Comparaison de la radiothérapie conformationnelle sans modulation d intensité et de la radiothérapie conformationnelle avec modulation d intensité

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1 Comparaison de la radiothérapie conformationnelle sans modulation d intensité et de la radiothérapie conformationnelle avec modulation d intensité Cardot-Martin Mikaël Gateau Theo LP-DORA

2 Plan Répertoire des abréviations Abstract I/ Présentation des techniques A) Introduction à la radiothérapie B) Présentation de la RC3D C) Présentation de la RCMI D) Présentation de l Arcthérapie dynamique E) Planification directe / Planification inverse II/ Analyse dosimétrique A) Le rapport ICRU83 B) Indices dosimétriques a. Analyse clinique b. Analyse de recherche III/Etude comparative pour le traitement d un cancer de prostate IV/ Discussion V/ Conclusion A) Patient B) Contourage C) Balistique D) Optimisation E) Analyse de la couverture des PTV à partir des dosimétries prévisionnelles a. En RC3D b. En RCMI c. En VMAT F) Analyses des OAR et des PTV à partir des HDV a. En RC3D b. En RCMI c. En VMAT G) Résultats A) Comparaison des capacités de chaque technique B) Avantages/Inconvénients VI/ Sources et remerciements Annexe 1

3 Répertoire des abréviations utilisées : AAA : Analytical Anisotropic Algorithm (algorithme de calcul de doses) CBCT : Cone Beam Computed Tomography CML / MLC : Multi-Leaf Collimator (Collimateur Multi Lame) CO : Indice de couverture CTV : Clinical Target Volume Dmax : Dose maximale Dmin : Dose minimale Dmoy : Dose moyenne DSC : coefficient de DICE DRR : Digitally Reconstructed Radiography EUD : Equivalent de dose uniforme GTV : Gross Tumor Volume HDV : Histogramme Dose Volume IH : Indice d homogénéité IC : Indice de conformité ITV : Internal Target Volume MV : Méga Volt NTCP : Probabilité de complication aux tissus sains OBI : On Board Imaging OAR : Organes à Risque PRV : Planning at Risk Volume PTV : Planning Target Volume RC3D : Radiothérapie conformationnelle en trois dimensions RCMI / IMRT : radiothérapie conformationnelle par modulation d intensité, Intensity Modulated Radiotherapy TCP : Probabilité de contrôle tumoral TPS : Treatment Planning System UH : Unités Housfield VMAT : Volumetric Modulated Arc Therapy 2

4 Abstract Cancer treatment : a comparison of three different radiotherapy techniques Background : Radiotherapy treats cancer by using ionising radiations. Over the last few years, it has evolved a lot and some very innovative techniques have appeared. We have chosen to compare three of these techniques which are : - Three dimensional conformal radiation therapy (3DCRT) - Intensity modulated radiation therapy (IMRT) - Volumetric modulated arc therapy (VMAT) Principles : - 3DCRT is the evolution of traditionnal radiotherapy. It was the first radiotherapy technique that used a CT scan as a dosimetry tool to conform with the planning target volume as best as possible. - IMRT is an innovative technique which uses static beams modulated by a multi-leaf collimator. - VMAT is a technique that irradiates the tumor volume while the accelerator arm keeps turning around it and while the MLC keeps moving. Comparison : VMAT seems to be the best of these techniques because it is the best at sparing organs at risk. IMRT has almost the same results, but VMAT is much faster. However, we can t always use VMAT when the tumor is situated in areas of the body such as lungs - which move because of breathing motions. In that case, the best treatment is IMRT which can be associated with breathing techniques called gating but 3DCRT can also be associated with gating techniques. Even if 3DCRT is less efficient than IMRT, it can be easily achievable. Conclusion : Today 3DCRT is the most common technique that allows treatment to overcome the issue of breathing motion. But some new techniques, such as Cyberknife, or True Beam Novalis STX now allow the tracking of tumor motion with better results. 3DCRT is very likely to be replaced by these innovative techniques in the future. For the treatment of other areas as in the case of pelvic or ENL cancers, VMAT and IMRT (have already mostly replaced 3DCRT) have already replaced 3DCRT in most cases. Key words : - Radiotherapy - Ionizing radiations - Intensity modulated radiation therapy - Volumetric modulated arc therapy - Three dimensional conformal radiation therapy MLC - Breathing motion 3

5 I/ Présentation des techniques A/ Introduction à la radiothérapie Le cancer est une maladie grave et fréquente. Malgré les méthodes de dépistage et de prévention, le cancer reste une des maladies les plus meurtrières dans les pays développés. Cependant, il existe différentes thérapeutiques. La chirurgie, la chimiothérapie et la radiothérapie externe ou curiethérapie sont des armes thérapeutiques utilisées pour combattre cette maladie. Il est également possible d associer ces techniques. Par exemple, une des associations possible est la radiochimiothérapie concomitante, de petites doses de chimiothérapie sont administrées de façon synchrone à la radiothérapie afin d augmenter l efficacité de la radiothérapie. La radiothérapie a évolué au cours de ces dernières années avec : 1) l apparition du scanner dosimétrique permettant une définition volumique des volumes cibles et le calcul de la dose en 3D, 2) la modulation d intensité grâce à l arrivée du collimateur multilames (CML) permettant la modulation de la fluence du faisceau (radiothérapie conformationnelle avec modulation d intensité, RCMI statique) 3) l arcthérapie d intensité modulée, c est à dire une RCMI non statique grâce à une irradiation continue lors d une rotation complète ou incomplète du bras Dans le cadre de ce projet tuteuré, nous nous concentrerons sur l analyse, l explication, et la comparaison des différentes techniques de radiothérapie externe. Voici quelques dates clés qui ont permis l apparition et l évolution de ce panel de techniques jusqu à aujourd hui : Découverte des rayons X par Wilhelm Conrad Röentgen 1896 : Découverte de la radioactivité naturelle par Becquerel 1896 : Premier traitement par radiations ionisantes (Dr Despeignes, Lyon) 1897 : Thomson identifie les électrons à l'origine des rayons X 1915 : Modèle atomique par Rutherford Lois de désintégration radioactive développement des tubes à Rayons X 1929 : Création des premières bombes au radium : Travaux de l'équipe de l'institut Curie sur le fractionnement 1951 : Première bombe au cobalt 1952 : Premier accélérateur linéaire 1960 : Premières dosimétries Travaux d'andré Dutreix 1965 : Invention du premier MLC (Multi-leaf Collimator) ou CML Collimateur Multi Lames 4

