moment accessible, à jour et fidèle au traitement prescrit.

Le physicien médical doit effectuer une vérification de ces transferts faisant un contrôle qualité. Le bon fonctionnement de ce réseau permet de diminuer les erreurs systématiques (erreur de transcription de l’information), et la diminution des erreurs aléatoires au cours des traitements (i.e. approximations, troncature de valeurs UM).

Généralités

Les réseaux départementaux au sein de l’hôpital

Le système d’information hospitalier (SIH ou HIS)

Le système d’information de radiologie (SIR ou RIS), les premiers à se développer

Le système d’information de RadioThérapie (SIRT), dont le développement est devenu incontournable depuis le milieu des années 90. Les liens réseaux sont devenus possibles grâce à la définition de standards de recommandation et normale, au niveau international, et de leur généralisation progressive : Dicom, Dicom-RT…

DICOM : type de fichiers transférés appelés RT images quand c’est des images, RT dose quand c’est de la dose, RT structures set quand c’est des contours des structures anatomiques, RT treatment record à ficher que tous les jours le patient aura pour enregistrer sa dose (c’est ça qui nous permettra la traçabilité).

Lien NCR entre le système de planification et l’accélérateur et doit être considéré comme l’élément central de la communication en RT. Son rôle central dans l’enregistrement et la vérification des paramètres est une fiabilité exemplaire.

Le système de R&V est destiné à éviter un certain nombres d’erreurs de saisie qui pourraient s’avérer très graves pour le patient.

Le système d’information en radiothérapie (SIRT)/R&V

Les objectifs : fournir à chaque étape de l’organisation de la mise en œuvre d’un soin de radiothérapie l’ensemble des informations nécessaire à la bonne exécution de chaque fonction.

Les matériels devant communiquer :

• Appareils d’imagerie (scanner, IRM, TEP…)
• Simulateur (scanner, simulateur de faisceaux)
• Systèmes de repérage Lasers externes liés aux appareils d’imagerie (scanner, TEP, IRM….)
• Accélérateurs linéaires d’électrons
• Stations de planification des traitements : dosimétrie, simulation virtuelle
• Stations d’évaluation des traitements
• Stations d’imagerie portale MV ou RX embarquée

Un serveur et un ensemble de PC équipés d’un ensemble de logiciels permettant de communiquer avec différents matériels.

Les besoins, justification :

Prendre en charge la gestion et le contrôle de l’ensemble des paramètres intervenant dans le déroulement des traitements : gestion de la dose délivrée jusqu’au compte rendu final de traitement

Transférer automatiquement un nombre de paramètres de plus en plus importants :

• Du fait de l’accroissement de la complexité des machines de traitement qui implique un accroissement du nombre de paramètres liés au traitement
• Du fait de l’accroissement de la complexité des balistiques du traitement

Gestion des images

Protocole de communication :

Le protocole DICOM RT est propre au service de Radiothérapie il contient des ports supplémentaires pour la transmission de données comme celles décrites ci-dessous :

• RT Image : images DRR, imagerie portale
• RT Dose : distribution de dose calculée sur le TPS
• RT Structure Set : contours des structures anatomiques
• RT Plan : géométrie des faisceaux, quantité d’UM, observations positionnement
• RT Treatment Record : suivi des traitements, évite de refaire une séance

Les appareils de traitements : cobalt, accélérateur linéaire de particules

Historique

RT externe : au radium. Avant on utilisait des bombes de radium, placés à distance de la peau.

RT conventionnelle : développement des tubes RX pour produire des faisceaux plus énergétiques donc plus pénétrants.  L’accélération des électrons dans un tube sous le seul effet de la différence de potentiel présente des limites technologiques.

Accélérateur à particules : on augmente en énergie à 1er cyclotron inventé par Ernest Orlando en 1930. Produit des partis d’HE sans HT à invention pour la RT de HE.

Télécobalthérapie : le cobalt n’est plus utilisé en France au profit des accès linéaire d’électrons.

Accélérateur de nouvelle génération : volonté d’optimiser les traitements à accélérateurs linéaire à particules.

Appareil de télécobalthérapie

Les appareils contiennent une source de cobalt 60 qui émet des photons gamma d’E moyenne 1,25 MeV. Utilisé pour traitements de cancers : de la tête, du cou, du sein et des membres. Ces appareils sont maintenant remplacés par des accès linéaires fournissant des E de 4-6 MV.

Source constituée d’empilement de disques et se présente sous forme d’un cylindre de 2 cm de diamètre à compromis entre activité acceptable et la pénombre géométrique faible. Rayon gamma utilisé pour le traitement résulte de la désintégration du Cobalt 60.

Accélérateurs linéaires

2 sortes d’accès de particules sont destinées à une utilisation thérapeutique :

• Les accès linéaires d’électrons (LINACS)
• Les accès de particules lourdes qui sont utilisés pour certaines indications particulières et la recherche : 3 unités en fonctionnement en France
• Synchrocyclotron au CPO (centre de proton thérapie d’Orsay)
• Cyclotron au CERI
• Grand accélérateur national d’ions lourds GANIL (Caen)
• Cyclotron biomédical du Centre Antoine Lacassagne (Nice) utilisé pour la neutronthérapie et protonthérapie

Les différents éléments : canon à électrons, section accélératrice et chambres monitrices, collimateur, table de traitement, imagerie portale, accessoires.

