LES TECHNOLOGIES DU CERN POUVANT DONNER LIEU A DES APPLICATIONS MEDICALES :

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1 CERN/3206 Original : anglais 16 septembre 2015 ORGANISATION EUROPEENNE POUR LA RECHERCHE NUCLEAIRE CERN EUROPEAN ORGANIZATION FOR NUCLEAR RESEARCH Suite à donner Procédure de vote Information Session du Conseil 177 e session 17 septembre LES TECHNOLOGIES DU CERN POUVANT DONNER LIEU A DES APPLICATIONS MEDICALES : RAPPORT DE SITUATION Le Conseil est invité à prendre note de la situation actuelle des activités du CERN relatives à des applications médicales, exposée dans le présent document.

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3 CERN/ Les technologies du CERN pouvant donner lieu à des applications médicales : rapport de situation Introduction Le présent document, qui fait suite aux exposés de MM. M. Baumann et S. Myers, à la session de juin du Conseil restreint, sur le transfert et le développement des technologies du CERN pouvant donner lieu à des applications médicales, est un rapport de situation destiné au Conseil, pour information. Un document d orientation stratégique complet sera soumis au Conseil l année prochaine. Le Bureau pour le transfert des technologies du CERN pour les applications médicales. La mission centrale du CERN est la recherche fondamentale en physique des particules et en physique nucléaire ; toutefois, étant un laboratoire financé par des fonds publics, il est également chargé de faire en sorte que ses technologies et ses compétences apportent rapidement des bénéfices concrets à la société, dans la mesure du possible. L une des difficultés spécifiques est de rationnaliser et de gérer le transfert de connaissances et de technologies de la physique vers le domaine de la santé : jusqu à récemment, ce processus avait lieu de manière fortuite ou à l initiative d individus enthousiastes. Les efforts du CERN en faveur du transfert de connaissances vers le domaine médical se sont intensifiés ces dernières années, ce qui a débouché sur la création du Bureau pour le transfert des technologies du CERN pour les applications médicales (bureau CMA) 1 en janvier Les missions du bureau CMA sont les suivantes : déterminer, rendre disponibles et encourager les possibilités d application des technologies centrales du CERN liées aux accélérateurs, aux détecteurs, à la simulation, à l informatique et au traitement des données à grande échelle susceptibles de donner lieu à des applications médicales, coordonner et structurer les activités associées au sein de l Organisation, et stimuler, de façon concertée, les collaborations avec des partenaires externes, y compris ceux issus du domaine de l industrie. Le bureau CMA est constitué d une petite équipe, qui comprend la section Sciences de la vie du groupe Transfert de connaissances du CERN ; les membres de l équipe viennent d horizons divers et se consacrent pleinement à soutenir ce projet. Le bureau CMA veille à l utilisation optimale des ressources du Laboratoire (en termes de personnel, d infrastructure et de financement) pour assurer un impact maximal sur la société. Le chef du bureau CMA est assisté par le Comité directeur pour les applications médicales du CERN (CMASG), composé des scientifiques du CERN dirigeant les projets du CERN dans ce domaine, ainsi que d experts du groupe Transfert de connaissances et du Bureau des projets de l UE.