6 1973 : Invention du scanner par G.N Hounsfield 1990 : Applications du scanner et des ordinateurs pour la dosimétrie : radiothérapie conformationnelle : Création d une machine dédiée à la RCMI par un physicien R. Mackie, Tomotherapy 2008 : VMAT introduit par Karl Otto La radiothérapie est une technique visant à utiliser des radiations ionisantes, afin de détruire les cellules tumorales. L effet différentiel de la radiothérapie permet au tissu sain de se réparer. Les nouvelles techniques de radiothérapie permettent aussi de conformer la dose à la tumeur tout en limitant la dose reçue aux tissus sains avoisinants. Plusieurs techniques de radiothérapie existent: - La radiothérapie interne ou encore curiethérapie, - La radiothérapie externe qui peut prendre plusieurs aspects : Avant l arrivée du scanner en radiothérapie, la définition des volumes tumoraux se faisait grâce à la réalisation de 2 clichés radiologiques orthogonaux (un antérieur et un latéral). La dose se calculait également à partir de ces 2 clichés. Cette technique est maintenant obsolète, grâce à l arrivée du scanner dosimétrique et à la technologie des nouveaux accélérateurs. Depuis l apparition du scanner dosimétrique, d autres techniques ont permis une plus grande précision sur les traitements et par conséquent une toxicité plus faible sur les organes à risques améliorant la qualité de vie des patients en rémission. Parmi les techniques de délivrance de radiothérapie conformationnelle, nous distinguons notamment la radiothérapie conformationnelle d intensité non modulée statique et la radiothérapie conformationnelle d intensité modulée statique et non statique (ou arcthérapie dynamique d intensité modulée). Nous allons maintenant présenter chacun de ces aspects. B/ Radiothérapie 3D conformationelle (RC3D) C est la première technique ayant découlé de l apparition du scanner dosimétrique. Celui-ci a permis la vision tridimensionnelle de la tumeur et des organes. L association de l ensemble des coupes tomodensitométriques permet de réaliser des contourages en trois dimensions permettant une définition plus précise du gross tumor volume, GTV et du clinical target volume, CTV. La dosimétrie qui s en suit permettra également une dosimétrie prévisionnelle plus proche de la réalité (dépendante à l algorithme utilisé) avec pour objectif une conformation de la dose à la tumeur tout en limitant la dose aux tissus avoisinants. 5

7 Le traitement par RC3D se déroule selon plusieurs étapes : - Acquisition des données anatomiques du patient : Après avoir défini une position de traitement la plus reproductible possible, réalisation d un scanner dosimétrique avec des coupes axiales comprenant la zone à traiter et les organes à protéger. Les images sont ensuite envoyées au TPS (treatment planning system). - Définition des volumes cibles et Organes à risque (OAR) : Il faut alors déterminer les volumes à irradier (GTV, CTV et PTV), ainsi que les organes à risque - Dosimétrie prévisionnelle : elle consiste à définir une balistique de traitement (énergie, orientation du bras, rotation du collimateur ). Le TPS calculera alors la dosimétrie prévisionnelle par un algorithme de calcul. La lecture de cette dosimétrie se fait grâce à des courbes isodoses couvrants le PTV et à l analyse de l histogramme dose volume (HDV) - Délivrance de la dose : Une fois la préparation du traitement vérifiée et terminée, le traitement est délivré au patient quotidiennement à l aide d un accélérateur de particules. - Contrôle de la position géométrique du patient (garant de la dose reçue par le patient). A une certaine fréquence, une comparaison entre les DRR (Digitally Reconstructed Radiography) et les images issues de l imagerie embarquée ou non embarquée est effectuée pendant le traitement pour garantir le bon positionnement du patient et replacement de celui-ci si besoin. La RC3D utilise plusieurs faisceaux fixes. Un Collimateur Multi Lames (CML) peut être utilisé pour améliorer la conformation ainsi que des caches focalisés et des filtres en coin. Les caches plombés personnalisés, inutilisables en RCMI et VMAT, peuvent notamment être très efficace. En effet, ils permettent une bonne conformation au volume et n'ont aucun souci de fuite de dose alors que le MLC a inévitablement un effet en «marches d'escalier» et a parfois des Conformation à l aide de MLC en RC3D problèmes de fuite inter-lames et intra-lames. La RC3D permet aussi certaines techniques asservies à la respiration comme le gating visant à améliorer la conformation en s affranchissant des mouvements intra-fractions (traitement en apnée à partir d une inspiration forcée, par exemple). C/ Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d Intensité (RCMI) La RCMI est une technique de radiothérapie qui fonctionne par modulation d intensité. Elle se caractérise par la variation de plusieurs facteurs durant le traitement notamment : - Le mouvement des lames du MLC, - La vitesse des lames, - Le débit de dose Ainsi, on obtient volontairement une fluence inhomogène dans le champ de traitement. 6

