Recalage et planification du traitement en radiothérapie et protonthérapie

Le principe de la radiothérapie est d’irradier les cellules malades du patient, à l’aide d’une énergie contrôlée. Elle est née par hasard le 8 novembre 1895 des travaux de Wilhelm Conrad Roentgen, qui a mis en évidence un nouveau type de rayon invisible (les rayons X) dont les propriétés destructrices envers les cellules biologiques ont par la suite été découvertes dans plusieurs expériences du début du siècle dernier.

La destruction des cellules est réalisée en contrôlant l’énergie du faisceau de traitement (actuellement de quelques MeV – Mega ElectronVolt – à plusieurs centaines de MeV), qui a pour effet notoire de rompre la double hélice d’ADN d’une cellule, entraînant sa mort. Bien évidemment, si ces « bombardements » d’énergie peuvent détruire les cellules malades (et dans la plupart des cas cancéreuses), elles sont également dangereuses pour les cellules saines, dont la destruction peut entraîner de graves effets secondaires pour le patient.

De ce fait, la radiothérapie est en constante évolution, le but recherché étant d’améliorer la destruction des cellules ciblées, tout en protégeant au mieux les cellules saines. En parallèle de ces améliorations, l’informatique a elle aussi progressé, permettant à la radiothérapie de bénéficier de la puissance de calcul des machines pour réaliser des opérations de plus en plus complexes pour l’être humain.

Un traitement complet de radiothérapie ne se limite pas à l’irradiation du patient, mais débute bien avant cela, au moment du (des) examen(s) d’imagerie de pré-traitement. Trois types d’examens sont couramment utilisés, leur but étant d’obtenir une représentation numérique du patient, utilisable pour planifier le traitement, qui sont le CT, l’IRM, et la TEP :

Scanner tomo-densitométrique (CT)
Il s’agit d’une représentation 3D, réalisée par coupes, du patient. Cet examen utilise les rayons X pour « voir » l’intérieur du patient. Les tissus durs (notamment les os), sont visibles sur ce type d’examen . Le principe est de mesurer l’absorption des rayons X par les tissus du patient.

Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)
Elles sont de deux sortes, l’IRM anatomique (la plus courante), et l’IRM fonctionnelle. Le but de la première est de compléter le scanner en visualisant les tissus mous , alors que la seconde permet d’obtenir une imagerie du métabolisme et des fonctions du patient. Cet examen est généralement lui aussi 3D, réalisé par coupes également. Le principe est d’exploiter les propriétés magnétiques de certains noyaux atomiques des cellules du patient.

Tomographie par Émission de Positrons (TEP)
Cet examen permet de mesurer les émissions de positrons (anti-particule de l’électron), d’un produit injecté dans le corps du patient. Généralement, le produit utilisé ne réagit qu’en présence de cellules malades, ce qui permet d’obtenir une cartographie des cellules à traiter .

Ces différents examens vont servir de base aux personnes intervenant au cours du traitement du patient, après avoir été recalés entre eux [COM07] et seront la représentation virtuelle du patient sur laquelle la planification complète sera réalisée.

A partir des différents examens réalisés, le radiothérapeute va délimiter les organes nécessaires à la bonne planification du traitement, qui sont :

➤ Le contour externe : cette délimitation est très importante, car elle va permettre de distinguer ce qui fait partie du patient de ce qui lui est extérieur (par exemple, la table de traitement sur laquelle le patient est généralement installé est visible sur le scanner, mais sans importance pour la planification du traitement).
➤ La tumeur à irradier : elle va généralement être délimitée de différentes manières [ICRU93] :

• GTV (Gross Tumor Volum) : il s’agit du volume tumoral tel qu’on le voit sur les examens d’imagerie .
• CTV (Clinical Target Volum) : il s’agit du GTV complété d’une extension définie par les considérations cliniques du radiothérapeute .
• PTV (Planning Target Volum) : il s’agit du CTV auquel une extension a été appliquée pour prendre en compte les imprécisions de la chaîne de traitement .

Les Organes A Risque (OAR) : il s’agit des organes dont l’irradiation peut causer des séquelles plus ou moins graves au patient, et que le traitement devra épargner au maximum. On peut citer dans le cas des traitements intra-crâniens les nerfs optiques, le chiasma, ou encore les lobes temporaux.

Cette seconde étape est cruciale, puisqu’elle va permettre de simuler au mieux le futur traitement du patient. L’ensemble des faisceaux nécessaires va être déterminé de manière réaliste. En effet, la dose à délivrer au patient afin de détruire les cellules malades va être obtenue en utilisant plusieurs incidences de faisceau (qui représentent donc plusieurs points d’entrée dans le patient), qui vont permettre de maximiser la dose reçue par la tumeur, tout en minimisant la dose déposée sur les tissus situés entre le point d’entrée du faisceau et la tumeur à traiter.

Une modélisation de la machine de traitement utilisée a précédemment été réalisée par un physicien, ce qui permet de connaître la géométrie réelle ainsi que les accessoires, les énergies disponibles, etc, afin d’être le plus proche possible de la réalité.

Parmi ces accessoires, on peut notamment citer le collimateur, dont le rôle est de conformer le faisceau sur l’enveloppe externe de la structure ciblée, et qui peut être de différentes natures :

Collimateur Multi-Lames (CML)
Également appelé MLC (Multi-Leaf Collimator). Il s’agit d’un ensemble de paires de lames qui peuvent être déplacées afin d’obtenir l’ouverture (et donc la forme de faisceau) souhaitée. Cet accessoire est par exemple la clef du fonctionnement des traitements de type IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy).

Collimateur personnalisé
Notamment utilisé dans la protonthérapie , il s’agit d’une pièce de matériau radio-opaque (laiton par exemple) usinée afin d’obtenir l’ouverture de faisceau que l’on souhaite (sans la limitation induite par l’épaisseur des lames dans le cas d’un CML).