La protonthérapie à l‘Institut Paul Scherrer Protonthérapie au PSI pour les tumeurs de l’œil (OPTIS). La tête des patients est immobilisée avec un masque et un porte-empreinte dentaire. L’irradiation proprement dite de la tumeur de l’œil dure moins d’une minute. Il est nécessaire de pratiquer quatre irradiations durant quatre jours consécutifs. 3 La protonthérapie à l’Institut Paul Scherrer L’objectif de la radiothérapie à l’Institut Paul En 1984, pour la première fois, des tumeurs de Scherrer (PSI) est la destruction du tissu tumoral l’œil ont été irradiées avec des protons au PSI. au moyen de particules chargées appelées pro- L’installation utilisée pour ce faire était la première tons. Les protons se prêtent particulièrement bien de ce genre en Europe. Fin 1996 a été mis en service à la radiothérapie car ils exercent l’essentiel de au PSI le premier bras isocentrique (Gantry)pour leurs effets dans les profondeurs de l’organisme, l’irradiation des tumeurs profondes. Grâce au au niveau de la tumeur. Grâce à une technique développement en cours de la technique d’irradi- d’irradiation unique au monde, la nouvelle ins- tion, à l’avenir également des tumeurs mobiles tallation de protonthérapie du PSI permet d’adap- pendant la durée du processus d’irradiation (p.ex. ter très précisément la dose de radiation à la les cancers du sein ou des poumons) devront forme de la tumeur, la plupart du temps irrégu- pouvoir être traitées avec une très haute précision. lière, et de préserver encore mieux le tissu sain En matière d’avancées technologiques de la pro- qu’avec les techniques modernes usuelles de tonthérapie, le PSI est numéro un mondial et c’est radiothérapie. donc lui qui donne les tendances pour le traitement des tumeurs cancéreuses par radiothérapie. Installation OPTIS pour l’irradiation des tumeurs de l’œil avec des protons. Une fois les faisceaux de protons ajustés avec précision sur la tumeur de l’œil, l’irradiation est réalisée. Jusqu’à présent, plus de 5000 patientes et patients ont bénéficié de cette thérapie au PSI. 4 LA PROTONTHÉRAPIE À PSI La radiothérapie et son importance permet de réduire considérablement ou d’éviter les effets secondaires à court et à long terme. En Europe, une personne sur trois souffrira proba- La thérapie par rayonnement, aussi appelée blement d’un cancer au cours de son existence. radiothérapie, est, comme la chirurgie, une Chaque année, rien qu’en Suisse, environ 30 000 méthode de traitement locale qui lutte donc contre personnes apprennent qu’elles ont un cancer. des tumeurs «géographiquement limitées». Elle Parmi elles, environ 70 % auront besoin pendant ne peut pas être remplacée par des thérapies leur maladie de radiothérapie. Aujourd’hui, un peu devant agir sur l’ensemble de l’organisme (notam- plus de 45 % de l’ensemble des tumeurs diagnos- ment pour le traitement des métastases), comme, tiquées sont curables, ce qui signifie qu’à l’issue par exemple, la chimiothérapie et l’immunothéra- du traitement, les personnes concernées vivent pie (thérapies systémiques). plus de cinq ans sans récidive cancéreuse. Environ La radiothérapie est une forme de traitement 22 % doivent leur guérison à la chirurgie, environ dans laquelle les cellules tumorales sont détruites 12 % à la radiothérapie, environ 6 % à une combi- soit par des rayons X ou gamma (thérapie par naison de ces deux méthodes et environ 5 % photons), soit par des faisceaux de particules (tumeurs métastasées et non localisées) à d’autres (protonthérapie par exemple). Toutes les amélio- techniques et combinaisons de traitements, rations de la radiothérapie visent à détruire la chimiothérapie comprise. totalité de la tumeur tout en préservant de mieux La radiothérapie constitue donc une forme de en mieux les tissus sains. traitement importante, qui est souvent la seule Au cours des 20 dernières années, de grands possible pour les tumeurs non opérables. Le trai- progrès ont été faits dans le domaine de la radio- tement des tumeurs primaires augmente les chan- thérapie conventionnelle. Cependant, avec la pro- ces de guérison et donc l’espérance de vie. Il est tonthérapie, il est possible de parvenir à des d’autant plus important de procéder à la radiothé- résultats