8 Profil de dose en RC3D Profil de dose en RCMI Concernant le MLC, on distinguera deux modes de fonctionnement des lames : - Le mode Step And Shoot, qui stoppe l irradiation pendant le mouvement des lames, - Le mode Sliding Window qui maintient l irradiation pendant le mouvement des lames. C'est une technique qui utilise généralement de nombreux faisceaux (5 à 7 faisceaux, en moyenne) ce qui rallonge le temps de la fraction mais permet de multiplier les points d'entrée, donc de mieux répartir la dose et d améliorer la conformation au volume à traiter. De ce fait, des mouvements intra-fractions ou inter-fractions peuvent vite engendrer un sous ou sur dosage dans le PTV et/ou un surdosage aux organes à risque. Pour limiter les mouvements inter-fractions, il est nécessaire d'effectuer des contrôles plus réguliers avant la délivrance quotidienne de la dose. Des recalages à partir d'image radiographiques sont alors indispensables, ce qui rend la présence d'obi nécessaire pour cette technique (kv-kv). Des CBCT (Cone Beam Computed Tomography) peuvent être réalisés avant chaque séance (prostate en 74 Gy). Des vecteurs peuvent également être mis en place afin d'effectuer des recalages sur l'organe à traiter et non des repères osseux (ex : grains d'or sur prostate). Concernant les zones mobiles, la radiothérapie asservie à la respiration peut être utilisée avec la RCMI. Toutefois, il existe deux problématiques : - la gestion des hétérogénéités liées à la présence d air dans le poumon (qui nécessite des algorithmes adaptés, comme les algorithmes Acuros et Monte Carlo) - le repositionnement, le CBCT étant impossible à faire en apnée (temps d un CBCT 1 min) Une autre technique de RAR est l utilisation d un scanner 4D (RPM) pour définir l ITV de la tumeur (Internal Target Volume). Malgré ces inconvénients, la RCMI permet : - la bonne conformation de la dose au volume de cibles et l épargne des OAR, - l'escalade de la dose. 7

9 En effet, le gradient de dose obtenu permet d'augmenter la dose sur le volume à traiter et donc d'améliorer l'efficacité du traitement sans augmenter les toxicités. Ainsi, une dose totale de 80 Gy peut être délivrée sur une prostate tout en respectant les contraintes de doses aux organes à risque. D/ Arcthérapie Dynamique L Arcthérapie dynamique, apparue à la fin des années 2000, est la directe évolution du RCMI. Alors que le RCMI utilise des faisceaux fixes et un faisceau modulé par les MLC et les variations du débit de dose, l Arcthérapie dynamique se différencie par la rotation du bras au cours de l irradiation. Ainsi, plusieurs paramètres évoluent pendant l émission du rayonnement : - La rotation du bras - La vitesse du bras - Le mouvement des lames MLC - Le débit de dose - La vitesse des lames Ce mouvement du bras permet donc de démultiplier les points d entrée, multipliant ainsi les possibilités de délivrer la dose, et permettant donc de diminuer la dose aux organes à risque en se conformant au maximum au volume à traiter. Cependant, il provoque des «phénomènes de basses doses», que l on reverra par la suite dans l étude sur un cas concret. En règle générale, les traitements sont faits à l aide d arcs, qui peuvent être complets ou partiels. Afin d homogénéiser la dose dans des volumes complexes, 2 arcs complets peuvent être nécessaires (rotation horaire, et antihoraire). 8

10 E/ Planification directe/ Planification inverse La méthode de planification est une des différences de base entre la radiothérapie 3D conformationnelle et la radiothérapie conformationnelle avec modulation d intensité. - En planification directe : o Contourage des différents volumes tumoraux: Le médecin coutoure le GTV (Gross Target Volume), qui correspond au volume tumoral macroscopique à l aide de différentes imageries à sa disposition. Il contoure ensuite le CTV (Clinical Target Volume) qui comprend les extensions infra-cliniques. le PTV est fait automatiquement par application d une marge identique ou pas dans les 3 dimensions à partir du CTV (Planning Target Volume) qui correspond au volume à traiter et qui tient compte des imprécisions de repositionnement (set-up margin), et des mouvements du patient et des organes entre et pendant les séances (ITV). o Contourage des organes à risque présents. Une marge peut être appliquée aux OAR, PRV qui prend en compte les imprécisions et les risques de mouvement (de la même 9

11 o manière que pour le PTV) (notamment pour le canal médullaire, le chiasma optique par exemple) Transfert sur le TPS (choix de l algorithme de calcul de la dose: collapse cone, pencil beam) puis notre balistique d irradiation. La balistique comporte toutes les informations sur les faisceaux et les accessoires de traitement. On choisit ainsi le nombre de faisceaux, leurs énergies, les dimensions des champs de traitement, les pondérations des faisceaux ainsi que tous les éventuels accessoires (filtres, MLC, caches plombés ). On peut alors définir la dose souhaitée et le point de normalisation et lancer les calculs de dose. Ceux-ci sont relativement courts en radiothérapie classique, n excédant pas quelques minutes. On peut alors analyser la distribution de la dose au niveau des courbes isodoses et des histogrammes doses volumes. Il y a alors 2 possibilités, soit la dosimétrie est validée, c est-à-dire que la dose est homogène sur le PTV, que 100% du volume reçoit entre 95 et 107% de la dose, que les contraintes de dose aux organes à risque sont respectées et qu il n y a ni surdosage si sous dosage, alors la planification est terminée et après vérifications le traitement pourra commencer. Soit la dosimétrie n est pas validée pour non-respect des contraintes évoquées ci-dessus, auquel cas le radiophysicien ou le dosimétriste doit modifier sa balistique jusqu à obtenir une distribution de dose optimale. - En planification inverse : Contourage des volumes à traiter et OAR identique Pour forcer le gradient de dose des couronnes (ou rings) sont réalisés autour du PTV et vont pouvoir permettre de provoquer une forte décroissance de la dose à l extérieur du PTV. On choisit alors l algorithme de calcul. 2 possibilités : o Soit les faisceaux sont placés ainsi que le nombre de faisceaux (ou d arcs) o Soit le logiciel gère l orientation des faisceaux et l on passe directement à la phase d optimisation où l on va entrer différentes contraintes de dose sur les volumes à traiter ainsi que sur les organes à risque. Alors, le logiciel va effectuer de longs calculs afin de déterminer la balistique et le mouvement du CML nécessaire pour avoir une distribution de dose respectant toutes les contraintes. 10

12 II/ Analyse dosimétrique A) Le rapport ICRU83 Ce paragraphe détaille les caractéristiques de la norme ICRU 62 (Prescribing, recording and Reporting Photon Beam Therapy, suppl to ICRU report 50) et ICRU 83 (Prescribing, recording and Reporting Photon Beam intensity Modulated Radiotherapy) en rapport avec notre projet. Nous décrirons également les différents indices dosimétriques disponibles. ICRU : International Commision On Radiation Units And Measurements Le rapport ICRU83 fait suite aux rapports ICRU50 ET ICRU62 concernant la Prescription, l enregistrement et le rapport de la thérapie par radiations ionisantes, et plus spécifiquement à la RCMI. Il apporte de nouvelles exigences sur le volume à traiter, sur le respect des OARs, et sur les indices dosimétriques à prendre en considération. 1) Exigences concernant le volume : - L indice de conformité : Dans le cadre du bilan dosimétrique de l IMRT, la norme ICRU83 définit l indice de conformité (pour une isodose donnée) comme étant le rapport du volume traité par cette isodose sur le PTV. - La définition de sous-volumes avec la notion d Overlaps : 11

