Axe 1.1: Aspects physiques

1.1. Vers un nouvel algorithme de transport pour la radiothérapie et la radiographie

L’étape de préparation des radiothérapies comprend le repérage des organes à traiter et à éviter sur des images médicales (IRM et scanner). Dans un deuxième temps, la dose de rayonnements est calculée à partir de systèmes de planification de traitement (TPS pour Treatment Planning system) sous la responsabilité des radiophysiciens. En routine hospitalière, l’évaluation de la distribution de dose dans les TPS est calculée à partir de systèmes utilisant des algorithmes de calcul simples mais robustes et rapides. Ces modèles ont été développés à partir de données expérimentales mesurées sur les faisceaux d’irradiation (algorithme de convolution/superposition, « Pencil-Beam » kernel). Les méthodes stochastiques (Monte-Carlo) restent encore très longs et ainsi pénalisants pour les temps de préparation des irradiations. Les outils logiciel les plus connus et disponibles dans le domaine public sont les codes MCNPX, GEANT 4 et PENELOPE. Un effort de développement est actuellement en cours sur le déploiement de méthodes Monte-Carlo « rapides » garantissant un rapport précision/coût acceptable.

1.2. Modèles déterministes aux moments développés au CELIA

Cette thématique du programme POPRA est motivée par le développement de nouveaux modèles dédiés à la simulation du transport et du dépôt d’énergie des particules énergétiques (ions, protons, électrons et photons) pour les systèmes de planification de traitement. Ces algorithmes dits « déterministes » basés sur la résolution de l’équation de Fokker-Plank, s’imposent comme une alternative aux méthodes habituelles car plus rapides que les méthodes statistiques de Monte-Carlo et plus précises que les algorithmes de type « Pencil-Beam ».

Le laboratoire CELIA dispose d’une solide expérience dans le domaine de la modélisation des phénomènes de transport et de dépôt d’énergie des électrons et des ions pour les études liées à la Fusion par Confinement Inertiel (FCI). Basées sur des méthodes de fermeture aux moments inspirées de la physique statistique (G. N. Minerbo (1979)), ces méthodes ont déjà démontré leur efficacité pour la modélisation du transport des photons (Dubroca B, Feugeas JL. C.R. Acad. Sci. Paris, Ser. I 329, 915 1999). Ces méthodes ont récemment été étendues au transport des électrons (R. Duclous et al. M. Phys. Med. Biol. 55, 3843, 2010), des protons et des ions. Les premiers résultats ont montré que l’algorithme aux moments développé au CELIA conduit à des calculs de meilleure qualité dans les tissus hétérogènes (os cortical, poumon ou vertèbres) comparativement à des logiciels commerciaux de type « Pencil Beam ». La figure ci-contre montre par exemple l’isodose de dépôt d’électrons (rouge) se propageant à travers le torse dont on voit les os (en gris).Nous souhaitons proposer, au terme des cinq années, un outil rapide et fiable, prêt à être soumis à une phase d’industrialisation et de diffusion technologique.

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1.3. Algorithme d’optimisation : une différente optimisation du problème inverse

La mise au point d’un traitement en radiothérapie requiert la résolution d’un problème d’optimisation qui nécessite la résolution du problème inverse. La configuration optimale des faisceaux d’irradiation doit être trouvée afin d’obtenir la dose désirée au sein de la tumeur. Actuellement cette étape d’optimisation requiert une expérience pratique de la part des physiciens médicaux pour la validation clinique des calculateurs utilisés durant cette phase (Tervo 2008). Cependant des limitations importantes existent sur l’efficacité et la souplesse d’utilisation des logiciels d’optimisation commerciaux existants.

La stratégie d’optimisation la plus communément adoptée est de calculer les configurations possibles des faisceaux d’irradiations. De plus, dans les logiciels médicaux de prévision de dose actuels, le nombre de paramètres de contrôle pour rendre la phase d’optimisation efficace est trop important. Ainsi une prévision de traitement IMRT pour le cancer de la prostate demande un calcul itératif de plusieurs heures rendant inapplicable l’adaptation du traitement en temps réel.

Le nouvel algorithme d’optimisation est basé sur la prise en compte de l’équation de transport de Boltzmann permettant d’utiliser une optimisation interactive beaucoup plus efficace. Il devient aussi possible par exemple d’évaluer la probabilité de contrôle biologique de la tumeur (TCP). Des premiers résultats ont été obtenus et sont décrits dans (Barnard 2012).

Les méthodes utilisées jusqu’à maintenant pour calculer un écart minimum entre la dose déposée et une dose optimale théorique reposent sur des méthodes de descente de gradient. Les premières simulations numériques montrent que la vitesse de convergence est très lente. Ceci est expliqué par le fait que les méthodes de descente de gradient utilisées sont du premier ordre et donc très longues pour chaque option d’optimisation.