4 2 CERN/3206 Un Comité international d orientation stratégique (ISC) pour les applications médicales, composé d experts externes des domaines de la médecine et de la physique pour la médecine, a été constitué. Son rôle est d évaluer l intérêt éventuel des technologies, des projets et des plates-formes de recherche du CERN pour la médecine, de suivre sur la durée les divers projets et leur possible évolution vers des produits finis cliniques, et de proposer de nouvelles idées. Plusieurs projets et réseaux de formation liés à des applications médicales, auxquels le CERN participe, ont été soutenus par la Commission européenne (CE) dans le cadre des sixième et septième programmes-cadres. En 2014, pour la première fois dans l histoire du Laboratoire, des ressources ont été allouées, dans le cadre du plan à moyen terme, pour le lancement d activités structurées liées à des applications médicales. En outre, des financements externes pour des activités du CERN relatives à des applications médicales ont déjà été reçus, via la fondation CERN & Société, et d autres voies sont actuellement explorées pour réunir les fonds supplémentaires nécessaires, en partenariat avec le Bureau de développement du CERN ; des possibilités existent notamment dans le cadre du programme Horizon 2020 de la CE. Activités actuelles du CERN pouvant donner lieu à des applications médicales À l heure actuelle, des activités susceptibles de donner lieu à des applications médicales se déroulent dans tous les domaines d activité du CERN. Le présent chapitre donne un bref aperçu des principales orientations de la recherche actuelle. Des scientifiques du CERN participent également à des réseaux et des collaborations (et les dirigent souvent) dans des domaines spécifiques, avec dans certains cas une forte composante multidisciplinaire ou industrielle. Des conceptions novatrices pour des accélérateurs compacts Grâce à des études de pointe sur la dynamique des faisceaux et les technologies radiofréquence, ainsi qu à des techniques de construction innovantes, des équipes du CERN ont à présent construit le premier module d un accélérateur totalement nouveau 2, un quadripôle à radiofréquence haute fréquence (HF-RFQ) qui mesure à peine deux mètres de long. Cet accélérateur innovant a été conçu de manière à être compact, modulaire, bon marché, et adapté à une utilisation dans le cadre des applications médicales, en particulier pour la production de radio-isotopes et le traitement du cancer. Cet accélérateur miniature est en fait un injecteur parfait pour la nouvelle génération d accélérateurs linéaires compacts haute fréquence utilisés pour l hadronthérapie. Il pourrait également devenir l élément-clé d un système capable de produire des isotopes radioactifs directement dans les hôpitaux, pour une utilisation en imagerie médicale. Cela pourrait éviter les complications liées au transport de matériel radioactif et élargir la gamme des isotopes utilisables. Il convient aussi de mentionner que la technologie HF-RFQ a à présent été rendue disponible pour une production dans l industrie, et constituera ainsi une source de revenus pour le CERN. Imagerie médicale Un certain nombre de projets récents ou en cours, en imagerie médicale, ont été entrepris dans le cadre de grandes collaborations internationales ou multidisciplinaires (Crystal Clear 3, Medipix 4 ) ainsi qu à travers des réseaux (ENLIGHT 5 ) : certains de ces projets intègrent également des groupes de recherche du domaine médical, des industries et des hôpitaux, afin de veiller à un aspect essentiel, la transition depuis le banc d essai jusqu à l utilisation concrète en médecine. Ces projets visent d une part à exploiter les nouvelles technologies développées pour les détecteurs de particules dans le but de fabriquer des prototypes de dispositifs d imagerie médicale et de valider leur impact clinique et,