13 - La dose maximum est définie à D 2% - La dose médiane D 50% est proche de la dose de prescription et très proche de la dose de référence - La dose minimum est définie à D 98% ; - 95% du volume du PTV soit (D 95%) doit recevoir au point 95% de la dose prescrite. Voici deux HDVs représentant les doses maximales, minimales, les doses de référence et les doses moyennes. Les différents types d HDVs seront développés par la suite. 2) Exigences concernant les OARS «Dans le cas des OAR dits en «parallèle», il convient de reporter la D moy de l OAR considéré et un point dose volume (VD) du HDV. Dans le cas des OAR dits «en série», seule la D2% doit être reportée.» 12

14 B) Les indices dosimétriques Ce sont des outils permettant l analyse clinique ou «recherche» d une dosimétrie donnée précédemment réalisée. Les indices dosimétriques peuvent avoir différents aspects : en dosimétrie clinique, ils prennent la forme d HDVs permettant de quantifier la dose à un certain volume donné ou de NTID ; tandis qu en analyse recherche, ils prendront la forme de coefficients, de ratio ou d index. a. Analyse clinique 1. Les Histogrammes Dose Volume L histogramme dose volume (HDV) est une représentation graphique de la distribution de la dose dans le volume de l organe avec en abscisse la dose et en ordonnée le volume ou pourcentage de volume de l organe. C est actuellement la façon la plus complète de décrire la dose reçue par un organe à risque. 2. Les Histogrammes Dose Volume Différentiels Tous les volumes, sur les logiciels d imagerie et les TPS, sont découpés en voxels. Cet histogramme permet donc de déterminer la dose reçue pour chaque voxel. Ci-dessous, par exemple, on peut voir que le volume a reçu une dose entre 65 et 74 Gy. Cet histogramme nous donne ainsi des notions sur l homogénéité de la dose dans le volume. 3. Les Histogrammes Dose Volume cumulatifs. L HDV cumulatif représente le volume de l organe qui reçoit une dose supérieure ou égale à la dose donnée. La D100% correspond alors donc à la dose minimale reçue par le volume tandis que la dernière valeur avant la D0% est la valeur maximale reçue par le volume. Ci-dessous, on peut donc observer que la dose minimale est de 55Gy et que la dose maximale est de 74Gy. 13

15 b. Analyse «recherche» 1. TCP La TCP correspond à la probabilité de contrôle tumoral. Afin de la déterminer, on peut utiliser deux modèles, le modèle de Poisson et le modèle logistique. Le modèle de Poisson. On doit alors calculer le nombre de cellules tumorales capables de se diviser indéfiniment encore vivantes après une irradiation. Il correspond donc à un taux de survie des cellules tumorales. La probabilité d éradiquer la tumeur P est donc dépendante de N, le nombre de cellules clonogènes survivantes l irradiation. Elle se calcule à l aide de la formule : TCP = e -N Et donc TCP =e -N0xe(-αD-βD²) avec : -N0 = Nombre initiale de cellules clonogènes, et αd et βd des paramètres issus des courbes cellulaires. L allure de cette courbe de servie est donc une sigmoïde. Le modèle logistique Une autre manière de calculer le TCP est d utiliser le modèle logistique qui diffère du modèle de Poisson car il n est pas basé sur une interprétation biologique. La formule pour le calculer est : TCP = exp (u) P avec u = ln ( ) 1+exp(u) 1 P 14

16 2. NTCP Le NTCP correspond à la probabilité de complications d un tissu sain. Elle se calcule à l aide d une fonction gaussienne : NTCP = 1 2π t e t2 /2 Avec t = D TD 50 ( V V ref ) mtd 50 ( V V ref ) dt (13) Où : TD50 est la dose donnant une probabilité de 50% de complications si l organe est irradié de manière uniforme dans sa totalité V ref est le volume entier de l organe considéré «m» est la pente de la courbe de probabilité de complication en fonction de la dose ; «n» est un paramètre caractérisant l effet volume du tissu. Sa valeur se situe entre 0 et 1. Si n est proche de 1, l effet volume est important, si n est proche de 0 c est l effet dose qui prédomine. Lorsque la probabilité tend vers 1, il y aura obligatoirement des effets secondaires aux tissus sains. L objectif est donc d avoir la TCP la plus élevée possible tout en ayant une NTCP très faible. A partir des courbes de la TCP et de la NTCP on peut déterminer la fenêtre thérapeutique représentée par l espacement entre les 2 courbes. En faisant varier le fractionnement, on va provoquer le rapprochement ou l éloignement des courbes. En effet, lorsqu on va passer en hypofractionné, en augmentant la dose par séance et en diminuant le nombre de séances, on va réduire les bénéfices obtenus grâce à la rapide repopulation et réparation cellulaire des tissus sains, et donc rapprocher les 2 courbes. 15