1)     Synoptique des accélérateurs

Les accélérateurs linéaires d’e- sont composés de plusieurs structures, chacune ayant un rôle bien défini :

• Le canon à électrons où les électrons sont produits
• Une portion où les e- sont regroupés en paquets
• La section accélératrice dans laquelle transitent les e- et l’onde électromagnétique
• Le système de production de l’onde électromagnétique
• Des dispositifs assurant l’alimentation et le contrôle du système
• Des équipements assurant la création et l’entretien sous vide
• Des dispositifs qui génèrent des faisceaux d’e- ou de photons
• Des instruments de mesures afin de garantir la qualité des faisceaux : chambre moniteur

Production des électrons : canon à électrons

C’est un système de production des électrons fondé sur l’effet thermoélectronique et l’accélération des e- dans une structure comparable à un tube cathodique. Le tube très résistant contient plusieurs éléments : la cathode, l’anode et une grille de commande.

La cathode : relié au pôle négatif de Haute Tension, c’est une plaque de tungstène chauffée par un filament spiralé, porté à incandescence par effet Joule (effet thermique se produisant lors du passage du courant dans un conducteur) à production des électrons.

L’anode : plaque porté à un potentiel supérieur à la cathode, attire les électrons et leur passage vers la partie suivante par le trou central.

La grille de commande : située entre la cathode et l’anode, règle l’intensité du faisceau et le focalise vers l’anode.

La cavité de groupement des électrons

Cette cavité permet de regrouper des e- en paquets sur une petite longueur avant de rentrer dans la section accélératrice. Ce regroupement est réalisé grâce au champ électrique à sélection les e- avant la section accélératrice.

• Quand le champ électrique est nul à vitesse d’électrons n’est pas modifiée
• Quand le champ électrique est négatif à électrons ralentis
• Quand le champ électrique est positif à électrons accélérés

Cette cavité permet la modulation et l’augmentation progressive de la vitesse des e- traduit par la modulation de la densité et de leur énergie.

La section accélératrice

Caractéristiques géométriques :

Cylindre métallique = guide d’onde, diamètre de 20 à 30cm adaptée aux fréquences.

Longueur de la cavité = longueur d’onde de l’onde. Exemple : fréquence de 3000 MHz associé à la longueur d’onde de 10 cm (Lambda= C/v = 3.10⁸/ 3.10⁹= 0,1 m).

Les caractéristiques géométriques sont déterminantes pour la propagation de l’onde  et pour l’accélération des électrons.

Elle permet aux électrons d’atteindre des E de l’ordre du MeV par l’intermédiaire d’une onde d’HF. Elle permet le passage simultané des ondes d’HF et des électrons avec un transfert d’énergie de l’onde vers les électrons à l’accélération de ceux-ci.

Comment est produite l’onde hyperfréquence ?

Le magnétron (1930) est un tube à vide dans lequel des e- sont soumis à un champ magnétique afin de modifier leur trajectoire à permet d’obtenir un courant de très HF. Cette onde sera ensuite prélevée et guidée vers la section accélératrice. Il faut le changer tous les ans.

Le Klystron, il est plus puissant que le magnétron, permet la production de rayonnements plus énergétiques à indiquées pour les accélérateurs médicaux.

La déviation et tri des électrons

Pourquoi dévier le faisceau d’e- en sortie de la section accélératrice ?

Focaliser : système d’électro-aimants qui impose au faisceau une boucle de 270° afin de donner une direction perpendiculaire au faisceau à son arrivée.

Cette déviation assure les modifications de trajectoires pour focaliser les e- sur un axe bien défini (passage d’un faisceau horizontal à vertical)

Trier : la déviation à 270° + le champ magnétique + fente d’énergie à  permettent de sélectionner en énergie les e- afin d’obtenir un faisceau d’e- d’énergie plus uniforme.

La fente d’énergie (fenêtre de sortie) permet de sélectionner des électrons à définir l’énergie souhaitée !

2 positions possibles :

• fente étroite à ça nous permet de travailler en régime électrons
• fente large à régime photons

Genèse des faisceaux de traitement

Mode électrons

Utilisation d’un faisceau d’e- ayant l’énergie et la direction souhaitée pour le traitement après le passage de la fenêtre de sortie. Ce faisceau doit convenir pour le traitement d’un volume à élargissement du faisceau selon 2 procédés :

• Système de balayage : 2 paires d’électroaimants imposent au faisceau un balayage selon 2 directions (avantage : aucune interaction des électrons avec des matériaux).
• Système à diffusion : utilise de fines lamelles de métal d’épaisseur uniforme créant la diffusion des électrons à élargissement du faisceau.

Mode photons

Comment produire des photons ?

Interposer une cible de tungstène (barillet) dans le faisceau d’électrons accélérés. Le barillet (cible) se trouve après la fenêtre de sortie. (Electrons à Cible à Photons). Les caractéristiques du faisceau de photons (intensité, énergie) dépendent :

• Energie des électrons
• Epaisseur de la cible
• Des matériaux constituant la cible

Energie des photons exprimés à MégaVolt (tension accélératrice)

MeV : électrons                            KeV : photons

Quelles sont les particularités du faisceau de photons ?

L’homogénéité du faisceau est très importante afin d’assurer une bonne distribution  dosimétrique à assurée par un cône égalisateur placé sur le trajet des photons. Après la cible, le faisceau n’est pas homogène (au centre des photons plus énergétiques donc plus pénétrants).

Objectif du cône égalisateur : atténuer les photons de façon décroissante les photons de l’axe vers les bords.

Contrôle des faisceaux : chambre moniteur

Utiliser un accès dédié au traitement de patient nécessite des CONTROLES surtout à la sortie du faisceau avant d’atteindre le patient.

La qualité du faisceau en sortie est assurée par 2 chambres moniteur plates. Elles ont pour objectifs :

• De mesurer la dose à Unité Moniteur : UM/temps de traitement. 1 UM = 1 cGy
• De contrôler les débits de dose
• De contrôler l’homogénéité du faisceau de sortie
• De contrôler la symétrie du faisceau de sortie

Il y en a deux car il en faut toujours une au cas où une lâche.

