Radiothérapie guidée par l'image

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TECHNIQUES DE L’INGÉNIEUR
L’expertise technique et scientifique de référence
Techniques
de l'Ingénieur
p2645
Spectrométrie de masse - Principe
et appareillage
Date de publication : 12/09/2014
Par :
Cet article fait partie de la base documentaire :
Mesures - Analyses
Dans le pack : Mesures - Analyses
et dans l’univers : Technolgies de l’information
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Guy BOUCHOUX
Professeur à l’université Paris XI (Orsay), École Polytechnique, DCMR, Palaiseau
Michel SABLIER
Chargé de recherches au CNRS, École Polytechnique, DCMR, Palaiseau
Guy BOUCHOUX
Professeur à l’université Paris XI (Orsay), École Polytechnique, DCMR, Palaiseau
Michel SABLIER
Chargé de recherches au CNRS, École Polytechnique, DCMR, Palaiseau
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med450
Radiothérapie guidée par l'image
10/08/2014
Richard TRIMAUD
Ingénieur Cyclotron, Centre Antoine Lacassagne, Nice, France
Juliette THARIAT
Oncologue radiothérapeute, Centre Lacassagne Cyclotron, Nice, France,
Innovations en analyses et mesures
Innovations technologiques
Innovations
08/07/2014
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Radiothérapie guidée par l’image
par Richard TRIMAUD
Ingénieur Cyclotron
Centre Antoine Lacassagne, Nice, France
et Juliette THARIAT
Oncologue radiothérapeute
Centre Lacassagne Cyclotron, Nice, France
Note de l’éditeur
Ont contribué à cet article : Marianne AZNAR, Régis AMBLARD, Catherine DEJEAN,
Gaëlle ANGELLIER, Vincent FLOQUET et Joël HERAULT
Ce travail a été réalisé dans le cadre du DIU de radiothérapie haute technicité
http://www.diu-radiotherapie.com
a radiothérapie guidée par l’image (IGRT) est une méthode basée sur l’uti-
lisation de l’imagerie (ionisante ou non) en salle de traitement. L’imagerie
est garante de la conformité de la délivrance de l’irradiation telle que planifiée,
c’est-à-dire qu’elle assure la précision et l’exactitude de la distribution de dose
prévue et parfois réévaluée en cas de nécessité clinique (radiothérapie adapta-
tive qui comprend de facto l’IGRT, ou ART). Elle permet aussi d’ajuster le
positionnement du patient, voire de la tumeur, en quelques minutes sans
alourdir une séance de traitement.
Il existe une autre définition de l’IGRT, plus large mais moins consensuelle, qui
comprend aussi l’imagerie pour le diagnostic tumoral et le contourage des
volumes cibles et des organes à risque pour préparer le plan d’irradiation ; elle
pourrait s’appeler « radiothérapie basée sur l’image » (IBRT) plutôt que « guidée ».
Nota : le contourage est l’acte qui consiste à délimiter, mais aussi à annoter un volume (tumoral ou organe à risque) en
radiothérapie. Un autre terme utilisé en radiothérapie est « délinéation ».
Le terme anglais « IGRT » sera utilisé, car il est beaucoup plus usité, même
en France, que ne pourrait l’être l’acronyme français.
Les domaines de l’imagerie et de la radiothérapie ont vécu ces dernières
vingt années une véritable révolution technologique. En effet, l’imagerie de
planification multimodalité, basée sur le scanner et sur une ou plusieurs autres
1. Contexte................................................................................................... MED 450 - 2
2. Contexte de l’IGRT ................................................................................ — 3
3. Équipements utilisés par l’IGRT :
principes techniques et physiques................................................... — 4
4. Outils de l’IGRT ...................................................................................... — 7
5. Exemples de machines sous l’angle de leurs systèmes couplés
d’IGRT ....................................................................................................... — 14
6. Stratégies de correction des erreurs de repositionnement
par IGRT ................................................................................................... — 16
7. Principes d’application et limites..................................................... — 17
8. Conclusion............................................................................................... — 18
Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. MED 450
L
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modalités après recalage/fusion, a considérablement amélioré la définition des
volumes cibles. De plus et en parallèle, les équipements de radiothérapie se
sont enrichis de solutions d’optimisation de la conformation de la dose aux
volumes cibles en utilisant un principe de modulation d’intensité appliqué à la
radiothérapie conformationnelle (IMRT), ou en utilisant une irradiation stéréo-
taxique, ou encore une radiothérapie par ions lourds.
