Article hadronthérapie pour le site « Groupe accélérateur » de la SFP Jean-Michel Lagniel Hadonthérapie Les hadrons sont des particules composites formées de quarks qui, contrairement aux leptons, sont sensibles à l'interaction forte. Il y a deux sortes de hadrons : les baryons (protons, neutrons…) et les mésons (pions, kaons…). Dans cet article, seul le domaine du traitement des cancers par faisceaux de protons ou d’ions sera abordé, on ne présentera pas les techniques de traitement utilisant d’autres types de hadrons (utilisation de neutrons – neutronthérapie - ou de pions par exemple). Les protons et les ions carbone sont en effet les deux ions de référence pour les projets en Europe et dans le reste du monde. Présentation de l’hadonthérapie par faisceaux de protons ou d’ions Le traitement du cancer par irradiation des tumeurs avec des protons ou des ions plus lourds (principalement des ions carbone) est une thérapie particulièrement prometteuse en raison de sa précision balistique et de ses effets biologiques spécifiques. Avantages balistiques Les protons et les ions, en se ralentissant dans la matière, perdent la plus grande partie de leur énergie en fin de parcours (pic de Bragg). On peut ainsi irradier seulement la tumeur en préservant les tissus sains qui l’entourent. Par rapport aux faisceaux de protons, les faisceaux d’ions plus lourds (carbones) ont l’avantage supplémentaire d’une plus faible diffusion radiale, leur précision balistique est donc meilleure dans le plan perpendiculaire à l’axe de propagation du faisceau. Pour traiter le volume de la tumeur, on fait varier l’énergie des ions de telle sorte que leurs parcours englobent l’épaisseur de la tumeur et on « balaie » le faisceau par un champ magnétique variable pour couvrir, dans les deux directions transverses, l’ensemble du volume de la tumeur. Tout ceci peut être réalisé avec une grande précision (environ 1 mm). Avantages biologiques L’énergie déposée dans le pic de Bragg à la fin de la trajectoire de l’ion est très élevée : le taux de destruction des cellules malades est très important. A même dose, les ions carbone sont entre deux et cinq fois plus efficaces que les rayonnements classiques ou que les protons. En conclusion, les tissus et les organes critiques autour de la tumeur sont préservés, les cellules cancéreuses sont détruites plus efficacement : la tumeur est mieux contrôlée. Il en résulte pour le patient un accroissement de sa durée de vie et une amélioration notable de sa qualité de vie puisque les effets secondaires de l’irradiation sont limités. Comparaison entre un traitement IMRT 4 champs (à gauche) et un traitement carbone 2 champs (GSI, à droite) Le volume cible est entouré en rouge Doses : rouge = 90 % … bleu = 10 % Nerf optique = OAR Parler de l’historique et des résultats obtenus Les accélérateurs pour l’hadonthérapie Pour les deux types de particules, l’énergie maximale de l’accélérateur est choisie pour permettre le traitement de tumeurs jusqu’à 20 - 25 cm de profondeur (profondeur du pic de Bragg) et le flux de particules à délivrer doit permettre des traitements les plus courts possible (temps d’immobilisation des patients maximum de l’ordre de 10 minutes). Le tableau ci-dessous donne des valeurs typiques. Energie maximale Nombre de particules par seconde Protons Carbones 200 - 250 MeV 400 – 430 MeV/u 1 – 4 1010 5 108 - 1 109 Ce sont des caractéristiques standard, voire relativement modestes, pour les accélérateurs construits pour la recherche en physique nucléaire dans le passé. Accélérateurs pour les faisceaux de protons (protonthérapie) Avec une énergie maximale des faisceaux de protons de 250 MeV, les centres de protonthérapie utilisent des synchrotrons ou des cyclotrons. Les synchrotrons, moins compacts que les cyclotrons, ont cependant l’avantage de permettre un ajustement aisé de l’énergie du faisceau produit. Les cyclotrons fonctionnent à énergie fixe (l’énergie maximale), il faut installer un dégradeur d’énergie et un spectromètre pour produire le faisceau à l’énergie désirée. Le premier centre dédié à la protonthérapie a été construit à Loma Linda en Californie (Proton Treatment Center, Loma Linda University Medical Center). L’accélérateur est un petit synchrotron (environ 6 m de diamètre) dessiné, construit et mis en service par l’équipe accélérateur du Fermilab. Plus de 10000 patients ont été traités depuis son premier fonctionnement en 1990. Le synchrotron de Loma Linda (USA) Pour les centres construits plus récemment aux USA, c’est un cyclotron qui est utilisé au Massachusetts General Hospital de Boston, à l’université de l’Indiana et à l’université de Floride, c’est un synchrotron qui a été choisi au MD Anderson Cancer Center de l’université du Texas (Houston). Le cyclotron de Boston (USA) Au Japon, 5 centres dédiés permettent des traitements avec des protons. Un synchrotron est utilisé à Hyogo (centre protons et carbones), à l’université de Tsukuba, à Shizuoka et au Wakasa Wan Energy Research Center. Un cyclotron est utilisé à Kashiwa. Le synchrotron du centre de Shizuoka (Japon) Parler Chine et Corée Wanjie Proton Therapy Center, Zibo, Chine Wanjie Irradiation Co LTD Protons 230 MeV, Cyclotron IBA, 3 gantries + 1 H Premier patient en décembre 2004 China-Japan Friendship Hospital, Beijing, Chine Protons 230 MeV, Cyclotron IBA, en attente de livraison Xian, Shanxi Province, Chine, Chang An Group (privé) Protons 230 MeV, Cyclotron IBA, National Cancer Center, Goyang-Si, Corée Protons 230 MeV, Cyclotron IBA 2 gantries + 1 H + 2 lignes recherche En Europe Premiers traitements en Suède (Uppsalla) immédiatement après les premiers traitements réalisés aux USA. Centre dédié à PSI Vue 3D et photo du cyclotron supraconducteur de PSI (250 MeV protons) Rineker Center à Munich Centre de Protonthérapie d’Orsay (CPO, Institut Curie) Le CPO utilise une installation construite autour d’un synchrocyclotron en 1957 pour la physique nucléaire. Le CPO est créé en 1989, les traitements des mélanomes de l’œil (70 MeV) ont commencé en 1991, ceux des tumeurs de la base du crane (200 MeV) en 1993. Photos du synchrocyclotron du CPO Un important programme de rénovation du CPO est en cours. Il consiste à installer un nouvel accélérateur pour remplacer le synchrocyclotron et à construire un bras isocentrique (gantry). L’objectif est de pouvoir traiter 700 patients par an à partir de 2008 (contre environ 350 patients en 2005 avec deux salles de traitement). Vue 3D du CPO rénové Accélérateurs pour les faisceaux d’ions -1- NIRS, Chiba, p, C, O, Ne…, 2 synchrotrons 2000 patients ions depuis 1994 -2- HIBMC, Hyogo, p + C, synchrotron 500 patients depuis 2001 (OK C mars 2005) -7- Gunma Prefecture, nouveau centre carbone « compact facility » (04-06) Liens http://ptcog.web.psi.ch/index.html Loma Linda : http://www.llu.edu/proton/ http://www.protontherapie-orsay.fr/ http://radmed.web.psi.ch/ http://www.rptc.de/ http://www.hibmc.shingu.hyogo.jp/english/aisatu-e_top.htm http://www.nirs.go.jp/ENG/rd/ikagaku_e.html