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2. Mesure des spectres des faisceaux des appareils de radiothérapie

La radiothérapie utilise souvent des photons X (dits de Bremsstrahlung) créés lors du ralentissement de faisceaux d’électrons dans un convertisseur constitué de matériaux de Z élevés. Dans les hôpitaux, ces faisceaux d’électrons sont générés à l’aide d’accélérateurs commerciaux, avec une énergie cinétique bien définie à leur sortie. À titre d’exemple, cette énergie peut être variée de 6 à 18 MeV pour l’accélérateur utilisé à l’hôpital Bergonié. Dans le cadre des traitements de radiothérapie, les doses locales délivrées au patient par irradiation avec les faisceaux d’électrons ou d’X sont monitorées à l’aide de chambres à ionisation. Les propriétés et caractéristiques précises des faisceaux utilisés (nombre de particules, homogénéité, distribution en énergie, distribution spatiale) ne sont pas connues ni au niveau du patient ni dans son environnement immédiat. Les hôpitaux disposent seulement de données succinctes fournies pour la source située à plus d’un mètre du patient et ne disposent ni de méthodes expérimentales simples pour réaliser des mesures indépendantes des constructeurs industriels ni de la géométrie détaillée des appareils qui permettrait de calculer les caractéristiques des faisceaux produits de façon fiable. Ceci est un frein au développement de plans de traitement plus précis et plus performants basés sur de nouveaux algorithmes de calcul de doses déposées dans le patient.

Ces données sont par ailleurs aussi nécessaires pour évaluer la dose intégrale reçue par le patient. L’importance de l’évaluation de la dose intégrale reçue par le patient lors d’une radiothérapie est justifiée par le fait que les effets gênants tardifs de la radiothérapie sont non seulement dus aux doses élevées délivrées dans les champs d’irradiation, mais résultent également des plus faibles doses reçues au voisinage et à distance des volumes à traiter, à cause du rayonnement diffusé par le patient, par le système de collimation, etc. Les progrès réalisés dans les techniques de radiothérapie, et l’amélioration des protocoles de traitement, n’éliminent pas ce rayonnement. Par exemple, la radiothérapie par modulation d’intensité (IMRT) impliquant à la fois une augmentation de la durée d’irradiation et du nombre de faisceaux entraîne une augmentation du volume de tissus sains périphériques recevant des faibles doses. Cela pourrait conduire à une augmentation du risque de seconds cancers radio-induits au niveau de ces tissus périphériques.

Il est donc indispensable de pouvoir évaluer la dose aux tissus sains à distance des faisceaux de radiothérapie (dose intégrale, corps-entier). Cette évaluation sera nécessairement basée sur des simulations. Pour cela, il est primordial de vérifier la fiabilité des codes utilisés en réalisant des mesures précises et différenciées des différents rayonnements en présence.

Un programme de recherche est en cours dans le groupe ENL du CENBG qui consiste à répondre au problème général de la caractérisation de faisceaux d’électrons et d’X créés lors du ralentissement de faisceaux d’électrons dans un convertisseur constitué de matériaux de Z élevés, processus à l’origine des sources de rayonnements X utilisés dans les hôpitaux pour la radiothérapie externe.

Un premier travail a été effectué dans le cadre du projet IOPRA et de la thèse de J Caron, autour de la mesure des spectres d’électrons utilisés en radiothérapie. Lors de ce travail, la distribution en énergie des électrons de 9 MeV délivrés par l’accélérateur médical VARIAN21Ex de l’institut Bergonié a été mesurée dans le plan du patient, à un mètre de la sortie de l’appareil. Ces mesures ont été réalisées avec un spectromètre magnétique équipé de films imageurs (IP). La composante directe du faisceau d’électrons a été mesurée à 8,8 ± 0,1 MeV dans le plan du patient. Ces résultats ont fait l’objet d’une communication à la SFPM en 2010 (1). Ils ont également été présentés à la conférence internationale GEANT4 qui a eu lieu à Bordeaux en octobre 2013 et devraient être publiés dans Physics in Medecine and Biology dans le cadre d’un volume spécial dédié à cette conférence (2). Ces données absolues sont aussi utilisées comme entrées pour les algorithmes de calcul de dose élaborés au CELIA.

Un second travail consiste à développer une méthode de caractérisation des faisceaux de photons utilisés en radiothérapie X ou qui sont créés de façon annexe lors de radiothérapies par électrons. Différents scénarios de mesure des faisceaux d’X sont en cours d’évaluation dans le cadre du projet POPRA et d’un post doctorat financé par la région Aquitaine (2013-2014). En particulier un détecteur basé sur l’effet Compton est en cours d’étude à l’aide de simulations Monte Carlo. Les photons à mesurer sont collimatés et envoyés sur une cible de Béryllium. Les électrons créés par effet Compton dans cette cible sont détectés après dispersion dans un spectromètre magnétique. Une géométrie optimale source – cible – spectromètre – détecteur est en cours de définition. Le travail porte en particulier sur la finalisation des blindages nécessaires pour protéger le détecteur des photons directs émis depuis la source. Un premier spectromètre, construit à l’aide d’éléments disponibles au CENBG sera testé et validé d’ici la fin de l’année 2014 sur les accélérateurs de l’Institut Bergonié. La construction d’un détecteur prototype devrait intervenir en 2015.

 

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