17 3. L EUD L EUD est l équivalent de dose uniforme. En effet, en pratique, les volumes sont rarement irradiés de manière uniforme. Il paraît donc intéressant de pouvoir ramener la dose hétérogène sur un volume choisi (un organe à risque par exemple) à une dose équivalente homogène, et ainsi pouvoir mieux déterminer les effets biologiques induits par l irradiation. Alors que les HDV nous informent sur la dose reçue par chaque pourcentage du volume, l EUD va intégrer à ces valeurs les caractéristiques radiobiologiques telle que la radiosensibilité. Il existe à nouveau 2 modèles pour déterminer l EUD qui sont : - L EUD Volumique, - L EUD linéaire quadratique, qui tient compte du fractionnement (avec une dose hétérogène, la dose par fraction n est pas la même à chaque point des volumes) 4. EUD Volumique La forme la plus utilisée de l EUD est la forme volumique : Où : EUD = [ N a i=1 (v i D i )] 1/a o o o vi et Di sont les valeurs de volume relatif (vi = v i ) et de dose de chaque élément de V l HDV. «a» détermine la radiosensibilité du volume étudié. et N est le nombre d éléments de l histogramme dose volume. Si a = alors EUD = Dose maximale Si a = - alors EUD = Dose minimale Dans le cas des tissus tumoraux, on aura un a négatif. Plus a va être éloigné de 0, plus il sera important de prendre en compte la dose minimale. En effet, dans ce cas, qui est celui des tumeurs les plus agressives, une bonne irradiation globale ne suffit pas, il faut essayer de ne sous-doser aucune partie du volume tumoral pour avoir la meilleure efficacité possible. 16

18 Devant la complexité de l analyse dosimétrique coupe par coupe que permettent les TCP NTCP et EUD, les indices de conformation eux, permettent une analyse géométrique de la dosimétrie. La seule difficulté réside dans la spécificité des calculs de ces coefficients pour une isodose donnée. Le principe est d obtenir des coefficient et indices représentatifs de la dosimétrie en mettant en jeux des volumes : - Le volume entouré par l isodose (V R), - Le volume de la structure d intérêt (V S), - Le volume de la structure d intérêt couvert par l isodose (V SR) Ces volumes seront utilisés dans des formules mathématiques pour obtenir des indices dosimétriques dits «de conformation». IH = D 2% D 98% D 50% 5. L indice d homogénéité : C est la différence entre la dose maximale et la dose minimale normalisée par la dose médiane. L objectif est d atteindre 0. CI = V R V S 6. L indice de conformité : C est le ratio entre le volume de référence et le volume de la structure d intérêt (qui peut aussi bien être le volume du PTV comme le volume d un organe à risque). CI PTV= VT IR / VT Où : VT IR» est le volume tumoral couvert par l isodose de référence et «VT» est le volume tumoral. L isodose de référence (IR) est définie comme l isodose de prescription. Le rapport 50 de l ICRU recommande que l isodose de référence soit la 95% de la dose prescrite (V 95%) et donc : CI PTV = VT 95%/ VT 17

19 7. Le coefficient de similitude de Dice : DSC = 2. V S,R V S +V R C est la division de deux fois le volume V SR par la somme des volumes intervenant dans le cas donné (V R et V S) L objectif est de se rapprocher le plus possible de 1. CO = D 98% D R 8. L indice de couverture : C est la division de la dose minimale par la dose de référence (estimée à 95% selon la norme ICRU 83) L objectif est de se rapprocher le plus possible de 1. TCO = 100. V S,R V S 9. La couverture de cible : C est la division du Volume V SR par le volume de la structure d intérêt. Il est exprimé en pourcentages. L objectif est d atteindre 100%. En effet, si la structure d intérêt est le PTV, cela signifiera que l isodose donnée sera parfaitement conformée au volume. OR = V S,R V S V R 10. Le ratio d Overlap : «Ratio entre le volume de la structure d intérêt couvert par l isodose de référence et le volume de la structure d intérêt, et l union de ces 2 volumes.» 18

20 III/ Etude comparative pour le traitement d un cancer de prostate A) Patient Pour cette comparaison, nous avons, par l intermédiaire de l équipe physique du centre Hospitalier de Brive-La-Gaillarde, réalisé la dosimétrie de ce patient à l aide de chacune des techniques précédemment présentées sur le TPS Eclipse. Nous avons utilisés l algorithme AAA sur chaque technique afin d éviter de fausser la comparaison. Nous avions deux volumes à traiter, pour atteindre une dose de 74 Gy sur la prostate. PTV1 : Volume : Prostate et Vésicules séminales Dose totale : 50 Gy Dose par fraction : 2 Gy par fraction PTV 2 : Volume : Prostate Dose totale : 24 Gy Dose par fraction : 2 Gy par fraction B) Contourage Figure 1 : Image obtenue au scanner dosimétrique Les images obtenues lors du scanner dosimétrique présentent ici un problème majeur, des artefacts causés par les prothèses fémorales. Il est donc nécessaire d attribuer une valeur en unités Hounsfield aux zones artefactées. En effet, les zones noires sur l image sont considérées comme très hypodenses, alors qu elles correspondent à des tissus mous et des tissus osseux. 19

21 Figure 2 : Correction des zones artefactées Ensuite, il faut contourer les volumes cibles (CTV, PTV) et les OAR (rectum, la vessie, têtes fémorales ou prothèses fémorales). Dans le cas de la RCMI, on doit réaliser des couronnes autour des PTV et de nouveaux organes à risque excluant le PTV si tel est le cas. Ces volumes sont appelés overlapses. Dans ce cas précis, il a été nécessaire de contourer 2 overlapses, nommés ici rectum- et vessie- car ces 2 organes avaient une partie comprise dans le PTV. C) Balistique Une fois le contourage terminé, il faut mettre en place la balistique. En radiothérapie classique, on utilise 4 faisceaux dit technique en boîte (soit un antérieur, un postérieur, et deux latéraux) isopondérés. Etant donné la profondeur du volume à traiter, on utilise des photons X de haute énergie soit des photons d énergie maximale de 18 MeV. On utilise également des MLC statiques pour mieux se conformer au PTV. Figure 3: Balistique en RC3D 20

22 En RCMI, on met en place 5 faisceaux, un postérieur, deux obliques postérieurs et deux obliques antérieurs. Les autres paramètres sont définis par la suite, compte tenu de la technique de planification inverse. Figure 4:Balistique en RCMI En rapidarc, on créé 2 arcs : - l'un allant de 179 à 181, l'autre allant de 181 à 179 soit 2 rotations complètes, l'une en sens horaire et l'autre en sens antihoraire. Là, encore, les autres paramètres seront définis par l'optimisation. D) Optimisation Nous avons choisi d utiliser l algorithme AAA pour chaque technique afin de ne pas introduire un biais dans la comparaison. a) RC3D En RC3D, on peut définir l'algorithme (en l'occurrence AAA), et le point de normalisation. Une fois le calcul de la dose terminée, il faut vérifier la distribution de la dose et la dose reçue par les OAR. Si celle-ci n'est pas valable, on peut modifier des paramètres de la balistique jusqu'à obtenir une dose respectant les contraintes. b) IMRT En IMRT, on passe à la phase d'optimisation. On doit alors définir des contraintes sur le PTV et les organes à risque et des priorités. 21