Géométrie des faisceaux

La géométrie des faisceaux est définie grâce à la présence de collimateur primaire appelés mâchoires X et Y. Ce système permet de diriger le rayonnement utile pour le traitement du patient et d’absorber le reste : radioprotection du patient. Le collimateur délimite le faisceau par son architecture pyramidale fixe et par les 2 paires de mâchoires X et Y afin de réaliser les dimensions voulues.

Dans une fiche de traitement il faut : le nom du faisceau, l’énergie, taille de champ X et Y, collimateur secondaire MLC, accessoire (filtre 30°).

Les MLC ne sont présents que dans un seul sens (en X), le collimateur secondaire permet de nous conformer à la tumeur.

Pour plus de précision, des collimateurs secondaires focalisés sont utilisés afin de se conformer au mieux au volume cible : collimateurs multi lames (MLC). Le MLC est indépendant des collimateurs primaires et permet :

• Technique conformationelle, modulation d’intensité
• Mouvement mécanique indépendant de chaque lame commandé par l’ordinateur
• Plusieurs modèles : 40,60, 80 ou 120 lames de largeur de 0,2 ; 0,5 ou 1 cm.

Pas de MLC en mode électrons. Pour les faisceaux d’électrons à des applicateurs sont utilisés pour conformer ces faisceaux.

La table de traitement

• Plan dur, gradué selon l’axe z (pour fixer les éventuelles contentions)
• Matériel composite « transparent » pour éviter le rayonnement diffusé
• Possibilité de mouvements en 6 degrés de liberté
• Possibilité du contrôle et déplacement automatique à partir des paramètres déterminés lors d’une SV directe ou calculés à partir d’une opération de matching des images de contrôle (portales ou IGRT)

L’imagerie portale

• Permet le contrôle du positionnement du patient par rapport aux images DRRs
• Images numériques obtenues avec les faisceaux de traitement à imagerie MV

Désavantages : faible contraste, détecteurs coûteux

• La sensibilité du détecteur détermine la qualité de l’image
• Traitement de l’image permettant choisir la fenêtre de visualisation

Trois types de détecteurs :

• A écran fluorescent couplé à une caméra CCD
• Aux chambres d’ionisation
• Au silicium amorphe

Les accessoires

Filtres en coins (photons)

• Permet modifier la distribution de dose
• Valeur de l’angle (donnée par rapport à l’inclinaison de l’isodose) ≠ l’angle physique

3 types :

• Manuels (15°, 30°, 45° et 60°)
• Intégrés dans la tête de l’accélérateur (filtre 60°), présence partielle dans le fx d’irradiation qui donne l’angle du filtre
• Mobiles, crée par le mouvement d’une mâchoire

Appareils à Rayons X pour l’imagerie

L’objectif est :

• Assurer, garantir un bon repositionnement
• Vérifier que le patient est bien positionné avant de démarrer l’irradiation
• Vérifier que le patient reste bien positionner pendant l’irradiation

Quels sont les moyens utilisés en RT pour la réalisation d’imagerie (RX) ?

Film, imagerie portable, imagerie embarquée, imagerie kV indépendant.

Les films

Source : photons d’HE (MV)

Détecteur : couple écran- film

• Technologie analogiqueAssociation couple écran renforçateur + film sensible au RX
• Couple contenu dans une cassette
• Films en voie de disparition (utilisation lourde : besoin d’une développeuse, image non numérisée …)

Imagerie portale : deux types

• Couple écran-caméra (beam view siemens) : système CCD + écran scintillateur

Source : photons de Haute Energie

Détecteur : capteur CCD associé à un écran fluorescent.

• Matrice au silicium amorphe (Portal aS 500, aS 1000 Varian): système détecteur au silicium amorphe.

Principe de fonctionnement

• Exposition du scintillateur Phosphore à émission photon lumineux proportionnel à l’E incidente
• Conversion en charge électrique des photons lumineux  par les photodiodes
• Courant électronique généré par les photodiodes est point par point proportionnel à l’E incidente à signal électrique à image.

Imagerie embarquée

L’imagerie kV-IP (image portale)

Source : tube à RX

Détecteur : système CP, monté sur 2 bras robotisés, acquisition d’image numérique, acquisition en mode fluoroscopique.

Rapidité de réalisation.

Précision :

• En osseux équivalente aux images portales avec superposition /DRR
• Repositionnement sur volume cible si des marqueurs sont implantés

L’imagerie kV-CBCT

Source : tube RX (50 kV à 140 kV)

Détecteur : Capteur plan

• Mode d’acquisition tomographie : en faisceau large
• Visualisation des tissus et repositionnement 3D du volume cible
• Attention à la dose !!!!
• Recalage des tissus mous : recalage kV-CBCT et scanner de stimulation

Imagerie MV CBCT

Source : accès MV

Détecteur : imageur portale

Contrôles quotidiens  envisageable avec prise en compte de la dose.

Qualité d’image : contraste MV moins bon mais suffisant pour repositionnement quotidien + images de meilleure qualité si prothèse

Mode d’acquis tomographie : en faisceau large MV

Imagerie KCV Indépendant

2 tubes RX dans la salle + marqueurs infrarouge couplés à un système d’imagerie kV placés dans la salle.

Objectifs : contrôle du positionnement et ajustement du positionnement avant et pendant l’irradiation.