5 CERN/ d autre part, à développer des machines entièrement nouvelles, qui ne sont pas disponibles sur le marché, pour des pratiques cliniques spécifiques ou des projets de recherche. La collaboration Medipix3 6, qui est coordonnée par le CERN, a développé de nouvelles puces de lecture pour les détecteurs à pixel hybrides, rendant ainsi des techniques développées initialement pour le LHC plus facilement utilisables pour des applications médicales. Les puces de Medipix3 utilisent des circuits intégrés dans les pixels, ce qui permet une imagerie par rayons X haute résolution, avec une bonne résolution en énergie même aux flux proches de ceux utilisés en tomodensitométrie (CT) médicale. Une entreprise basée en Nouvelle-Zélande a obtenu une licence pour mettre ce dispositif sur le marché préclinique. Un autre produit innovant associé, la puce Timepix3, permet le suivi de la trajectoire des particules, sans déclenchement, dans une seule couche de semi-conducteur. Des mesures préliminaires effectuées avec la génération précédente de cette puce indiquent clairement son potentiel pour les faisceaux et le suivi des doses dans le contexte de l hadronthérapie. Dans le domaine des scintillateurs, des photodétecteurs et de l électronique inorganiques, le CERN a contribué et continue de contribuer au développement de prototypes de dispositifs de tomographie par émission de positons (TEP) pour une large gamme d applications. La collaboration Crystal Clear, qui est coordonnée par le CERN, a été déterminante pour la plupart de ces avancées. Le CERN participe à non moins de dix projets financés par l UE liés à l imagerie médicale ; parmi ceux-ci, on peut noter le développement récent d un dispositif multimodal novateur pour l imagerie moléculaire endoscopique de haute précision et pour la réalisation d opérations guidées par l imagerie le moins invasives possible 7,8. Des prototypes de scanners TEP permettant de suivre in vivo la dose délivrée au patient atteint du cancer pendant l hadronthérapie 9,10 ont aussi été testés récemment. L utilisation de techniques de temps de vol (TOF) pour améliorer les performances des dispositifs TEP dans divers scénarios cliniques fait également l objet de recherches actives. Un projet de démonstration de concept du Conseil européen de la recherche, visant à favoriser le transfert de la technologie des cristaux photoniques vers l industrie, pour le secteur de l imagerie médicale, a récemment été approuvé pour un financement. Dosimétrie Le détecteur GEMPix, qui peut présenter un intérêt pour la dosimétrie et la microdosimétrie médicales, a récemment été développé au CERN, avec l aide d un financement de l UE 11. Il réunit deux technologies du CERN : un triple détecteur de type multiplicateur d électrons dans le gaz et le circuit intégré Timepix. GEMPix peut faire office de «microdosimètre avec fonction de trajectographie» jusqu au niveau submicronique. Ce dispositif a été testé pour différentes utilisations, avec des protons et avec des ions carbone (au CNAO), ainsi qu avec des photons (en collaboration avec l INFN et le Policlinico de l Université Tor Vergata), et comparé aux technologies existantes. Les résultats préliminaires sont encourageants, mais davantage de travaux sont nécessaires pour concevoir un système qui puisse être utilisé dans la pratique clinique quotidienne. Le CERN dispose de l un des services de dosimétrie individuelle les plus avancés au monde. Pour la dosimétrie opérationnelle, le CERN a développé un système unique en son genre basé sur des dosimètres et des lecteurs électroniques connectés à son intranet : des seuils d alarme individuels par jour peuvent être configurés via une application web, en fonction de l activité et de la classification du travailleur. La souplesse du système permettra des évolutions ultérieures, entre autres la mise en service de dosimètres individuels pouvant être suivis en tout temps.

6 4 CERN/3206 Informatique Le CERN étudie à l heure actuelle des moyens d adapter son infrastructure distribuée actuelle afin qu elle puisse supporter un modèle de données distribuées dans lequel des données issues de milliers de sources différentes puissent être traitées de manière sûre, y compris en termes de confidentialité, par les infrastructures informatiques existantes ou émergentes. Un nouveau paradigme, consistant à fédérer des environnements d informatique en nuage, est actuellement en développement ; il pourrait permettre à des instituts indépendants de partager des données contrôlées ou des métadonnées rendues anonymes. Le CERN conçoit aussi des plates-formes avancées pour l analyse des données basées sur des technologies comme Hadoop ou Spark pour fournir une analyse en différé, et dans le futur pratiquement en temps réel, de grandes quantités d ensembles structurés ou non structurés de données et d images. Les applications possibles au domaine médical vont des systèmes d aide à la prise de décision pour les diagnostics médicaux aux salles d opération hybrides ou aux salles de traitement par hadronthérapie dans lesquelles l analyse des données et des images en temps réel pourrait être utilisée pour aider les médecins. En 2014, le CERN Openlab 12 a organisé un atelier d une journée