23 Il y a deux types de contraintes à créer : les contraintes supérieures et les contraintes inférieures. Les contraintes supérieures sont les limites de dose à ne pas dépasser pour un certain pourcentage de volume contouré donné. Les contraintes inférieures sont les limites de dose à absolument atteindre pour un certain pourcentage de volume contouré donné. Ce sont ces contraintes qui vont déterminer l'allure des courbes sur les histogrammes Dose-Volume. Il est utile d'en créer le maximum de manière à mieux contrôler l'allure de la courbe. On peut également définir des priorités de contrainte. Ces priorités permettent de hiérarchiser l'importance des contraintes. Ainsi, on priorisera les contraintes au volume à traiter par rapport aux organes à risque. Ici, on utilise donc les contraintes aux overlapses des organes à risque afin d éviter des obligations incompatibles. On doit alors être plus stricts sur ces volumes que sur le rectum en sa totalité. Si l on imposait les contraintes données par la SFRO pour le rectum par exemple (V74<5%) sur l overlapse, étant donné que la partie comprise dans le volume à traiter recevra nécessairement une forte dose, la contrainte serait dépassée. Il n y a donc pas vraiment de règle dans le choix des contraintes aux organes à risque à entrer pour l optimisation dans le cas des overlapses. Pour le volume à traiter, on impose au minimum 2 contraintes. Au minimum, 95% du PTV doit recevoir au moins 95% de la dose, (donc 95% du volume doit recevoir au moins 47,5 Gy dans le cas du PTV 1) ; et au maximum le PTV doit recevoir 107% de la dose prescrite (soit 0% dépassant 53,5 Gy). c) VMAT En Arcthérapie, on ajoute également des secteurs d'évitement. Par cette technique, on peut stopper l'irradiation lorsque le bras passera dans l'axe des prothèses. Celles-ci vont fortement atténuer le rayonnement. Ainsi, il faudrait apporter beaucoup de dose pour pouvoir en transmettre suffisamment au PTV et cela créerait un important surdosage en superficie. On a donc ici créé des secteurs d'évitement entre 70 et 110 et entre 250 et 290. Figure 5: Tableau d'optimisation 22

24 Une fois les contraintes mises en place, on peut lancer l optimisation. On verra alors se dessiner les courbes sur l histogramme doses volume. Celles-ci seront modulées par nos contraintes et tout le long de l optimisation, il sera possible de modifier et de rajouter des points pour mieux adapter la dose. Lorsque les algorithmes d optimisation auront trouvé la répartition de dose optimale, nous pourrons alors aller consulter les courbes isodoses puis les histogrammes dose volume. S ils ne sont pas bons, il faut alors relancer l optimisation avec de nouvelles contraintes et/ou priorités. E) Analyse de la couverture des PTV à partir des dosimétries prévisionnelles a) RC3D Sur les courbes isodoses en dosimétrie RC3D, on va dans un premier temps regarder la couverture du PTV. L'isodose 95 % (70,3 Gy) englobe bien le PTV sur les coupes basses. Cependant, sur les coupes plus hautes, les prothèses fémorales arrêtent en grande partie le rayonnement sur les faisceaux latéraux ce qui créé un important sous dosage dans la partie centrale de la prostate. De plus, le faible nombre de points d'entrée créé des doses importantes le long de l'axe des faisceaux. Par exemple, on voit sur le point 1) au niveau du rectum une dose entre 40 et 45 Gy. Même en superficie, sur le point 2), à proximité des prothèses, la dose est là encore entre 40 et 45 Gy. On obtient également une dose inhomogène avec une zone proche des 107 % sur la partie antérieure du PTV. Figure 6 : Courbes Isodoses en RC3D 23

25 Point n 1 Point n 2 Figure 7 : Courbes Isodoses en RC3D b) RCMI En RCMI, on peut remarquer que l'isodose 95 % est bien conformée au PTV. Ceci permet une dégradation importante de la dose autour du PTV. En effet, le point 1) reçoit une dose entre 14 et 22Gy soit plus de deux fois moins qu'en RC3D. De plus, on remarque comme précédemment expliqué que l'utilisation de faisceaux non opposés et la multiplication des points d'entrée permettent de diminuer la dose en superficie. Le point 2) ne reçoit qu'entre 22 et 29Gy dans l'axe du faisceau sur les latéraux, soit là encore 2 fois moins qu'en RC3D. On peut néanmoins remarquer que certaines isodoses s'étendent jusqu'à la superficie sur les obliques passant par la prothèse. On voit notamment sur le point 3) une dose supérieure à 44 Gy. Figure 8: Courbes Isodoses en RCMI 24

26 Point n 3 Point n 1 Point n 2 Figure 9: Courbes Isodoses en RCMI c) VMAT En VMAT, on observe une encore meilleure conformation au PTV de l'isodose 95 %.Les prothèses de hanches sont totalement évitées, ce qui permet d'éviter d'apporter des doses importantes en superficie. Cela implique donc un bénéfice important sur les parties latérales avec une dose inférieure à 10Gy (point n 2). Au niveau du rectum, au même point que dans les cas précédents (point n 1), la dose est remontée légèrement avec une dose de 30 Gy. Ceci est dû aux secteurs d'évitement qui limitent la répartition de la dose. On peut également remarquer que sur certains points en dehors de l'axe des faisceaux en RC3D et RCMI, la dose est augmentée en arcthérapie dynamique (point n 3). C'est ce que l'on appelle le phénomène de basses doses. L'irradiation constante pendant la rotation en Arcthérapie permet de mieux répartir la dose, mais provoque du même coup une irradiation plus globale même si faible. Figure 10 : Courbes Isodoses en Arcthérapie 25