encore nettement meilleurs pour certai- rapie en ciblant les tissus malades avec la plus nes indications et localisations de tumeurs. De grande précision possible et en irradiant le moins plus, les progrès faits au PSI montrent que les possible les cellules saines de l’organisme. Cela possibilités d’amélioration sont encore loin d’être épuisées. Comment agit la radiothérapie? Une meilleure radiothérapie Si une particule chargée, par exemple un proton, signifie traverse une cellule ou s’immobilise dans celle-ci, • adaptation plus précise de la l’énergie qu’elle y dépose (dose) endommage le dose de radiation à la forme noyau de la cellule. Cependant, la cellule peut, de la tumeur • dose de radiation plus élevée dans certains cas, réparer ces dommages. Tout dans le volume cible (tumeur l’art de la radiothérapie consiste à administrer une plus marge de sécurité) dose telle que les cellules tumorales n’aient aucune • diminution de l’exposition chance de se réparer et meurent toutes, sans des structures organiques exception, et que les cellules saines subissent, par saines aux rayons contre, le moins possible de dommages et puissent • chances de guérison durable plus importantes • effets secondaires moins importants • meilleure qualité de vie • coûts du traitement raisonnables se remettre sans problème. Au PSI, protonthérapie des tumeurs de l’œil avec un La dose de radiation mesure l’énergie absorbée faisceau de protons spécial de faible profondeur de dans un matériau, par exemple dans les tissus. pénétration (OPTIS). Ces photographies de l’intérieur de l’œil, réalisées à travers la pupille, montrent un exemple Cependant, les effets biologiques des rayons ne de guérison: en haut avant le traitement protonique, en dépendent pas uniquement de la quantité d’éner- bas, un an après: la tumeur s’est résorbée. gie, mais aussi de la façon dont l’énergie est LA PROTONTHÉRAPIE À PSI 5 déposée dans les cellules. La dose d’énergie est toujours mesurée en grays (Gy). Une dose thérapeutique typique pour la destruction d’une tumeur est de 60 à 70 Gy environ. En radiothérapie, elle est administrée en plusieurs fractions (environ 30 à 40 fractions au total) sur plusieurs journées successives. La protonthérapie dans le monde et au PSI La protonthérapie repose sur plus de 50 ans d’ex- Protonthérapie des tumeurs périence des effets biologiques des faisceaux de profondes sur la Gantry 1. protons sur les cellules malades et saines du corps. En 1954, un patient a été traité pour la première fois au Lawrence Berkeley Laboratory, en Californie sont en service, trois d’entre elles peuvent unique- (Etats-Unis), et le premier programme européen ment traiter les tumeurs de l’œil. A l’heure actuelle, de protonthérapie s’est déroulé de 1957 à 1976 à dans le monde entier, plus de 30 projets de pro- Uppsala (Suède). En 1961, l’Harvard Cyclotron tonthérapie, dont une dizaine environ en Europe, Laboratory et le Massachusetts General Hospital sont en cours d’élaboration ou à un stade avancé de Boston, aux Etats-Unis, ont lancé un projet de de planification. Aujourd’hui, plus de 10 000 protonthérapie. En 1984, des traitements de méla- patientes et patients par an, essentiellement celles nomes oculaires ont eu lieu pour la première fois et ceux souffrant de tumeurs de l’œil, de tumeurs en Europe, au PSI, dans l’installation OPTIS spé- au cerveau et dans la région de la tête, du bassin cialement conçue à cet effet. et de la colonne vertébrale, sont traités avec des La première installation de protonthérapie mise en service dans une clinique l’a été au Loma protons dans environ 35 centres situés dans le monde entier. Linda City University Medical Center, en Californie, L’expérience clinique acquise avec les protons en 1990. Depuis 1999, après une phase de mise a montré que la précision spatiale de l’irradiation au point et d’essais de presque 10 ans, quelque contribuait souvent de manière décisive au succès 1500 patientes et patients y bénéficient chaque de la thérapie. Comme la technique développée année régulièrement de la protonthérapie. au PSI permet une irradiation d’une précision très Aujourd’hui, dans le monde entier, plus de 35 élevée, c’est elle qui, dans le monde entier, a donné