CONTROLES PAR DOSIMETRIE IN VIVO DE TRANSMISSION PAR IMAGERIE PORTALE DE LA DELIVRANCE DE LA PRESCRIPTION EN RADIOTHERAPIE EXTERNE

par Clément Chevillard

Projet de thèse en Radio et hadron-thérapies

Sous la direction de Loic De carlan.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec Institut CEA LIST (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-11-2015 .


  • Résumé

    La planification d'un traitement en radiothérapie externe passe par un calcul scientifique en utilisant les différentes modalités d'imagerie disponibles à ce jour (CT, IRM, TEP). Cette planification se fait sur la connaissance anatomique du patient, la bonne délimitation des volumes d'intérêt (tumeur et organes à risque), une définition rigoureuse des faisceaux d'irradiation (énergie, orientation, accessoires, forme et modulation de la fluence, etc...), un calcul et une optimisation de la répartition de dose. Des systèmes informatisés ou TPS (Treatment Planning System) permettent la réalisation de la phase de planification en amont du traitement, en répondant à des critères généraux de haute précision . En Radiothérapie, la dose de radiations est délivrée au patient de façon fractionnée, par séances le plus souvent quotidiennes, en se basant sur le plan de traitement établi au départ et répété pendant la durée totale du traitement. Il est évident que la validité du plan de départ doit être revue en fonction d'éléments nouveaux touchant à la fiabilité de la machine de traitement ou à l'évolution de l'état du patient (morphologie, confort, réponse au traitement). Des technologies nouvelles permettent d'acquérir des données au jour le jour, soit pour corriger le positionnement du patient (imagerie portale –Electronic Portal Imaging Device ou EPID, tomographie conique –Cone Beam Computed Tomography ou CBCT) ou contrôler sa respiration (« gating »), soit pour vérifier la dose effectivement reçue (dosimétrie in vivo par diodes à semi-conducteur ou par dosimétrie de transmission). Mais il manque actuellement en clinique des systèmes commerciaux qui permettent de vérifier de façon systématique la conformité de la distribution de dose réellement reçue in situ par le patient. Or il est aujourd'hui impératif de pouvoir disposer de moyens d'élaboration d'un rapport détaillé et opposable, des doses reçues par le patient tout au long des séances de son traitement. Dans cette optique, il est donc souhaitable de mettre à disposition des services de Radiothérapie des solutions logicielles complètes permettant, d'organiser de façon pragmatique, les contrôles spécifiques de dosimétrie in vivo et d'établir un journal d'intérêt clinique consignant les doses délivrées en regard des valeurs programmées. Le système doit être un outil décisionnel pour valider ou modifier la conduite du traitement. La dosimétrie in vivo par EPID (« transit dosimetry ») s'impose progressivement dans une majorité de situations d'irradiations comme la méthode de choix pour contrôler les doses reçues. Au-delà d'être disponible sur tous les accélérateurs linéaires nouvellement installés et utilisable pour toutes les techniques de traitement actuelles, son intérêt réside dans sa capacité à proposer, moyennant une algorithmique dédiée, une dosimétrie du volume du patient irradié à partir d'une seule image ou d'une série d'images (irradiation dynamique par arcthérapie –Volumetric Modulation Arc Therapy). La précision des algorithmes de reconstruction de la dose dans le patient par rétroprojection de l'information de l'image portale a été évaluée depuis plusieurs années en routine clinique dans de nombreux centres de traitement et la technique restitue des informations d'une grande richesse. Cependant l'analyse et l'interprétation des données restent difficile dans un certain nombre de mesures. Pour garantir la validité de la reconstruction des doses in situ, il est indispensable de connaître parfaitement l'alignement géométrique source de rayonnement / patient / EPID ; c'est-à-dire qu'il est nécessaire de pouvoir quantifier le positionnement réel du 3/4 patient à chaque séance et de le comparer aux données de la planification basée sur examen CT avant toute opération dosimétrique L'un des premiers enjeux du travail envisagé est l'intégration du contrôle de positionnement du patient à partir de l'image portale acquise, avec quantification des décalages et définition de critères d'acceptation et de rejet. Cette première analyse géométrique de l'image portale servant à définir l'impact dosimétrique sur les valeurs de dose reconstruites : soit en validant (positionnement conforme à la planification), soit en corrigeant (positionnement imparfait mais tolérable et ajusté sur la réalité), soit en rejetant (positionnement éloigné des conditions planifiées). Cette étude peut débuter sur la localisation « sein » où les écarts d'alignement sont fréquents et parfois importants. Elle sera progressivement étendue à d'autres localisations tumorales. D'un point de vue méthodique, la comparaison du positionnement patient peut se faire soit depuis l'image portale d'une séance précédente validée, soit à partir d'une image prédite de référence. Les deux approches algorithmiques seront développées. Le suivi dosimétrique du patient au jour le jour, fondé sur de nouveaux indicateurs de qualité clinique, permettrait d'établir une traçabilité totale à même d'identifier tout écart par rapport au plan initial et de proposer une action correctrice. Les écarts sont susceptibles de s'exprimer soit en termes de valeur de dose, soit en termes de topologie de la zone traitée. Cette approche permettra de corriger les différences avec le plan initial, de prendre en compte des incertitudes systématiques et statistiques, mais surtout de considérer les particularités individuelles de chaque patient, débouchant sur un contrôle qualité personnalisé. Au final, par l'application de cette approche nouvelle, une surveillance du traitement à double orientation est exercée : l'une pour renforcer la précision des calculs dosimétriques et par suite la qualité effective et le bénéfice attendu pour le patient ; l'autre pour garantir en temps réel la sécurité d'emploi de solutions thérapeutiques et techniques avancées.