27 Point n 3 Point n 1 Point n 2 F) Analyses des OAR et des PTV à partir des HDV Figure 11: Courbes Isodoses en Arcthérapie Les contraintes de dose au PTV et aux organes à risque sont les suivantes : - Le PTV doit recevoir entre 95 et 107 % de la dose prescrite soit entre 70,3 et 79,18 Gy - La vessie a 2 contraintes, il ne doit pas y avoir plus de 25 % de la vessie qui reçoit 70 Gy et il ne doit pas y avoir plus de 50 % de la vessie qui reçoit 60Gy. - Le rectum a lui 3 contraintes, il ne doit pas y avoir plus de 5 % du rectum qui reçoit 74Gy, il ne doit pas y avoir plus de 25 % du rectum qui reçoit 70Gy et il ne doit pas y avoir plus de 50 % du rectum qui reçoit 60Gy. a) RC3D En RC3D, on constate que la dose minimum reçue par le PTV est de 68 Gy soit un important sous dosage. La dose maximale elle est supérieure à 79,3 Gy ce qui dépasse les valeurs autorisées. Ainsi, ce sous-dosage est extrêmement problématique et cette dosimétrie n'est pas conforme aux contraintes. Par contre, les contraintes au niveau de la vessie sont respectées (V 70=20Gy, V 60=44Gy), et il en est de même pour le rectum (V 74=4 %, V 70=15 %, V 60=25%). 26

28 Figure 12: HDV en RC3D b) RCMI Nous pouvons désormais consulter l'hdv du RCMI. Pour les techniques par modulation d'intensité, il doit y avoir 95 % du PTV qui a pris entre 95 et 107 % de la dose. On remarque que 95 % du PTV a reçu une dose légèrement supérieure à 70 Gy, ce qui respecte les contraintes et là encore la dose ne dépasse pas 107 %. Au niveau des organes à risque, la vessie respecte largement les contraintes (V 70=21%, V 60=26%). Le rectum respecte lui aussi les contraintes (V 74=2%, V 70=7%, V 60=13%). Figure 13: HDV en RCMI 27

29 c) VMAT Etudions désormais l histogramme de l arcthérapie dynamique. La couverture du PTV est légèrement meilleure à celle de la RCMI. 95% du PTV2 a reçu environ 71 Gray ce qui correspond largement aux critères de validité. La dose maximum, de 78,5 Gy est elle aussi éloignée des doses interdites. Au niveau des organes à risque, la dose est une nouvelle fois très bonne avec des doses éloignées des contraintes mais légèrement supérieures (pour le V60 du rectum) à ce qu on a pu observer en RCMI, ce qu on avait pu déjà supposer avec les courbes isodoses ( Vessie : V 70=20%, V 60=25% ; Rectum : V 74=0%, V 70= 7%, V 60=18%). C est grâce à ces très bons résultats sur les organes à risque qu on peut augmenter la dose à traiter sur certaines localisations comme la prostate. Désormais, les prostates sont régulièrement traitées en 80 Gy ce qui permet de meilleurs résultats sur la zone tumorale. F) Résultats Figure 14: HDV en VMAT Pour pouvoir conclure sur ces résultats, il nous faut relever les valeurs des D max, D 98%, D 2% pour le PTV et D moy pour chaque organe à risque. Nous avons ici coloré en bleu la technique la plus efficace pour chaque grandeur. 28

30 Pour déterminer l homogénéité, on a réalisé le calcul de l indice d homogénéité obtenu grâce à la formule, qui doit tendre vers 0 : - En RC3D : i = Dmax Dmin Dmoy - En RCMI, depuis la norme ICRU 83 : HI ICRU = D2% D98% D50% Volume Grandeur RC3D RCMI VMAT Dmax 78,8 Gy 78,5 Gy 77,9 Gy Dmoy 73,8 Gy 74,6 Gy 74,1 Gy D50% 73,5 Gy 74,9 Gy 74,2 Gy D2% 78,5 Gy 77,5 Gy 76 Gy D98% 69 Gy 68 Gy 70 Gy PTV Indice d homogénéité 0,195 0,127 0,08 Conformation par l isodose 95% Mauvaise Bonne Bonne Indice de Couverture Dmax 75,9 Gy 76,3 Gy 73,9 Gy Dmoy 38,8 Gy 22,4 Gy 31 Gy D2% 76,5 Gy 73,5 Gy 71,5 Gy Rectum V74 4% 2% 0% V70 15% 7% 7% V60 25% 13% 18% Dmax 77,7 Gy 77,7Gy 77 Gy Dmoy 45,1 Gy 28,1 Gy 31 Gy Vessie D2% 76 Gy 76Gy 76 Gy V70 20% 21% 20% V60 44% 26% 25% 29

31 On voit donc que le VMAT nous offre les meilleurs résultats au niveau du PTV et des organes à risque mis à part la V 60 du rectum légèrement plus élevé qu en RCMI. La RC3D est dans ce cas précis nettement moins efficace que les techniques par modulation d intensité. IV/ Discussion A) Comparaison des capacités de chaque technique Cout pour l établissement Facturation Environ 180 euros/séance Durée d une séance Moyenne (environ 15 minutes) 3D Classique RCMI VMAT Faible Important Important 450 euros/séance 450 euros/séance Longue (environ 20 minutes) Courte (environ 10 minutes) Temps de préparation Courte Longue Très longue Organes à risques Toxicité importante Toxicité faible Toxicité faible Conformation au PTV Faible Bonne Très bonne GATING Utilisable Utilisable Non Utilisable Au niveau du coût, même si l'utilisation de RCMI nécessite un investissement important afin d'acquérir le matériel adapté, la facturation est plus élevée qu'en 3D Conformationnel. Comme on a pu le constater précédemment, la préparation dosimétrique est totalement différente entre le 3D et la RCMI. Les algorithmes d'optimisation utilisés en RCMI requièrent des temps de calculs plus longs. Il faut donc une équipe de physique expérimentée pour pouvoir traiter la majorité des traitements avec ces techniques. La conformation de la dose au volume tumoral est plus conformationnelle avec la modulation d intensité (RCMI et VMAT) avec une dose plus faible aux organes à risque et par conséquent une diminution des effets secondaires aigus et chroniques. Cependant, si ces résultats sont équivalents en RCMI et en VMAT, le temps de traitement est nettement plus court en VMAT qu'en RCMI. En effet, alors qu'il ne faut qu'un ou deux arcs en arcthérapie, il faut de nombreux faisceaux en RCMI. L'Arcthérapie permet donc d'avoir de bons résultats et d'avoir un temps de séance suffisamment court permettant ainsi une diminution des mouvements intrafractions. Cet avantage est limité par les nombreux contrôles qualités à réaliser avant traitement. La RC3D, bien que moins performante au niveau de la conformation de la dose au PTV et des organes à risque, a l'avantage de pouvoir être couplée au gating respiratoire, ce qui permet de réaliser des traitements sur les zones mobiles comme les poumons ou des régions abdominales. En effet, les 30