Nota : le terme « conformationnel » indique le principe selon lequel l’irradiation respecte les volumes définis. Initialement
un anglicisme, ce terme est un terme consacré et non substituable en radiothérapie.
Le principe de l’IGRT s’intègre enfin dans un compromis sur le rapport béné-
fice-risque intrinsèquement lié à la pratique médicale en routine, en visant à
augmenter l’index thérapeutique (diminuer les marges, les toxicités, aug-
menter les doses, le contrôle local) sans alourdir le traitement inutilement
(moyens humains, financiers, irradiation supplémentaire du patient, mar-
queurs invasifs...). Il est directement lié à un contrôle qualité exigeant pour le
suivi des performances de ces équipements de pointe.
Nous tenterons dans cet article de montrer le but de l’IGRT et ses différentes
modalités d’application.
Compte tenu de la multiplication des modalités d’irradiation avec développe-
ment d’outils technologiques adaptés aux appareils de radiothérapie pour
optimiser l’imagerie en cours de traitement, des classifications par principe
d’application et par procédé technique sont proposées. Les noms
commerciaux des équipements sont parfois utilisés faute de ne pas pouvoir se
référer à des équipements génériques.
1. Contexte
1.1 Place de la radiothérapie
dans le traitement des cancers
La radiothérapie est une technique utilisée chez 60 % des
patients atteints de cancers au stade du diagnostic ou au cours de
l’évolution du cancer. Elle a pour objectif de délivrer la « bonne
dose au bon endroit », c’est-à-dire de combiner contrôle local et
minimisation des risques de toxicité aux tissus sains voisins du ou
des volumes cibles.
Pour cela, au moins trois conditions doivent être remplies :
– l’identification correcte de la tumeur ;
– une planification et un traitement par radiothérapie de haute
précision (RT-3D, IMRT...) ;
– et une réalisation précise du traitement.
Le corollaire de la précision géométrique (telle qu’illustrée par le
pic de Bragg des protons) est la nécessité d’une exactitude et
d’une précision cliniques (définition des volumes cibles tumoraux
et des volumes de tissus sains à risque).
La connaissance et le contrôle de la distribution de dose en trois
dimensions ont été généralement considérés comme le prérequis
d’un résultat clinique favorable.
Au cours de la dernière décennie, les évolutions technologiques
des systèmes de planification dosimétrique et délivrance de
l’irradiation ont conduit à la réalisation d’irradiations plus conformées
aux volumes cibles. Elles ont la capacité de délivrer avec précision
des distributions de dose conformées dans des volumes cibles immo-
biles et de formes complexes. Ainsi, ces techniques nécessitent la
localisation et la définition précises des volumes cibles et des structu-
res critiques. La forme tridimensionnelle des volumes cibles et des
structures critiques doit être définie avec précision pour permettre la
réalisation de planifications de haute qualité.
1.2 Imagerie de planification
en radiothérapie
■Le prérequis de toute irradiation conformationnelle actuelle est la
réalisation d’un scanner dosimétrique en position de traitement,
avec les contentions adaptées au patient et à sa pathologie. La
planification dosimétrique des traitements en protonthérapie se fait
actuellement sur une acquisition scanner dosimétrique classique en
rayons X. L’exigence de précision de l’irradiation implique une
bonne connaissance clinique de la maladie et suppose une définition
Délivrance de l’irradiation
La notion d’irradiation précise concerne le processus répétitif
de la détermination, par exemple millimétrique, et de la position
de la cible d’une séance à l’autre. La notion d’irradiation exacte
recouvre la détermination de la position de la cible avant chaque
séance d’irradiation par rapport à celle de la planification, de
façon reproductible. Une technique d’irradiation est d’autant plus
exigeante que de fortes doses sont délivrées et que les gradients
de dose sont abrupts. Un corollaire de ces modalités d’irradiation
est qu’elles s’accompagnent forcément d’exigences accrues de
sécurité et de réduction des incertitudes, notamment celles liées
au repositionnement ou aux mouvements des organes.