  • Titre traduit

    The impact of new clinical indicators based on transit in vivo dosimetry using the Electronic Portal Imaging Device (EPID)


  • Résumé

    Treatment planning in external radiotherapy starts with scientific computations based on different imaging modalities (CT, MRI, PET). The treatment plan used knowledge based on patient anatomy, delineation of the right volumes of interest (target and organ at risk), an accurate irradiation beam (energy, gantry, accessories, shape and fluence modulation, …), and dose calculation. A treatment planning system (TPS) is used to build the right plan according to the tolerance previously set. In radiation therapy, the treatment is delivered to the patient with a fraction every day using the treatment established before and repeated until the end of the treatment. Obviously, the treatment must be adapted to any change occurring at the treatment unit or to the patient (weight loss, tumor shrinkage, tolerance to radiations, ...). New technologies already integrated to the treatment units can be used to check the positioning of the patient (Electronic Portal Imaging Device - EPID-, Cone Beam Computed Tomography - CBCT - ) , check the breathing motion ("gating") or even for the dose delivered to the patient (in vivo dosimetry using diode with semi-conductor or transit dosimetry). The difficulty to control the dose received by the patient is due to a lack of commercial solution in clinical routine. However it is recommended even mandatory to know the dose received by the patient at every fraction and be able to compare to the predicted dose. The main objective is to provide a robust solution for the routine in order to control the dose delivered to the patient with the predicted dose established from the TPS. Using the EPID system for in vivo dosimetry ("transit dosimetry") is more convenient and can be an alternative in every situation to control the dose. Already integrated to the treatment unit, the EPID system can provide a volumetric dosimetry of the patient thanks to one or many images. The accuracy of the algorithm for reconstructing the dose into the patient using a back projection has been tested for many years in clinical routine. The right position of the beam/patient/EPID is a success of the accuracy of the reconstructed dose value. Indeed the position of the patient at every fraction must be the same as the position of the CT exam used to set the treatment. The first aim of this work is to integrate portal images to compare and assess the position of the patient at each fraction to the planned one (CT images). This would impact the dosimetry values of the reconstructed dose by accepting, rejecting or ignoring the patient position discrepancy according to a tolerance threshold defined by the user. The first tumor site explored would be the breast where the deviations are common and sometime huge. Other tumor sites would be explored in a second hand. The method to compare the position of the patient can be either from a previously validated fraction, either from a predicted positioning image. Both method would be investigated and developed. Following the dose received by the patient day after day, based on new indicators, can establish a traceability to identify deviation and assess treatment quality. To conclude, these new indicators would allow a double traceability: in one hand the improvement of the calculation and then the efficiency of the treatment; in another hand the safety of the treatment and the technique used.