consacré aux besoins informatiques dans le domaine de la santé 13. Simulation La physique des particules excelle dans le domaine des simulations de Monte-Carlo (MC) : les deux plus grands progiciels de simulation, FLUKA 14 et Geant4 15, sont largement utilisés dans le monde entier, y compris pour diverses applications, notamment médicales 16. Des études récentes ont montré que FLUKA est approprié pour réaliser une dosimétrie en 3D spécifique à chaque patient au moyen d une simulation directe sur des images PET-CT (tomographie par émission de positons et tomodensitométrie) et SPECT-CT (tomographie par émission monophotonique et tomodensitométrie). Un projet dirigé par le CERN est en train de développer une interface web pour fournir un accès de haut niveau à FLUKA dans le but de réaliser des calculs de dosimétrie interne. Cela améliorera la précision du calcul des doses au niveau des hôpitaux, sans que des groupements spécifiques ou des connaissances avancées sur les simulations de MC soient nécessaires. À travers ses collaborations de longue date avec des centres de traitement avancé (CNAO et HIT) et sa participation à divers projets de l UE 9,17,10, le CERN a grandement contribué au développement d outils de simulation ad hoc et à leur déploiement dans des environnements cliniques 18. Les bases de données de physique s appuyant sur le progiciel FLUKA occupent une place centrale dans les systèmes de planification des traitements (TPS) commerciaux utilisés cliniquement au HIT et au CNAO, ainsi que dans les systèmes de planification des traitements pour les ions carbone développés pour MedAustron. Cet outil est aussi largement utilisé au CNAO et au HIT pour la vérification des systèmes de planification des traitements, ainsi que pour la recherche. Au sein de la communauté Geant du CERN, des travaux visant à obtenir d importants facteurs d accélération pour des applications à forte intensité de calcul, parmi lesquelles les calculs de simulations de MC pour la médecine, sont en cours. L objectif est de raccourcir le temps nécessaire pour les calculs des systèmes de planification des traitements sans compromettre la précision, en termes de physique, des simulations.

7 CERN/ La création d une nouvelle bibliothèque de programmes de géométrie 19 permet une description efficace de dispositifs complexes, comme les collimateurs pour les systèmes SPECT. Une bibliothèque de programmes supplémentaire 20 permet d élargir ces fonctionnalités pour la géométrie aux unités de processeur vectorielles et aux unités de processeur graphiques (GPU), en améliorant les algorithmes afin de réduire le temps d exécution et en ajoutant des capacités de navigation. Cette bibliothèque est une composante essentielle de GeantV 21, nouvelle génération du code de simulation Geant, qui est développé par une équipe internationale dirigée par le CERN. Production de radio-isotopes : CERN-MEDICIS Des isotopes nouveaux et prometteurs font leur apparition en médecine nucléaire, et la communauté médicale a hâte d étudier leurs diverses applications. Si les méthodes de production les plus communes utilisent de petits cyclotrons et réacteurs nucléaires médicaux, le CERN perfectionne depuis environ 50 ans, à son installation ISOLDE, la technique appelée séparation d isotopes en ligne. Cette technique pourra à présent progresser davantage avec la construction de l installation CERN- MEDICIS, qui aura une relation de symbiose avec ISOLDE, c est-à-dire qu elle profitera de la capacité et de l expérience exceptionnelles de cette dernière dans la production d isotopes exotiques sans entraîneurs, sans toutefois perturber son exploitation. L installation CERN-MEDICIS fournira une large gamme de radio-isotopes et d espèces chimiques. Son établissement a suscité l intérêt des institutions médicales de la région et d ailleurs, et plusieurs études collaborative sont déjà en train d être planifiées : des études sur les émetteurs Auger, sur les approches robotiques novatrices pour la curiethérapie, et sur les nouveaux bioconjugués s attaquant aux cancers de la prostate et du pancréas. L installation CERN-MEDICIS doit être mise en service en Une installation en libre accès pour la recherche multidisciplinaire avec des ions : OPENMED Le projet CERN-OPENMED vise à compléter les lignes de faisceau existantes ou prévues en Europe, et à fournir des faisceaux d ions appropriés à une multitude d études interdisciplinaires, dans lesquelles interviennent la radiobiologie, les modèles de physique nucléaire pour la médecine, les détecteurs et l