Détermination de la dose absorbée dans le cas des petits champs avec et sans hétérogénéités pour des faisceaux de photons de haute énergie

Introduction

 La radiothérapie est une technique importante du traitement du cancer qui vise l’éradication des cellules tumorales à partir des rayonnements ionisants. Elle peut être utilisée seule ou combinée à la chimiothérapie et à la chirurgie et son objectif principal est de délivrer le maximum de dose absorbée à la tumeur tout en en épargnant les tissus sains environnants. Différentes techniques de traitement ont émergé au cours des dernières décennies permettant une meilleure prise en charge des patients atteints du cancer telles que la radiochirurgie intracrânienne (SRS) et la radiothérapie stéréotaxique extra-crânienne (SBRT). Elles consistent toutes les deux à délivrer, à l’aide d’un système de collimation, des doses absorbées élevées à un ou plusieurs volumes cibles de petits volumes par un faible nombre de séances. Ces techniques permettent ainsi de traiter de façon non invasive des tumeurs situées à proximité des organes à risque. Les distributions de doses absorbées sont caractérisées par une dose absorbée élevée dans les volumes cibles et associées à un fort gradient de doses absorbées en bordure du champ, permettant une meilleure protection des tissus sains avoisinants. Afin de préserver l’efficacité de ces fortes doses absorbées, il est nécessaire de garantir une haute précision dans la planification et la délivrance des faisceaux d’irradiation [Benedict et al. 2010; ICRU Report 91 2014] Bien que les techniques SRS et SBRT représentent une évolution majeure dans le domaine de la radiothérapie, plusieurs problèmes sont présents notamment dus à la taille de champ rencontrée qui implique un manque d’équilibre électronique latéral quand le parcours des électrons secondaires devient comparable à la taille de champ. Cette condition est exacerbée pour les milieux de basse densité essentiellement les poumons. L’utilisation de dose absorbée forte avec des gradients importants ainsi que la gestion des hétérogénéités demandent une grande précision au niveau de la mesure et du calcul de dose absorbée. Dans ce contexte, il est primordial de maitriser la dosimétrie des petits champs pour l’essor des nouvelles techniques. La délivrance précise d’une dose prescrite à une cible définie dépend de la précision avec laquelle le faisceau a été étalonné dans des conditions de référence dans un milieu homogène équivalent eau et de la possibilité de calculer la dose absorbée en tout point d’un patient en fonction de cette dose absorbée de référence pour un faisceau quelconque. Introduction 2 Deux problèmes majeurs sont rencontrés dans la dosimétrie des petits champs. Le premier est lié aux mesures des données dosimétriques de base nécessaires pour le paramétrage du système de planification de traitement (TPS), en particulier les rapports d’ouverture du collimateur qui sont très différents selon le type de détecteurs utilisé [Benmakhlouf, Sempau, and Andreo 2014; Das et al. 2000; Das, Ding, and Ahnesjö 2008; O’Brien, Leon-Vintro, and McClean 2015; Underwood et al. 2015]. Le deuxième réside dans la capacité des algorithmes à calculer précisément la dose absorbée dans les conditions de petits champs dans les milieux homogènes et hétérogènes [Bueno et al. 2017; Stathakis 2012; Wilcox and Daskalov 2008]. Ces travaux de thèse sont motivés par les difficultés rencontrées dans la dosimétrie des petits champs. Ils consistent à étudier la métrologie des petits faisceaux dans les milieux homogènes et hétérogènes en combinant des mesures expérimentales, des calculs Monte-Carlo et des calculs issus des algorithmes implémentés dans un TPS utilisé en radiothérapie stéréotaxique. Le premier chapitre de cette thèse présente la problématique de notre étude et est découpé en deux grandes parties. La première partie consiste à présenter les grandeurs fondamentales utilisées pour la dosimétrie en radiothérapie externe ainsi que les données dosimétriques de base nécessaires pour la configuration du TPS. Les enjeux liés à la dosimétrie des petits champs ainsi que le formalisme de détermination des facteurs correctifs des détecteurs [Alfonso et al. 2008; Palmans et al. 2017] sont également présentés. Dans la deuxième partie, les différents types d’algorithmes de calculs de dose absorbée ainsi que la problématique liée au choix du mode de report de dose absorbée (dose absorbée dans le milieu et dose absorbée dans l’eau) sont abordés. Dans le second chapitre, le collimateur multi-lames haute définition (MLC HD120) de l’accélérateur linéaire TrueBeam STx a été modélisé avec le code de calcul Monte-Carlo GATE/Geant4. Le modèle a été validé par comparaison avec des mesures expérimentales et a permis l’évaluation des algorithmes de calculs de dose absorbée du TPS Eclipse  en conditions de petits champs dans les milieux homogènes. Le but du troisième chapitre est dédié à la détermination des � »#$%&, »()* +#$%&,+()* de deux chambres d’ionisation à cavité d’air et de deux détecteurs solides afin de déterminer les facteurs d’ouverture de collimateur des petits champs définis par le MLC. Pour cela, les quatre détecteurs ont été modélisés dans GATE et les � »#$%&, »()* +#$%&,+()* ont été déterminés à partir des trois méthodes (basées soit sur les calculs Monte-Carlo, soit sur les mesures expérimentales, soit combinant les mesures expérimentales et les calculs Monte-Carlo). Les facteurs correctifs obtenus par les trois méthodes ont été confrontés à ceux extraits du récent protocole IAEA TRS-483 .