centres sont en service et plus de 80 000 patients l’exemple pour l’amélioration de la protonthérapie. ont déjà été traités par protonentherapie, presque La quasi-totalité des installations en phase de 10 % d’entre eux au PSI. planification ou en cours de construction misent Au début des années 90 a été développée au aujourd’hui sur la technique Scanning, utilisée PSI la technique dite Spot Scan pour le traitement pour la première fois au PSI. Ce succès ne reposait des tumeurs profondes par protonthérapie. La pas seulement sur des accélérateurs appropriés technique du PSI est supérieure aux méthodes et des spécialistes expérimentés, mais aussi, pour d’irradiation par protons utilisées dans les autres beaucoup, sur l’environnement interdisciplinaire centres. Elle permet une meilleure préservation du PSI et sur le contexte expérimental particulier des tissus sains. Depuis 1996, sont traités au PSI que constitue la recherche physique fondamentale. grâce à cette méthode extrêmement précise des L’équipe du PSI dispose aujourd’hui de plus patientes et patients souffrant de tumeurs parti- de 25 ans d’expérience dans le domaine de la culièrement difficiles à irradier. En Europe, outre protonthérapie. Jusqu’à la mi-2011, presque 6000 le PSI, six autres installations de protonthérapie tumeurs de l’œil et plus de 750 tumeurs profondes Vue sur l’intérieur du cyclotron COMET (photo d’archives du temps de la construction). Dans cette machine, les protons sont accélérés de l’intérieur vers l’extérieur à 180 000 kilomètres par seconde sur des trajectoires en spirale. LA PROTONTHÉRAPIE À PSI ont été traitées au PSI. Avec un taux de guérison Atome d’hydrogène des tumeurs de plus de 98 % pour les mélanomes Les protons, chargés positivement, e– de l’œil irradiés, la réussite de cette thérapie est particulièrement impressionnante. Pour les p+ 7 Electron sont des composants de la matière. On obtient des protons libres en ionisant des atomes d’hydrogène Proton dont le noyau est composé d’un patientes et patients traités sur la Gantry proto- proton (l’électron de l’enveloppe nique, dont environ un tiers d’enfants et d’adoles- électronique est enlevé). cents, les résultats des thérapies sont également très encourageants, avec un taux de contrôle des tumeurs qui, dans la plupart des cas, dépasse 80 %. vement peu importante, les protons perdant ainsi de plus en plus de leur vitesse. Parvenus au bout de leur portée, ils s’immobilisent et libèrent l’es- Physique et technique de la protonthérapie sentiel de leur dose. Ainsi se produit un pic de dose, le pic de Bragg, au-delà duquel la dose tombe à zéro sur une distance de quelques milli- Les protons sont des particules élémentaires por- mètres. tant une charge positive. Ils peuvent donc être Les protons déposent donc la plus grande défléchis et focalisés dans des champs magnéti- partie de la dose de radiation directement dans la ques pour former un faisceau de la forme voulue. tumeur sous forme de tache ou de spot et affectent Contrairement aux photons utilisés actuellement nettement moins que les photons les tissus sains en radiothérapie, la profondeur de pénétration des situé entre la surface du corps et la tumeur. protons dans l’organisme est parfaitement déter- L’évolution de ces doses est représentée dans minée et délimitée avec précision. Les photons le graphique ci-dessous pour un fin faisceau- cèdent l’essentiel de leur dose d’énergie immé- crayon individuel de protons. La partie inférieure diatement après avoir pénétré dans l’organisme, de la figure montre également qu’avant d’atteindre entraînant ainsi une forte irradiation concomitante le volume cible, les protons libèrent une dose des tissus sains. La portée des protons dépend de nettement moins importante que les photons. Au leur vitesse initiale et du matériau qui les freine delà du volume cible, les tissus sont considérable- plus ou moins. Entre la surface du corps et le point ment irradiés par les photons, et pratiquement pas d’arrêt, le matériau n’absorbe qu’une dose relati- par les protons. Surface du corps Volume cible Faisceau-crayon individuel de protons γ Spot Photon Dose de radiation d’un faisceau100% p+ crayon de protons en fonction de Photons sa pénétration dans l’organisme. La portée de ces protons est de 25 cm. Dose Proton Pic de Bragg (spot) 50% Arrêt En haut, la répartition des doses sous forme de courbes de niveaux, Protons en bas, les valeurs des doses en Les photons (ondes électromagnétiques) et les protons (particules chargées) se comportent d’une manière très différente. 