Ainsi, pour certains, il n’y a pas d’IMRT sans IGRT, surtout en
regard d’organes à risque pour lesquels la dose reçue pourrait
induire des toxicités limitantes alors qu’il existe un rôle de dété-
rioration du contrôle tumoral. La réémergence de l’hypo-
fractionnement, à dose efficace et intention curative ou ablative
(exigence accrue sur la dose aux tissus sains/toxicités tardives),
justifie a fortiori ce besoin d’exactitude en dose que doit appor-
ter l’IGRT.
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standardisée des volumes cibles, avec une épaisseur de coupes clas-
siquement de 2 à 3 millimètres. Des modalités d’imagerie anatomi-
que – comme l’imagerie par résonance magnétique (IRM) / le
scanner (avec injection de produit de contraste dans la plupart des
cas) – et des modalités d’imagerie fonctionnelle – comme certaines
séquences d’IRM (diffusion, perfusion, etc.) et la tomographie par
émission de positrons (TEP) au fluorodéoxyglucose ou autres isoto-
pes de plus en plus courants – sont volontiers couplées au scanner
dosimétrique car elles fournissent des informations
complémentaires en vue de l’étape de délinéation.
■La définition des volumes cibles tumoraux et des organes à
risque est avant tout clinique. Elle prend en compte la tumeur telle
qu’elle est objectivée par le ou les cliniciens et radiologues, on
parle alors de « volume cible macroscopique » (Gross Tumor
Volume : GTV). Elle prend également en compte l’histoire naturelle
des cancers, les modalités de dissémination et les barrières anato-
miques qui sont spécifiques à chaque type histologique et site ana-
tomique de cancer et sont influencées par les traitements
préalables. Il s’agit-là de prendre en compte une probabilité de
présence de maladie microscopique (Clinical Target Volume : CTV)
impossible à mettre en évidence cliniquement ou en imagerie avec
les méthodes actuelles car se situant à l’échelle des cellules (tumo-
rales). Intervient ensuite une incertitude géographique liée au
mouvement des volumes cibles (Internal Target Volume ITV) ou à
risque (Planning organ at Risk Volume : PRV) et aux défauts de
reproductibilité du repositionnement du patient ; cette incertitude
est prise en compte dans la définition du volume cible thérapeuti-
que (Planning Target Volume : PTV).
Les organes à risque désignent les structures considérées
comme pouvant engendrer des toxicités et séquelles pour le
patient si elles sont irradiées. Ces organes à risque sont si possible
identifiés de façon simplifiée (pratique) comme ayant une
architecture en série ou en parallèle et du retour d’expérience
permettant d’établir des corrélations dose-effets et idéalement des
abaques, utilisables sous forme de doses seuils et de contraintes
dose-volume lors des planifications de traitement. Les concepts de
GTV, CTV, ITV, PTV ont été décrits dans les rapports ICRU 60
(International Committee for Radiation Units ) puis ICRU 83 et
ICRU 73 dans un but d’harmonisation et amélioration des
pratiques.
■La délinéation (= contourage, délimitation sur scanner) des
volumes cibles tumoraux et des organes à risque désigne le
processus d’étiquetage sur une image d’une région d’intérêt grâce
à des outils DICOM RT ; en 2013, la pratique la plus fréquente
consiste à contourer sur des coupes axiales consécutives de
scanner dédié à la planification de radiothérapie. La délinéation
peut être manuelle ou automatisée selon les cas et le processus
est consommateur de temps. Les volumes contourés peuvent être
utilisés pour documenter les toxicités ultérieures, mais aussi pour
introduire des contraintes sur ces organes lors du processus de
planimétrie inverse (IMRT). À noter que la nature des volumes
contourés varie d’un médecin à l’autre.
Des démarches de délégation de tâche ont été établies pour
autoriser la délinéation de certaines structures par des personnels
paramédicaux formés.
1.3 Système de planification
de radiothérapie (Treatment Planning
System TPS)
Un système de planification de traitement, couramment abrégé
TPS pour Treatment Planning System, est un logiciel permettant
de préparer un plan de traitement par irradiation en radiothérapie.