Faisceaux de photons issus d’un accélérateur linéaire

L’accélérateur linéaire utilisé dans cette étude est le TrueBeam™ STx (cf. Figure I– 1a) développé par la société VARIAN (Palo Alto, Etats Unis). Ce sytème est équipé d’un collimateur multi-lames haute définition composé de 120 lames (HD120) qui permet de traiter les tumeurs de petites dimensions en conditions stéréotaxiques grâce aux lames centrales qui font 2.5 mm de largeur à l’isocentre. Cet accélérateur permet d’établir un champ de référence de 10×10 cm2. Le TrueBeam produit des faisceaux de photons de 6 MV et 10 MV délivrés avec (WFF) et sans filtre égalisateur (FFF). Le filtre égalisateur n’est plus présent dans le cas des faisceaux FFF mais une plaque de laiton de 0.8 mm est interposée pour filtrer les 5 électrons et les photons de basses énergies. Ces faisceaux FFF peuvent délivrer des débits de dose jusqu’à 1400 unités moniteur par minute (UM/min) pour les faisceaux 6FFF et 2400 UM/min pour les faisceaux 10FFF [Xiao et al. 2013]. Ils sont caractérisés par moins de durcissement de faisceaux et un profil de dose absorbée non uniforme (cf. .Figure I– 1b). Figure I–1 : a) L’accélérateur linéaire TrueBeam STx. b) Profil de dose absorbée pour un faisceau de photons de 10 MV en mode FFF (courbe bleue) et en mode WFF (courbe rouge). La Figure I–2 présente les spectres de fluence différentielle en énergie des faisceaux de photons de 6WFF et 6FFF pour les accélérateurs linéaires Elekta Precise et TrueBeam de Varian [Tyler et al. 2016]. Figure I–2 : Spectres de fluence photonique différentielle en énergie des faisceaux 6WFF et 6FFF des accélérateurs linéaire a) Elekta Precise et b) TrueBeam Varian

Données dosimétriques de base

L’utilisation des faisceaux de photons dans le traitement des cancers demande une détermination de la distribution de la dose absorbée dans le patient. Il est donc nécessaire de prédire la distribution de dose absorbée à partir des modèles de calculs. Ces modèles ont besoin des données d’entrées acquises à partir des mesures préliminaires sur la machine de traitement. La détermination de ces paramètres de base se fait par des mesures de dose absorbée de référence et des mesures de doses absorbées relatives qui vont être définies dans les paragraphes suivants (cf. I.3.1 et I.3.2). Le protocole international IAEA TRS-398 [Andreo et al. 2000] recommande l’utilisation de l’eau comme milieu de référence de ces mesures. 

Dosimétrie de référence

 Le débit de référence, exprimé en Gy/UM, permet d’établir la relation entre la dose absorbée en un point situé à la position de référence et le nombre d’unités moniteur (UM). La mesure de la dose absorbée à la profondeur de référence (zref) s’effectue avec une chambre d’ionisation à cavité d’air reliée à un électromètre. La chaine de référence (chambre d’ionisation, électromètre et câble) est étalonnée dans un laboratoire primaire ou secondaire de métrologie en termes de dose absorbée dans l’eau. En France, le Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) est le laboratoire primaire qui fournit le coefficient d’étalonnage du détecteur . Selon les protocoles IAEA TRS-398 et IAEA TRS , la qualité du faisceau est spécifiée par l’indice de qualité  pour les faisceaux de photons de haute énergie. L’indice de qualité correspond au rapport entre la dose absorbée à 20 cm et à 10 cm de profondeur dans un fantôme d’eau, mesurée à une distance source-détecteur de 100 cm et pour un champ 10×10 cm2..