Positionnement basé sur les structures osseuses

• Nécessite l’implantation de marqueurs radio opaques
• Elimine l’imprécision causée par les mouvements de la peau

BILAN

• Objectif de l’imagerie 2D (MV/kV)
• Contraste MV< kV mais suffisant pour repositionnement osseux quotidien
• Vérification du positionnement du patient par imagerie de contrôle avant irradiation
• Contrôle de la position de l’isocentre
• Utilisation de l’imagerie avant chaque séance pour corriger le défaut de positionnement du patient
• Utilisation de l’imagerie pendant le traitement : IGRT

UE 3.6 INTRODUCTION A LA PHYSIQUE DES RAYONNEMENTS

Les rayonnements, et leurs interactions avec la matière

L’énergie

En radiothérapie, l’énergie est exprimée en electron-volt (eV). L’unité l’électron-volt correspond à l’énergie cinétique acquise par un électron soumis à une différence de potentiel de 1Volt

1eV = 1.6.10^19 J

Les multiples couramment utilisées sont les suivants : 1keV = 10^3

1Mev = 10^6 1Gev = 10^9

La matière

La matière est constituée d’éléments, eux-mêmes constitués d’atomes.

Un atome est constitué d’un noyau, de protons et des neutrons, concentrant plus de 99.9% de sa masse, autour duquel se distribuent des électrons pour forme un nuage électronique 40000 fois plus étendu.

Melectron = 9.1.10^-31 kg Mneutron = Mproton = 1.1.10^-27 kg

Mneutron = Mproton = 2000*Melectron

Les protons sont des particules chargés positivement (p+) Les neutrons sont électriquement neutres (n°) Et les électrons sont chargés négativement (e-)

Le noyau est donc chargé positivement tandis que le nuage électronique est chargé négativement.

Ces différences de charges entre protons et électrons vont créer une  interaction. Les électrons et protons seront alors attirés l’un par l’autre. Le nuage électronique est donc lié au noyau via la force électromagnétique.

Les électrons sont d’autant plus liés au noyau que cette force est importante. Ceci implique que plus l’électron est proche d’un noyau, et donc des protons, plus il est lié.

Les électrons sont définis à l’intérieur du nuage électronique de manière bien précise. Le nuage est organisé en couches et sous couches électroniques avec un nombre défini d’électrons par couche.

Une fois la première couche remplie. La suivante l’est à son tour jusqu’à ce que tous les électrons soient rangés à l’intérieur de toutes les couches électroniques.

La dernière couche remplie étant celle la plus distance du noyau, les électrons la constituant seront moins lies au noyau que ceux des couches précédentes.

De la même façon, plus il y aura d’électrons dans une couche, plus ils seront liés au noyau.

La force électromagnétique augmente donc au fur et à mesure que les couches et sous-couches autour du noyau se remplissent d’électrons. Les électrons les plus liés seront ceux qui appartiennent aux couches internes et inversement les moins liés aux couches externes.

Chacune de ces couches est associées  à un niveau d’énergie.

Ce niveau d’énergie va corresponde à l’énergie qu’il faut à l’électron pour l’arracher de la couche en question.

Plus un électron sera lié au noyau plus l’énergie à fournir pour le dissocier sera importante.

L’énergie à fournie pour arracher un électron appartenant à la derrière couche sera donc moins importante que celle à fournir pour arracher un électron des couches interne. Ils seront donc les premiers électrons arrachés du nuage électronique.

A l’état initial, dit état stable ou fondamental, l’atome est électriquement neutre. Il y autant de proton (+) dans le noyau que d’électrons (-) dans le nuage électronique.

Lorsqu’un électron est arraché du nuage électronique, l’atome se transforme en une paire ion/électrons. Il est alors chargé positivement (plus de protons que d’électrons) et devient donc un cation.

A l’inverse s’il est chargé négativement, il sera donc un anion.

Tant que l’énergie minimale pour arraché un électron des couches externes n’a pas été fournie, l’atome reste électriquement neutre. Cependant il peut ne plus se trouver dans un état stable mais dans un état excité.

L’énergie nécessaire pour excité un atome et/ou lui arracher un électron est fourni par un rayonnement extérieur.

Les rayonnements

Rayonnement : Un rayonnement désigne le processus d’émission ou de transmission d’énergie impliquant une onde ou une particule.

Il existe deux types de rayonnement :

• les rayonnements particulaires
• les rayonnements électromagnétiques

Rayonnement particulaire

Il s’agit d’un rayonnement constitué de particules. Ces particules ont une masse, elles peuvent être électriquement chargées (+ ou -) ou neutres.

Les particules pouvant être utilisées en radiothérapie sont les suivants :

• électrons (e-)
• neutrons (n°)
• protons (p+)
• certains ions

Les plus répandues sont les électrons. Leur énergie va de quelques MeV à quelques dizaines de MeV.

Rayonnement électromagnétiques

Un rayonnement électromagnétique correspond à un ensemble de radiations émises par une source. Cela désigne un transfert d’énergie depuis la source émettrice vers le point d’interaction.

A l’inverse des rayonnements particulaires, ceux-ci ne possèdent pas de masse et ne peuvent être qu’électriquement neutres.

Le rayonnement électromagnétique n’est caractérisé que par son énergie.

A cette énergie est associée une longueur d’onde (lambda)

FORMULE :

H constant de Planck c= vitesse de la lumière

La lumière blanche est par exemple un rayonnement électromagnétique visible par l’œil humain. Elle ne constitue cependant qu’une petite tranche du large spectre électromagnétique.

Le spectre électromagnétique correspond à la décomposition du rayonnement électromagnétique en fonction de ces caractéristiques (énergie, longueur d’onde…)

Les rayonnements utilisés en médecine et notamment en radiothérapie sont principalement des rayons X et certains Rayons Gamma.

Les rayons X et les rayons gamma sont de même nature (aussi appelés photons X et gamma). Seuls leurs moyens de production diffèrent.

Les rayons X sont produits par le cortège électronique tandis que les photons gamma sont émis suite à la désexcitation d’un noyau atomique. C’est pour cette raison qu’ils sont différenciés.