En radiothérapie externe, il permet de définir une balistique de
traitement grâce à l’acquisition préalable d’images tomodensito-
métriques d’un patient puis de simuler le dépôt de dose dans les
différents tissus de ces derniers.
1.4 Processus de l’IGRT : étapes
interconnectées de la planification
à la vérification de l’irradiation
Le processus d’IGRT comprend plusieurs étapes successives :
acquisition d’une image, qui fournit des informations sur la
position de la cible, de marqueurs ou de structures
d’évitement/organes à risque, puis l’acquisition et la mesure de
l’erreur entre la position initiale et celle de l’image recalée (calculs
manuels/visuels ou automatiques qui calculent le vecteur de dépla-
cement), puis un protocole de corrections des erreurs observées
(translations dans les trois axes, et/ou rotations avec table 6D par
exemple). Ce processus implique de nombreux acteurs et des sys-
tèmes informatiques performants (puissance de calcul, rétrocon-
trôles, stockage d’informations) ; il dépend de – ou est adapté à –
l’équipement de radiothérapie et fait interagir différents systèmes
complexes qui doivent être pilotés dans le cadre d’un programme
d’assurance qualité et de procédures qui garantissent la sécurité,
la fiabilité et la qualité du traitement.
2. Contexte de l’IGRT
2.1 Objectifs
L’IGRT doit permettre la conformité de la dose délivrée telle
qu’elle était planifiée ou souhaitée après adaptation au vu du
rétrocontrôle. De nombreuses études montrent qu’elle réduit les
incertitudes de repositionnement et permet parfois de visualiser
des changements anatomiques ou tumoraux, permettant des
corrections et adaptations. En revanche, le bénéfice clinique de
l’IGRT est difficile à démontrer car l’IGRT s’est d’emblée imposée
pour s’assurer de la bonne délivrance de l’irradiation. L’IGRT
s’intègre de fait dans une démarche d’assurance qualité (QA).
L’IGRT permettrait théoriquement :
– une réduction des marges de sécurité (PTV pour volume de
traitement planifié incluant, d’une part, les incertitudes géométri-
ques de repositionnement du patient et, d’autre part, un volume
cible interne ou ITV pour les organes mobiles) autour des volumes
cliniques cibles (CTV) ;
– une augmentation de la dose (délivrée telle que planifiée !) au
CTV liée à la réduction des marges d’incertitude, réduisant de fait
l’irradiation des tissus sains ;
– des traitements qui auparavant n’étaient pas possibles
(4D = foie).
Plus la technique d’irradiation délivre la dose avec de forts
gradients, plus l’IGRT s’impose.
Certaines limitations de l’IGRT doivent néanmoins être pesées :
dose additionnelle due à l’imagerie ionisante, temps de traitement
accru, potentielle invasivité lorsque des marqueurs implantés sont
nécessaires, surcoût, temps humain (disponibilité médicale ou
délégation des tâches)... L’IGRT requiert donc une mise en œuvre
structurée et une autoévaluation. Depuis 2010, les moyens
utilisables pour l’IGRT évoluent rapidement. Le choix de la moda-
lité peut être complexe et ce choix doit être concerté et multidisci-
plinaire (médecins physiciens, ingénieurs biomédicaux,
manipulateurs, administratifs, radiologues, etc.).
2.2 Niveaux de vérification
Il existe plusieurs niveaux de vérification faisant tous partie de
l’IGRT au sens large.
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2.2.1 Image
La plupart des modalités d’IGRT actuelles vérifient par recalage
la bonne superposition d’une image (et ses structures ou régions
d’intérêt) sur une autre, à l’aide de repères osseux et/ou de tissus
mous. La vérification des déplacements et déformations des pixels
ou voxels engendre, le cas échéant, des corrections de position et
peut induire une replanification lorsque celles-ci sont jugées
significatives par le binôme médico-physique. Cette replanification
nécessite un nouveau contourage des structures (volumes cibles et
organes à risque). Des programmes de contourage automatique
sont en développement pour faciliter les procédures de
recontourage qui sont très consommatrices de temps.
Nota : la replanification est une nouvelle planification du traitement pour prendre en
compte les modifications mises en évidence à l’aide de l’IGRT.