10% fonction de la profondeur, 0 10 20 30 Profondeur 40 cm comparées avec l’évolution d’une dose de photons. Le nouveau cyclotron accélérateur de protons compact COMET du PSI lors de son montage. C’est la machine la plus compacte du monde de ce type pour la protonthérapie, conçue par des physiciens du PSI. Dans la partie inférieure de l’image, le faisceau de protons est extrait du cyclotron et dirigé vers les lieux de traitement en quelques millièmes de seconde. LA PROTONTHÉRAPIE À PSI La technique Spot Scan du PSI 9 Avec la technique de traitement du PSI, le faisceau-crayon de protons est commandé par des Les protons accélérés par le cyclotron COMET sont ordinateurs de façon que le spot à forte dose se concentrés dans un faisceau de 5 à 7 mm environ trouve exactement à l’endroit voulu dans la tumeur de largeur (spot). Des aimants dévient les protons pour une durée fixée avec une extrême précision. vers l’appareil d’irradiation, la Gantry, et de là vers Grâce à la superposition de nombreux spots diffé- le patient, sur la tumeur. Les spots hautement rents – pour un volume d’un litre, il en faut environ dosés balaient pas à pas la tumeur dans chacune 10 000 – la tumeur est exposée uniformément aux des trois dimensions de l’espace (scanning). Sur doses de radiation voulues, celles-ci étant contrô- la Gantry 1, la profondeur de pénétration du spot lées individuellement pour chaque spot. Cela de protons est commandée par un système de permet une irradiation extrêmement précise plaques en matière synthétique, intercalées sur la s’adaptant au mieux à la forme de la tumeur, irré- trajectoire du faisceau. Ces mouvements ne durent gulière dans la plupart des cas. Nous appelons que quelques millisecondes. Les différentes lignes cette méthode – une radiothérapie dynamique de la tumeur sont irradiées couche par couche, et adaptée en trois dimensions – technique Spot pendant que la table mobile du patient évolue Scan. Utilisée au PSI depuis 1996 pour le traite- lentement, par pas de 5 mm, dans la zone d’irradiation, les spots balaient toutes les dimensions spatiales. Dans la nouvelle Gantry 2, une technique de scanning avancée est utilisée: la déflexion du faisceau vers la tumeur s’effectue simultanément en deux dimensions et le changement d’énergie a lieu dans ce que l’on nomme le «degrader» (atténuateur), à la sortie du cyclotron, en quelques fractions de seconde. Principe de la technique Spot Scan développée au PSI. Grâce au décalage et à la superposition des spots de doses d’un faisceaucrayon de protons, il est possible Le plan thérapeutique montre, sur l’exemple d’une d’avoir des répartitions de dose tumeur au cerveau, la précision particulière de la de n’importe quelle forme et la technique Spot Scan. La dose est adaptée individuelle- dose peut être adaptée en trois ment à tous les niveaux de la délimitation concernée dimensions, d’une manière parti- (en jaune). Les tissus situés en dehors de la tumeur sont culièrement précise, à la forme dans une large mesure préservés. de la tumeur. En haut: Gantry protonique 1: vue du dessus des aimants de la Gantry, pesant plusieurs tonnes, qui focalisent le faisceau de protons et le guident vers le point thérapeutique. L’installation pèse plus de 100 tonnes et peut, dans son ensemble, être pivotée au millimètre près. En dessous: la coupe longitudinale de la Gantry protonique 1 montre le principe du guidage du faisceau de protons et la position des trois éléments de guidage: aimant déflecteur pour la déflexion (balayage) du faisceau (1), plaques en matière synthétique pour la variation de la profondeur de pénétration des protons dans le corps (2), table mobile supportant le patient pour l’irradiation par couches (3). 