instrumentation pour la dosimétrie, les diagnostics et l imagerie. Après les premières études de faisabilité 22,23 financées par la CE, le CERN, en collaboration avec l INFN, a entrepris des études détaillées des différentes possibilités pour la source d ions et la partie frontale et a défini précisément les modifications devant être apportées à l accélérateur LEIR. Un rapport technique de conception est attendu d ici à la fin de Formation et éducation Le CERN a dirigé 11 réseaux de formation initiale Marie Curie et participé à huit autres, notamment dans le domaine des applications médicales. En 2015, la section Sciences de la vie du groupe Transfert de connaissances, en collaboration avec l équipe CERN de Crystal Clear et avec la Fondation TERA, a créé un groupe de travail sur les applications médicales dans le cadre du programme pour les enseignants du secondaire (HST 2015). Diffusion et communication Le CERN continue de co-organiser et de promouvoir la série de conférences ICTR-PHE, qui réunit tous les deux ans l ensemble des communautés scientifiques participant à des programmes de

8 6 CERN/3206 recherche pour l optimisation des traitements contre le cancer. La diffusion des informations a lieu également à travers des réseaux et collaborations du CERN : l Openlab du CERN, Crystal Clear, ENLIGHT, Medipix. Conformément à la politique du CERN, la publication en libre accès est favorisée chaque fois que cela est possible 24. Une série de séminaires sur les applications médicales a été organisée afin de sensibiliser à la fois le grand public et les physiciens du CERN aux nombreux liens entre la physique et la médecine. L utilisation de produits multimédias 25 contribue à faire participer un public de tous âges. Les activités de R&D sur les applications médicales sont régulièrement évoquées dans des articles et des nouvelles sur les différents sites web du CERN et dans des publications internes, grâce à un effort concerté avec le groupe Communication du CERN, ainsi que dans des magazines et des publications de différentes parties prenantes, y compris la CE. Les activités du CERN relatives aux applications médicales sont également mentionnées dans le rapport annuel du groupe Transfert de connaissances, publication qui paraît chaque année en mars et est distribuée à un large public, y compris aux délégués au Conseil, aux visiteurs VIP, et au grand public ; des projets industriels liés aux applications médicales ont aussi été présentés lors du forum ESOF 2014 (EuroScience Open Forum) et sont apparus dans la série Horizon de la BBC. Conclusion Le Conseil est invité à prendre note de la situation actuelle des activités du CERN relatives à des applications médicales, présentée dans le présent document «L accélérateur miniature», «Combining endoscopic ultrasound with Time-Of-Flight PET: The EndoTOFPET-US Project», B. Frisch, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., A 732 (2013) ARDENT (Advanced Radiation Dosimetry European Network Training initiative), T.T. Böhlen, F. Cerutti, M. P. W. Chin, A. Fassò, A. Ferrari, P. G. Ortega, A. Mairani, P.R. Sala, G. Smirnov, et V. Vlachoudis, «The FLUKA Code: Developments and Challenges for High Energy and Medical Applications», Nuclear Data Sheets, {\bf 120}, (2014) 17

9 CERN/ T.T. Böhlen, J. Bauer, M. Dosanjh, A. Ferrari, T. Haberer, K. Parodi, V. Patera, A. Mairani, «A Monte Carlo-based treatment-planning tool for ion beam therapy», Journal of Radiation Research, {\bf 54}, Suppl 1, i77-81 (2013). 19 M. Gayer, G. Cosmo, A. Gheata, J.-M. Guyader, T. Nikitina, «New software library of geometrical primitives for modelling of solids used in Monte Carlo detector simulations», Journal of Physics: Conference Series 396 (2012) J. Apostolakis, M. Bandieramonte, G. Bitzes, R. Brun, P. Canal, F. Carminati, G. Cosmo, J. C. De Fine Licht, L. Duhem, V. D. Elvira, A. Gheata, S.Y. Jun, G. Lima, T. Nikitina, M. Novak, R. Sehgal, O. Shadura et S. Wenzel, «Towards a high performance geometry library for particle-detector simulations», Journal of Physics: Conference Series 608 (2015) D. Abler D, A. Garonna, C. Carli, M. Dosanjh et K. Peach, «Feasibility study for a biomedical experimental facility based on LEIR at CERN», J Radiat Res., 2013 Jul; 54(Suppl 1): i Réunion de réflexion et exigences des utilisateurs pour une éventuelle installation biomédicale au CERN, 24 Un prochain numéro de Frontiers Research Topic contiendra des articles d une grande partie des scientifiques du réseau de formation Marie Curie ENTERVISION. 25 Quelques exemples récents :