2.2.2 Dose avec développement de systèmes
de dosimétrie de transit
L’IGRT est capable de repositionner des voxels, mais la dose
déjà délivrée dans un voxel dépend de sa position et de sa densité
électronique qui peuvent varier avec les déplacements et déforma-
tions observés. La pratique la plus fréquente consiste à recaler de
façon rigide une dose résiduelle à délivrer sur une dose délivrée,
et elle est par conséquent inexacte. Des programmes de recalage
élastique, qui lui-même engendre d’autres types d’incertitudes de
la dose en fonction de la modification des voxels (position,
structures), sont actuellement à l’étude.
2.2.3 Radiothérapie adaptative
La radiothérapie adaptative prend en compte d’éventuelles
modifications anatomiques ou tumorales au cours du temps de
l’irradiation. La recherche de ces modifications est systématique
ou orientée sur des signes cliniques (amaigrissement en kilogram-
mes ou « bâillement » du masque de contention, etc.). Des modifi-
cations jugées significatives sur le plan dosimétrique et clinique
doivent induire une replanification du traitement initialement
prévu. L’IGRT est adaptative lorsqu’elle inclut ces modifications au
cours du temps. Ces adaptations nécessitent des systèmes de
recalage élastique, des outils informatiques avec forte puissance
de calcul, qui sont actuellement en développement. Restent des
incertitudes sur les modalités cliniques d’application.
3. Équipements utilisés
par l’IGRT : principes
techniques et physiques
Les équipements utilisés par l’IGRT sont multiples. Ils produisent
les images nécessaires aux radiothérapeutes grâce au couplage
d’une source émettrice et de sa cible ad hoc. Aujourd’hui, les
ordinateurs participent largement à l’IGRT, soit dans le processus
d’acquisition de l’information relative au positionnement du
patient, soit dans l’analyse de l’information recueillie dans le but
de délivrer les consignes de recalage.
3.1 Type de détecteurs
Les détecteurs utilisés sont de différents types, utilisant des prin-
cipes physiques également différents. Les détecteurs doivent être
rigoureusement calibrés et les distorsions d’images et artéfacts
éventuels pris en compte dans les processus d’IGRT.
3.1.1 Détection numérique des sources
de rayons X de faible énergie (50 keV)
Depuis le début des années 1990, il existe de nombreux procé-
dés de détection des rayons X en radiologie conventionnelle qui
ont pu être adaptés à l’IGRT, notamment les détecteurs à
conversion indirecte. Au contraire du détecteur à conversion
directe qui utilise, pour absorber les photons X, un photoconduc-
teur comme le sélénium (qui absorbe mal aux énergies supérieu-
res à 50 keV), le détecteur à conversion indirecte utilise, pour
absorber les photons X, un scintillateur comme le gadox (gadoli-
nium oxysulfide) ou le CsI (iodure de césium, figure 1).
Pour des petits détecteurs à conversion indirecte, on peut
remplacer l’électronique en silicium amorphe (sur verre) par un
capteur CCD, voire CMOS.
■Silicium amorphe embarqué ou non en flat panel ou en
couronne
Les photons X sont d’abord convertis en photons lumineux par
une couche de scintillation, puis en signal électrique. Le détecteur
est un support en verre recouvert d’une couche de silicium
amorphe sur laquelle est déposée une matrice de photodiodes et
de transistors TFT. Un écran fluorescent (scintillateur) d’iodure de
césium se trouve superposé à la matrice.
Son fonctionnement est donné dans les figures 1 et 2.
Figure 1 – Fonctionnement d’un détecteur à détection indirecte
Figure 2 – Fonctionnement de principe d’un détecteur
en silicium amorphe
Scintillateur
Photodiode
Rayons X
Rayons X
Lumière
Rayons X
Patient
Scintillateur (iodure de césium dopé au thallium)
photons du spectre lumineux
électrons
Électrons charge électrique
Matrice de photodiodes (semi-conducteur de silicium amorphe)
Procédé actif de connexion (thin film diode : TFD) activé
Amplification, multiplexage
CAD (convertisseur analogique/digital)
Photons du spectre lumineux
Rayons X
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