1 2 3 LA PROTONTHÉRAPIE À PSI ment de patients cancéreux, elle est unique au aimants de déflexion guident en deux dimensions, monde et permet d’irradier la tumeur avec une très et avec une énergie fixée au préalable, le faisceau grande précision tout en ayant un impact sur de protons vers la tumeur, et une couche de cette l’environnement sain beaucoup plus faible que la tumeur est ainsi irradiée. En quelques fractions de thérapie par photons conventionnelle. seconde, l’énergie peut être modifiée, ce qui per- 11 met d’irradier la couche suivante dans la tumeur. De la sorte, la tumeur est «scannée» en trois Gantry 2 pour l’irradiation des tumeurs mobiles dimensions. Compte tenu de la vitesse élevée de la déflexion du faisceau et de la modification d’énergie, la tumeur peut être irradiée plusieurs A l’avenir, sur la Gantry 2, les tumeurs qui bougent fois dans un temps minimum, la durée d’irradiation au cours de l’irradiation (p. ex. les tumeurs des totale restant courte. Le «scanning» multiple du poumons ou des seins) pourront également être volume de la tumeur permet une répartition très irradiées d’une manière très précise grâce à la homogène de la dose, y compris lorsque la tumeur technique de scanning. Dans cette Gantry, des bouge au cours de l’irradiation. La station d’irradiation Gantry 2 en cours de montage. La figure montre l’ensemble technique de l’installation de protonthérapie du PSI. Pour le traitement des tumeurs profondes, les protons sont accélérés de manière à atteindre environ 180 000 kilomètres par seconde dans l’accélérateur, le cyclotron COMET. Grâce à un système de guidage des faisceaux, les protons accélérés traversent un tube d’extraction pratiquement vide d’air et sont dirigés en moins d’un millième de seconde par des électro-aimants vers les stations thérapeutiques (Gantry 1, Gantry 2 et OPTIS 2), où ils sont guidés vers la tumeur du patient avec une énergie et une direction d’irradiation fixées avec une extrême précision. Le faisceau de protons, guidé par ordinateur, dépose la dose prévue et calculée à l’avance, détruisant ainsi les cellules tumorales. Cyclotron COMET Guidage du faisceau Optis 2 Gantry 1 Gantry 2 LA PROTONTHÉRAPIE À PSI Déroulement de la protonthérapie au PSI de la thérapie, des contrôles de suivi périodiques sont réalisés pendant plusieurs années. La plupart des patientes et des patients suivent A l’instar de la thérapie par photons traditionnelle, un traitement ambulatoire. Dans de rares cas, ils la protonthérapie est pratiquée en plusieurs frac- sont admis dans l’un des hôpitaux situés à proxi- tions jour après jour. En règle générale, un traite- mité du PSI. Pendant les fractions successives de ment dure six à huit semaines (environ 30 à 40 la thérapie, les enfants en bas âge sont anesthé- séances). Les patientes et patients sont, dans la siés, une équipe d’anesthésistes de l’hôpital pour plupart des cas, adressés par des cliniques uni- enfants de Zurich se rendant régulièrement au PSI versitaires et des hôpitaux suisses et étrangers. pour ce faire et accompagner la thérapie. Au PSI, ils sont suivis par une équipe expérimentée La sélection des patients est faite par l’équipe formée de radio-oncologues, de physiciens médi- de médecins du PSI sur la base de l’avantage caux et d’autres professionnels spécialisés. Après médical supplémentaire attendu, par expérience, la réalisation de la couche individuelle dans de la protonthérapie. En Suisse, l’assurance mala- laquelle s’allongera le patient et la prise des clichés die obligatoire prend actuellement en charge le de tomographie qui lui fait suite avec les appareils traitement des indications suivantes: de tomodensitométrie, l’équipe de médecins du • mélanomes intraoculaires (irradiation des PSI délimite les doses pour chacun des niveaux de la tumeur, c’est-à-dire le volume cible en trois dimensions, avec une marge de sécurité. C’est sur tumeurs de l’œil dans l’installation OPTIS) • méningiomes (bénins et malins), gliomes peu avancés ces préparatifs que repose la planification de la • tumeurs situées dans la région de la base du thérapie, pour laquelle, à l’aide des programmes crâne et dans la région du cou, du nez et des informatiques développés à cet effet au PSI, cha- oreilles (tumeurs ORL) cun des réglages du dispositif d’irradiation est • sarcomes, chordomes et chondrosarcomes calculé à l’avance, optimisé et enregistré dans un • tumeurs des petits enfants (incluant une anes- bloc de données, ainsi que la répartition des doses thésie), des enfants et des adolescents qui en résulte. Lors de chaque séance thérapeutique, la position de la tumeur et celle du patient dans sa couche D’autres indications sont étudiées au PSI et dans individuelle sont vérifiées par rayons X. A l’issue d’autres centres. Tumeur dans la région de la tête d’un enfant de 7 ans traité par rayons au PSI. Plan d’irradiation pour la radiothérapie avec thérapie par photons conventionnelle moderne (à gauche) et avec protonthérapie au PSI (à droite). L’irradiation par photons génère un «bain de dose» dans une grande partie du cerveau et touche également le tronc cérébral et les nerfs oculaires. La protonthérapie permet d’éviter cela. 13 Gantry 2, avec aimant de déflexion à 90° intégré et tête d’irradiation (la personne sur la photo n’est pas un patient). LA PROTONTHÉRAPIE À PSI Pour préparer et réaliser une protonthérapie, mité d’organes critiques ont été traités sur la l’équipe de médecins doit être en possession de Gantry 1. Depuis 1984, presque 6000 patients la totalité des informations disponibles, y compris souffrant d’une tumeur oculaire ont été traités par les examens préalables, l’histoire du malade et les protons avec succès sur l’installation OPTIS. clichés radiographiques. De plus, un contact direct Depuis 2010, une nouvelle installation OPTIS avec les médecins qui lui adressent le patient est (OPTIS 2) est à disposition. Après la mise en ser- très important car il permet de garantir un bon vice de la Gantry 2 (à partir de 2012), environ 500 suivi avant et après la thérapie au PSI. patients atteints de tumeurs pourront bénéficier Jusqu’à la mi-2011, plus de 750 patientes et 15 de la protonthérapie au PSI chaque année. patients souffrant de tumeurs profondes à proxi- Mentions légales Le positionnement exact du patient, particulièrement important pour la protonthérapie, est garanti de plusieurs manières: grâce à une couche individuelle adaptée à sa morphologie, grâce à la table supportant le patient, guidée Conception/rédaction d’une façon très précise, et grâce au contrôle du positionnement, réalisé par TDM (tomodensitométrie) et rayons X. Martin Jermann, PSI Dagmar Baroke, PSI Photos Institut Paul Scherrer H.R. Bramaz, Lieli Alain Herzog, Source: Conseil des EPF Maquette / impression Institut Paul Scherrer Réproduction avec indication de la source autorisée, exemplaire justificatif souhaité. Disponible auprès de Institut Paul Scherrer Services de communication 5232 Villigen PSI, Suisse Téléphone +41 56 310 21 11 Internet www.psi.ch Pour l’irradiation, les enfants en bas âge sont anesthésiés afin que la tumeur reste dans une position fixe. Chez eux, www.protontherapy.ch la protonthérapie présente des avantages particuliers car leur organisme réagit d’une façon particulièrement sensible aux rayonnements. Villigen PSI, septembre 2011 Protonentherapie_f, 10/2011 Le PSI en bref L’Institut Paul Scherrer PSI est un centre de recherche pour les sciences naturelles et les sciences de l’ingénieur. Au PSI nous faisons de la recherche de pointe dans les domaines de la Matière et Matériaux, l’Homme et la Santé, ainsi que de l’Energie et l’Environnement. Nous associons recherche fondamentale et recherche appliquée pour élaborer des solutions durables répondant à des questions centrales de la société, de la science et de l’économie. Avec environ 1400 postes équivalents à plein temps, nous représentons l’institut de recherche le plus important de Suisse. Nous développons, construison et exploitons de grandes installation de recherche complexes. Chaque année, nous accueillons environ 2000 chercheurs invités venant de Suisse, mais aussi du monde entier. Tout comme les scientifiques du PSI, ils effectuent sur nos installations uniques des expériences qu’ils ne pourraient effectuer nulle part ailleurs. Contacts Centre de protonthérapie Interlocuteur pour les journalistes: Secrétariat Dagmar Baroke Tél. +41 56 310 35 24 Tél. +41 56 310 29 16, Fax +41 56 310 27 17 [email protected] [email protected] Paul Scherrer Institut, 5232 Villigen PSI, Suisse Tél. +41 56 310 21 11, Fax +41 56 310 21 99 www.psi.ch, www.protontherapy.ch