Leur gamme d’énergie va de quelques keV (10^3 eV) à plusieurs centaines de GeV (10^9eV), ce qui les rend utilise pour la médecine et notamment en imagerie et radiothérapie.

La radiothérapie utilise principalement des photons X et gamma de haute énergie (10^6 eV = MeV) tandis que des photons de moindre énergie (keV) seront privilégiés pour l’imagerie.

Rayonnement ionisant

Qu’ils soient particulaires ou électromagnétiques, les rayonnements peuvent être classés de deux types : les rayonnements ionisants et elles rayonnements indirectement ionisants

Un rayonnement est dit ionisant ou indirectement ionisant lorsqu’il est susceptible d’arracher un ou plusieurs électrons de la matière qu’il traverse L’énergie minimale apportée par ce rayonnement est donc supérieure ou égale au potentiel d’ionisation de l’atome.

Potentiel d’ionisation : Le potentiel d’ionisation, ou énergie d’ionisation (EL), d’un atome ou molécules est l’énergie qu’il faut fournir à un atome neutre pour lui arracher un électron (le moins lié), à l’état gazeux, et ainsi former une paire ion-électron

En radiothérapie, la matière avec quoi interagissent les rayonnements est principalement construite de molécules d’eau (H2O)

Compte tenu de la constitution de ces deux atomes (noyau et cortège électronique), un rayonnement est dit ionisant, en radiothérapie, lorsqu’il est capable d’ioniser un atome d’hydrogène (H)

L’atome d’hydrogène n’est constitué que d’un seul proton et par conséquent un seul électron suffit au cortège électronique pour assurer la neutralité électrique de l’atome.

Rayonnements directement ionisants Les rayonnements directement ionisants sont les particules chargées. En radiothérapie, il s’agit :

• des électrons
• des protons
• certains ions

Rayonnement indirectement ionisants Les rayonnements indirectement ionisants correspondent aux rayonnements particulaires non chargés et aux rayonnements électromagnétiques.  Ceux présents en radiothérapie sont :

• Les rayons X et gamma
• Et les neutrons

Les ionisations sont alors produites par les particules chargées secondaires mises en mouvement dans la matière.

Interactions des rayonnements avec la matière

Les interactions entre les rayonnements et la matière qu’ils traversent dépendant directement de la nature des rayonnements.

Interactions électrons-matière

Les électrons qui interagissent avec la matière peuvent être directement issus d’un rayonnement primaire, ou issu d’une première interaction entre un autre rayonnement et la matière. Dans ce cas, il s’agit de particules secondaires suite à l’interaction, par exemple, d’un photon avec la matière.

Les collisions électroniques correspondent à des interactions entre un électron et les électrons du milieu (cortège électronique). Celles-ci dépendent de l’énergie cinétique des électrons incidents.

Ces collisions sont de deux types :

• les collisions élastiques
• les collisions inélastiques

Lors d’une collision élastique, seule la direction des particules mises en cause est modifiée, sans modification de leur énergie.

A l’inverse, lors d’une collision inélastique, l’état interne d’une des particules au moins a été changé. L’électron a pu transférer une partie de son énergie cinétique à l’atome ou à la molécule. Il s’agit alors d’un transfert d’énergie cinétique de l’électron, en énergie interne de l’atome.

Lors des collisions inélastiques, les électrons, primaires ou secondaires, perdent progressivement leur énergie cinétique dans le milieu qu’ils traversent.

Dans le domaine d’énergie de la radiothérapie, les principales collisions inélastiques produites sont des excitations et ionisations.

Dans le premier cas, l’énergie cinétique de l’électron est transférée à l’atome qui se retrouve alors dans un état excité, c’est-à-dire instable, Il pourra alors revenir dans un état stable par différentes voix de désexcitation.

Si l’énergie cinétique des électrons est supérieure au potentiel d’ionisation des atomes présents dans le milieu, alors des ionisations sont possibles.

Au fur à mesure de leur traversé dans le milieu, les électrons vont donc perdent leur énergie suite aux excitations/ionisations qu’ils vont produire.

Plus l’énergie cinétique de l’électron est importante, plus il pourra produire des excitations/ionisations dans la matière. Une fois la quasi-totalité de son énergie transférée, l’électron est stoppé et absorbé par la matière.

La trajectoire des électrons dans la matière est très sinueuse. Lors de chaque interaction, les électrons sont déviés et cette déviation peut aller jusqu’à 180°. Dans ce cas là, l’électron est dit rétrodiffusé dans le milieu.

La diffusion d’un rayonnement traduit est changement de direction suite à l’interaction avec la matière.

En conséquence, la profondeur maximale atteinte par un électron dans la direction incidente initiale, est inférieure à la longueur totale de sa trajectoire.

Le parcours d’un électron correspond à la profondeur maximale parcouru par cet électron dans sa direction incidente.

En plus des collisions électroniques que peuvent subir les électrons dans le milieu, il existe aussi des interactions électrons-noyau.

Dans un milieu tel que de l’eau, équivalent à celui rencontré en radiothérapie, ce phénomène reste mineur comparé aux collisions vues précédemment.

Lorsqu’un électron passe à proximité d’un noyau, une interaction se produit entre les deux. Cette interaction est due aux différences de charges entre les électrons cinétiques.

Les électrons sont accélérés puis freinés par le noyau ce qui entraîne une augmentation puis une diminution de leur énergie cinétique.

L’énergie cinétique perdue par les électrons incidents est alors émise sous forme de rayonnement électromagnétique. Il s’agit du rayonnement continu de freinage, aussi appelé « Bremsstrahlung ».

Lors d’une interaction, de l’énergie peut être transférée, transformée, mais ne peut disparaître.