32 mouvements respiratoires vont modifier la position des organes et vont ainsi fausser le traitement s ils ne sont pas pris en compte. L'Arcthérapie est ainsi peu utilisée pour ces zones, contrairement aux zones pelviennes, ORL et cérébrales. B) Avantages / Inconvénients Avantages Inconvénients 3D RCMI VMAT Bonne couverture Caches plombés Possibilité de gating Pas de problèmes de jonction de champs Bonne conformation au volume à traiter Faible toxicité aux OAR Escalade de dose Pas de problèmes de jonction de champs Bonne conformation au volume à traiter Faible toxicité aux OAR Escalade de dose Durée des séances courtes Dose aux organes à risque Pas de possibilité d escalade de dose Une plus grande précision nécessaire Durée des séances plus longues Complexe au niveau des zones mobiles Contrôles plus fréquents Contrôles de la position géométrique du patient Dosimétrie plus longue Une plus grande précision nécessaire Complexe au niveau des zones mobiles Contrôles plus fréquents Contrôle de la position géométrique du patient Phénomène de basses doses Dosimétrie plus longue La RC3D est globalement moins performante que les techniques par modulation d intensité pour conformer la dose au volume à traiter. Cependant, elle s avère très efficace pour les zones mobiles comme les poumons ou dans l abdomen. En effet, cette technique peut se coupler au gating permettant de s affranchir des mouvements respiratoires. La RCMI est, elle, particulièrement avantageuse au niveau de la répartition de la dose. Elle permet d obtenir une dose plus homogène, et de conformer cette dose au volume (particulièrement les volumes de forme concave). Cette conformation (que nous avons constatée sur la prostate et qui se vérifie également sur les autres localisations 1 ) permet de limiter la dose aux organes à risque avoisinants, et ainsi de diminuer les effets secondaires précoces et tardifs à ces organes. Elle permet également d éviter les jonctions de champ. Par exemple, pour les traitements de la sphère ORL où il y a de nombreux faisceaux accolés, il est important d adapter les jonctions à la peau pour éviter un 1 Voir Annexe 31

33 surdosage ou sous-dosage en profondeur. Cependant, l utilisation de nombreux faisceaux en RCMI implique un temps de traitement relativement long comparé aux autres techniques, ce qui limite le nombre de patients par jour. Comme nous avons plus le remarquer sur le cas de la prostate, le VMAT a les mêmes avantages que la RCMI, avec en plus un temps de traitement court ce qui limite les risques de mouvements intrafractions. C est donc la technique la plus avantageuse, principalement pour les zones pelviennes, ORL et crâniennes. V/ Conclusion Au cours de notre étude, nous avons pu observer que les techniques par modulation d intensité présentaient de meilleurs résultats dosimétrique que la RC3D. Que ce soit au niveau de la conformation au volume à traiter ou au niveau de la dose reçue aux organes à risque, les résultats étaient bien meilleurs avec les nouvelles techniques. Cependant, dans des cas particuliers comme des cas avec des prothèses fémorales, le VMAT présente des avantages non négligeables. De plus, alors que la RCMI utilise 5 faisceaux, les 2 arcs du VMAT seront effectués bien plus rapidement. Pour d autres localisations comme l ORL, cette différence sera encore plus importante car le traitement en RCMI nécessitera un plus grand nombre de faisceaux. Cependant, si la RC3D semble nettement moins efficace, elle reste utilisée pour le traitement du cancer du sein et du poumon par exemple. Cependant, l émergence de nouvelles techniques telles que le Cyberknife ou le True Beam Novalis STX permettent de traiter des zones mobiles avec grâce à des systèmes de tracking en cours d irradiation. Ainsi, il n y a pas de technique idéale, il y des techniques disponibles pour traiter différents types de tumeur au sein d un plateau de radiothérapie. Il faut systématiquement analyser la situation, la région cible, les organes avoisinants, pour déterminer la technique la plus adaptée. Enfin, la technique la plus adaptée est la technique la plus maitrisée et expérimentée par le couple médecinphysicien. 32

34 VI/ Sources et remerciements Présentation : «Radiothérapie externe : Techniques» par C. Verry, CHU Grenoble Présentation : «Comparaison dosimétrique de 2 techniques de RCMI.» par Léone Aubignac, Christelle Briand, Stéphane Dupont, Françoise Jaffré Techniques d irradiation des cancers par J.J. Mazeron, A. Maugis, C. Barret, F. Mornex Entretiens avec le Dr. Servagi du centre hospitalier de Besançon Thèse : «Méthodologie d'évaluation des impacts cliniques et dosimétriques d'un changement de procédure en radiothérapie : Aspect - Radio physique et médical» par Abdulhamid Chaikh Nous tenons à remercier l équipe de physique du centre hospitalier de Brive-La-Gaillarde ainsi que le Dr. Servagi pour toute l aide qu ils nous ont apporté pour concevoir ce projet. 33

35 Annexe RCMI VMAT Nous voyons ici à gauche, les traitements en IMRT et à droite, les traitements en VMAT. Le volume à traiter étant coloré en rouge, nous pouvons constater que les isodoses sont relativement semblables. Cependant, on aperçoit tout de même de meilleurs résultats en VMAT sur les organes à risque grâce à une décroissance de la dose plus rapide autour du PTV. Cela confirme donc notre analyse réalisée dans le cas de la prostate. 34