Une particule chargée qui est freinée libère de l’énergie sous forme de  rayonnement.

Pour être accélérée, celle-ci doit acquérir de l’énergie cinétique de sa propre énergie.

Lorsqu’un faisceau d’électrons interagit avec la matière, la probabilité de faire une collision électronique plutôt qu’émettre un rayonnement de freinage dépend de deux paramètres :

• l’énergie initiale (cinétique) des électrons
• la constitution de la matière qu’ils traversent

La probabilité d’émettre un rayonnement de freinage augmente avec l’énergie cinétique des électrons et la densité de la matière.

Dans le domaine énergétique de la radiothérapie (MeV), les électrons produiront principalement des collisions électroniques dans un milieu peu dense (patient) et du rayonnement de freinage dans un milieu dense.

Il s’agit que de probabilité. Ce qui signifie que la contribution d’un phénomène ou l’autre n’est jamais nulle…

Interaction photons-matière

Lors de l’interaction d’un rayonnement électromagnétique (photons) avec la matière, cinq phénomènes sont observables suivant l’énergie des photons incidents

1. La diffusion Rayleigh

La diffusion Rayleigh, est une diffusion élastique. Cela correspond à l’interaction d’un photon de faible énergie avec l’atome. Le photon est dévié sans perte d’énergie (analogie avec interaction élastique des électrons).

2. L’effet Compton (entre 0.1 et 10MeV)

L’effet Compton est un phénomène important en radiothérapie. La gamme d’énergie des rayonnements utilisés (MeV) et le milieu traversé (eau) en font l’interaction prédominante.

Il s’agit d’une diffusion inélastique. Le photon incident interagit avec un électron de l’atome et lui transmet une partie de son énergie. Cet électron appartient aux couches externes. Il est donc peu lié avec une faible énergie de liaison (EL). L’électron est libéré et devient alors un électron secondaire. Il peut à son tour interagir avec les atomes du milieu.

La proportion d’énergie reçue par cet électron est d’autant plus grande que le photon incident est énergétique.

Plus le photon incident est énergétique, plus l’électron secondaire sera émis vers l’avant avec une énergie importante.

Le photon incident se retrouve diffusé dans une direction différente de sa direction initiale, avec une énergie réduite (E’rxd) de la part transmise à l’électron (Ee-)

3. L’effet photo-électrique (<0.1 MeV)

Ce phénomène se produit à des énergies inférieures de celles de l’effet Compton. Il n’est pas prédominant en radiothérapie mais l’est en imagerie où les énergies utilisées sont plus faibles (keV).

Lorsqu’un photon incident interagit avec un atome du milieu, il est absorbé en transférant la totalité de l’énergie à un électron de l’atome. Il s’agit de cette fois d’un électron des couches internes qui est éjecté du cortège appelé photoélectron. Ceci entraîne l’excitation et l’ionisation de l’atome.

Le fait que l’électron éjecté soit issu d’une couche interne nécessite un réarrangement du  cortège électronique. Les électrons des couches externes vont donc remplir les couches internes.

Cette modification provoque l’émission d’un second électron, des couches périphériques cette fois, appelé électron Auger. Un photon de fluorescence peut également être émis.

4. La création de paire (>1.02 MeV)

La création de paire, aussi appelé effet de matérialisation, se produit dans des gammes d’énergie plus importantes que celles des effets précédents.

En radiothérapie, sa contribution augmente lorsque de hautes énergies de rayonnements (<10MeV) sont utilisées. Cela reste cependant bien inférieur à l’effet Compton.

Lorsqu’un photon interagit avec le champ électrique intense autour du noyau toute son énergie est transmise et va être réémise sous la forme de 2particules : un électron et un positon d’énergie de 511keV chacun.

Il faut donc que le photon incident soit une énergie supérieure ou égale à 1.02meV, soit l’énergie cumulée des deux particules crées.

L’électron de signe positif crée est un positon (e+)

L’électron et le positon vont alors épuiser toute leur énergie cinétique en produisant des collisions électroniques avec les atomes du milieu.

Une fois la quasi-totalité de l’énergie du positon libérée, celui-ci rencontre un électron et les deux particules de signes opposés s’annihilent. Deux photons gammas sont alors émis avec des directions opposées et une énergie de 511keV chacun.

Annihilation : L’annihilation entre une particule et son antiparticule consiste en la disparition de l’une et de l’autre, donnant lieu à une libération d’énergie.

5. La photoproduction nucléaire (>10MeV)

Dans la gamme d’énergie de la radiothérapie, cette réaction est très peu probable, cela se produit principalement avec de plus hautes énergies (GeV)

La photoproduction nucléaire correspond à l’absorption d’un photon très énergétique par le noyau de l’atome. Ce dernier se trouve alors dans un état très instable (A*) et réémet un neutron (n) pour revenir à l’équilibre.

6. Prédominance des phénomènes en radiothérapie

Dans la gamme d’énergie utile en radiothérapie (MeV) les phénomènes rencontrés sont principalement l’effet Compton, l’effet photoélectrique et la création de paire. Suivant l’énergie des photons incidents et la densité des matières traversées, la contribution de ces phénomènes est amenée à augmenter ou diminuer.

La masse d’un atome étant principalement due à la masse du noyau, la densité est directement reliée au nombre atomique Z, représentant le nombre de protons dans le noyau.

Compte tenu de la gamme d’énergie utilisée en radiothérapie et de la densité des tissus traversés, le phénomène largement prédominant est l’effet Compton.

Cependant, plus l’énergie du rayonnement augmente et plus les tissus traversés sont denses, plus la contribution de se phénomène diminue.

A basse énergie, l’effet photoélectrique prédomine dans les tissus denses tandis que c’est la création de paire à haute énergie.

Interaction des particules lourdes avec la matière

Les particules lourdes chargées produisent les mêmes interactions que les électrons dans la matière. Leur différence de masse avec ces derniers induisent tout de même des différences.

Comparés aux électrons, les particules lourdes chargées (protons, ions) ont une masse non négligeable, nettement supérieure aux électrons du milieu qu’ils rencontrent. Par conséquent, les déviations qu’ils subissent dans la matière sont très faibles.

Après l’ionisation d’un atome, la particule lourde chargée est très peu déviée en raison de sa masse. Ce qui lui permet d’avoir une trajectoire très proche de son incidence initiale. Ceci lui donne un intérêt certain en radiothérapie.

Les neutrons, qui sont des particules lourdes mais cette fois non chargées, interagissent préférentiellement avec le noyau atomique du milieu. Ils transfèrent leur énergie aux protons et électrons qui sont à leur tour mis en mouvement.

En radiothérapie, ces collisions se produisent principalement avec les atomes d’hydrogène présents dans le milieu.

Les protons et électrons secondaires sont alors responsables des ionisations/excitations produites dans le milieu et par conséquent des effets biologiques produits.

 

Les effets biologiques produits dans la matière

Les effets biologiques d’une irradiation sur les tissus sont l’aboutissement d’une chaine de phénomènes déclenchés par le passage du rayonnement.

Les événements initiaux sont les ionisations et les excitations provoquées par l’interaction des radiations incidentes avec les atomes des molécules cellulaires.

C’est pour cette raison que les rayonnements ionisants trouvent leurs applications en médecine et notamment en radiothérapie.

Les modifications physiques du milieu traversé par ces rayonnements ionisants à un effet biologique sur les cellules présentes dans l’organisme.

La matière biologique

Une cellule peut être grossièrement assimilée à une solution aqueuse dans laquelle les rayonnements provoquent des interactions avec les molécules présentes.

Solution aqueuse : Une solution aqueuse est une phase liquide contenant plusieurs espèces chimiques, dont une ultra majoritaire : l’eau (H2O).

Chaque cellule est une entité vivante qui, dans le cas d’organisme multicellulaire, fonctionne de manière autonome, mais coordonnées avec les autres.

Les cellules de même type sont réunies en tissus, eux-mêmes réunis en organes.

Les cellules vivantes sont toutes composées d’une molécule : l’acide désoxyribonucléique (ADN)

Acide désoxyribonucléique L’ADN renferme l’ensemble nécessaire au développement et au fonctionnement de l’organisme. Les deux chaines complémentaires de l’ADN (sucre + phosphate) sont reliées entre elles par des paires de bases. L’agencement de ces bases constitue le code génétique.

Les interactions produites avec l’ADN

Les interactions produites par le rayonnement incident dans le milieu aboutissent à des interactions avec l’ADN.

Ces interactions entrainent des lésions qui sont par la suite responsables de la mort cellulaire.

Ces lésions peuvent être produites par une action directe ou une action indirecte.

Action directe

L’action directe se caractérise par l’interaction d’une particule chargée ou non avec un atome.

L’énergie transmise par ce rayonnement incident entraine la libération d’un électron secondaire (ionisation) qui va directement interagir avec l’ADN de la cellule et ainsi engendrer des lésions.

Action indirecte

L’action indirecte des radiations sur l’ADN est induite par les produits de la radiolyse de l’eau.

Radiolyse de l’eau : La radiolyse de l’eau est la décomposition de l’eau par des rayonnements ionisants. La molécule d’eau se retrouve ionisée créant ainsi une paire ion/électron.

Ce qui entraîne la dissociation de l’eau, créant ainsi les radicaux libres d’hydrogène (H°) d’hydroxyde (HO°).

Le radical libre OH° est directement issu de la décomposition de l’ion H2O+ :

Le radical libre H° est quant à lui issu de l’attachement de l’électron arraché à la molécule d’eau initiale, avec une autre molécule d’eau présente dans le milieu.

Cette molécule de charge négative se dissocie alors pour créer le radical libre H°.

Dommages crées sur l’ADN

La molécule d’ADN peut donc être lésée, soit directement par les électrons, soit indirectement par les radicaux libres produits par la radiolyse de l’eau. Ce dernier phénomène est plus fréquent.

Les dommages crées sur l’ADN correspondent à des lésions des bases, des sucres, et surtout des ruptures de chaine, simples ou doubles.

Les ruptures de chaines correspondent à la cassure d’un brin de l’ADN (phosphate+sucre) suite à l’interaction avec un radical libre ou un électron.

Cassure simple brin Les deux brins se faisant face étant composés de la même séquence, les lésions simples sur un seul brin de l’ADN sont facilement réparées. Il suffit alors à l’ADN de répliquer la séquence de bases correspondant sur le brin opposé.

Les lésions doubles mais décalées sur les deux brins d’ADN peuvent être réparées dans les mêmes conditions. Il s’agit en fait de deux cassures simples brins facilement réparables.

Cassures double brins Les lésions sur l’ADN, en regard l’une de l’autre, donnent fréquemment lieu à une rupture double-brin par perte bilatérale de la séquence de bases.

Ces cassures simples ou doubles brins peuvent ensuite entrainer des lésions létales. C’est-à-dire que les dommages crées sur la molécule d’ADN d’une cellule sont irréparables. Cela touche alors des fonctions vitales pour la cellule pouvant entrainer sa mort.

Le fait d’utiliser une grande quantité de rayonnement en radiothérapie permet de commettre de nombreux dommages à l’ADN. Ce qui se traduit par la mort des cellules irradiées, soit la mort des cellules tumorales.
 

UE 3.6 GENERALITES

La radiothérapie = traitements de tumeurs par l’utilisation de rayonnements ionisants ou indirectement ionisants

La radiothérapie est impliquée dans le traitement d’environ 60% des patients atteints de cancer

Objectif : la radiothérapie est un traitement à visée curative, mais elle peut aussi être palliative ou symptomatique

La Radiothérapie curative

Elle peut soit être exclusive, soit être associée à d’autres traitements tels que : – la chirurgie – la chimiothérapie

Le traitement d’un cancer, quel qu’il soit, implique donc une concertation d’au moins un chirurgien, un radiothérapeute et un chimiothérapeute

Radiothérapie exclusive La radiothérapie peut être la seule méthode thérapeutique utilisée dans les petites tumeurs et les cancers radiosensibles ou inopérables.

Association radiothérapie-chirurgie

Il existe 3 types d’associations :

• Radiothérapie préopératoire => son objectif essentiel est d’induire une réduction tumorale afin de faciliter une chirurgie d’exérèse
• Radiothérapie postopératoire => après une exérèse incomplète, après une tumorectmie pour les petites tumeurs du sein, dissémination lymphatique (envahissement ganglionnaire …)
• Radiothérapie peropératoire => cela consiste à irradier une tumeur profonde au cours d’une intervention chirurgicale, après avoir éloigné les organes à risque.

Association radiothérapie-chimiothérapie

Cette association a pour objectif d’améliorer l’efficacité thérapeutique en optimisant le contrôle locorégional en prévenant l’apparition de métastases après le traitement de la tumeur primitive.

Métastase : foyer infectieux secondaires formés suite à la migration de cellules cancéreuses par voie sanguine ou lymphatique

Tumeurs primitives : naissance et prolifération de cellules cancéreuses dans un organe (par opposition au cancer secondaire représenté par les métastases).

La chimiothérapie peut être néoadjuvante, c’est-à-dire délivrée avant la radiothérapie. Son objectif est d’induire une réduction tumorale suffisante pour que l’irradiation ne concerne qu’un volume tumoral aussi petit que possible.

La chimiothérapie faite après la radiothérapie, chimiothérapie adjuvante, a pour objectif de prévenir la survenue de métastases.

Enfin, la chimiothérapie concomitante de la radiothérapie vise à améliorer le contrôle local des tumeurs habituellement mal contrôlées par l’irradiation seule. Les deux traitements sont alors délivrés simultanément.

La radiothérapie à visée palliative et symptomatique

La radiothérapie trouve là un bon nombre de ses indications :

• Antalgique pour des métastases osseuses
• Décompressive pour des métastases osseuses ou médullaires.

Les techniques de radiothérapie

On distingue deux types de radiothérapie :

• la radiothérapie externe
• la radiothérapie interne

La radiothérapie externe En radiothérapie externe, la source d’irradiation est située à l’extérieur du patient Il peut s’agir :

• De faisceaux de photons et d’électrons de haute énergie produits par des accélérateurs linéaires de particules ou émis par une source radioactive.
• De faisceaux de photons de basses et moyennes énergies produits par des appareils dédiées (radiothérapie de contact, par exemple peropératoire)
• De faisceaux d’autres particules ; protons (photothérapie), hadron (hadronthérapie)

La radiothérapie interne La radiothérapie interne utilise une source de rayonnement basée à l’intérieur du patient. Il peut s’agir d’une source radioactive scellés (curiethérapie) ou d’une source radioactive non scellée (radiothérapie métabolique).

Les intervenants en radiothérapie

Dans un service de radiothérapie, trois principaux corps de métiers sont présents lors de la prise en charge du patient :

• D’un point de vue médical     => le radiothérapeute
• D’un point de vue technique     => le radiophysisicien
• Et le personnel paramédical   => le manipulateur

Le radiothérapeute établie la prescription médicale en fonction du type de tumeur à irradier (volume à irradié, dose prescrite, fractionnement…).

Le manipulateur en radiothérapie est chargé de la délivrance du traitement au patient.

Le radiophysicien met en place une technique d’irradiation pour permettre aux manipulateurs de délivrer le traitement, correspondant à la prescription médicale établie par le radiothérapeute.

Chaque corps de métier est indispensable à la prise en charge du patient dans un service de radiothérapie. Radiothérapie, radiophysicien et manipulateur doivent donc travailler ensemble, connaître et comprendre les éléments qui les entourent.

 

UE 3.6 Physique appliquée et technologie en radiothérapie

OBJECTIFS

• Identifier les spécificités de production des rayonnements utilisés en radiothérapie
• Décrire les principes de fonctionnement des appareils
• Identifier les particularités des équipements d’imagerie à visée dosimétrique et leur environnement
• Décrire les caractéristiques physiques des faisceaux utilisés
• Expliquer les principes de fonctionnement et l’intérêt des modificateurs de faisceaux
• Identifier l’impact des différents paramètres sur le traitement
• Identifier les risques liés à l’utilisation des appareils de traitement

ECTS : 2

ELEMENTS DU CONTENU

• Production et caractéristiques des faisceaux utilisés selon les appareils
• Principes de fonctionnement et description des appareils de traitement et de leur environnement
• Les techniques de modification de faisceau
• Les paramètres de traitement et leur influence sur la dose délivrée
• Principes de fonctionnement et description des équipements d’imagerie dédiés à la radiothérapie
• Données informatiques – Réseaux Eléments matériels de la chaîne de traitement –
• Dispositifs de contrôle et de sécurité
• Les axes d’évolution et de recherche

MODALITE D’EVALUATION ECRITE

• Evaluation écrite des  connaissances

CRITERES D’EVALUATION

• Exactitude des connaissances
• Capacité d’analyse d’une situation
• Pertinence des outils sélectionnés et de la justification de leurs choix