La simulation du traitement de radiothérapie est réalisée par un ensemble technique composé d’un scanner grand tunnel (Canon), d’une table avec plateau plat similaire à celui des appareils de traitement, d’un système de lasers mobiles pour repérer les volumes et des stations de travail permettant la reconstruction 3D de la région à traiter. Le repérage des volumes, la proposition de balistique des faisceaux, les images de références peuvent être réalisés en temps réel ou en différé, après le départ du patient, sur le « volume virtuel » reconstruit par ordinateur.
Le scanner
Le scanner est essentiel pour définir le volume tumoral et pour obtenir l’anatomie précise de la région environnante. Le scanner permet d’accéder à la densité des tissus. C’est une information nécessaire pour faire des calculs dosimétriques précis et modéliser parfaitement la distribution de dose des faisceaux de RX de l’accélérateur dans les tissus du corps humain. Le scanner large tunnel Aquilion Exceed LB40 (Canon) installé dans le service en 2022 est un scanner de dernière génération, capable d’acquérir 80 coupes de 0.5 mm en 0.4 s. Le large tunnel de 90 cm est un confort pour installer le patient. Il possède plusieurs champs de vue (FOV) de 250, 550 et 700 mm extensibles jusqu’à 900 mm en FOV étendu. Pour les traitements de radiothérapie, il est important de pouvoir imager au delà de la zone à traiter de façon à pouvoir intégrer tous les éléments (table, accessoires de contention en fibre de carbone) que les faisceaux de RX vont traverser. Les logiciels de traitement des images sont importants pour obtenir des coupes possédant un bonne résolution spatiale et un bon contraste dans les tissus mous.
Scanner de préparation large tunnel Aquilion Exceed LB 40 (Canon)
Les objets métalliques (amalgame dentaire, prothèses) arrêtent les RX et suppriment des informations du milieu. Le logiciel SEMAR (Single Energy Metal Artifact Reduction) participe à réduire fortement tous les artéfacts liés aux objets métalliques.
Le bruit dans les images (lié aux techniques d’acquisition et de reconstruction) est un facteur limitant pour la bonne différentiation des tissus. Le filtre de reconstruction AICE (advanced Intelligent ClearIQ Engine utilise les applications de l’Intelligence Artificielle. Il est capable d’identifier et supprimer sélectivement le bruit pour différentes régions du corps. AiCE a bénéficié de la synthèse d’un grand nombre de reconstructions d’images avec l’algorithme avancé MBIR (Model-based Iterative Reconstruction).
Coupe sagittale du cerveau reconstruite avec le filtre AICE Brain LCD du scanner Aquilion Exceed LB.
Coupe axiale du pelvis reconstruite avec le filtre AICE Body Sharp du scanner Aquilion Exceed LB
Coupe coronale de l’abdomen et du pelvis reconstruite avec le filtre AICE Body Sharp du scanner Exceed Aquilion LB.
Le positionnement du patient
Le patient est placé en position de traitement dans un système de contention sur le plateau plat du scanner. Le système de contention est personnalisé pour chaque patients en fonction de la pathologie traitée.
Patiente en position de traitement avec l’aide de systèmes de contention lors du repérage initial de la lésion
Acquisition des données anatomiques
La préparation du traitement est faite en direct. Les coupes scanners sont acquises et le patient reste sur la table le temps que le radiothérapeute repère le volume cible et positionne le point qui sera l’isocentre de traitement. Les coordonnées de l’isocentre (centre du volume cible) sont transférées au système de lasers mobiles projetant sur la peau du patient la projection de l’isocentre de traitement.
La préparation du traitement est faite en temps différé dans l’attente d’autres imageries ou quand l’acquisition est synchronisée à la respiration. Le manipulateur de centrage place 3 billes de 1.5 mm sur la projection des lignes lasers à la peau. Il fait ensuite l’acquisition des coupes scanners et transfère celles-ci vers la console de simulation virtuelle. La suite des opérations est effectuée par un radiothérapeute sur la console de simulation virtuelle. Dans ce cas, le patient est libéré à l’issu de l’acquisition scanner et les repères matérialisés par les billes à la peau sont tatoués, définissant un isocentre de référence.
Simulation virtuelle et dosimétrie
Simulation du traitement
Le radiothérapeute vont utiliser un logiciel de « délinéation » (MIRADA) pour réaliser sur les images scanner, une segmentation (des contours) très précise et en trois dimensions, du volume cible et des structures saines correspondant à des organes à risque (OAR). Outre, la délinéation manuelle des organes, il existe des modules de contourage qui permettent de segmenter automatiquement les OAR les plus courants (moelle, poumons, foie, etc..). Enfin, les radiothérapeutes font également appel à des modules utilisant l’intelligence artificielle s’appuyant du « Deep learning » (apprentissage profond) pour segmenter plusieurs volumes dans des régions anatomiques complètes (ORL, Pelvis,..)
Selon les cas, le médecin s’aider d’images IRM ou scintigraphiques (TEP) en les recalant sur les images scanners. Un module de fusion d’images permet de recaler des images réalisées avec différentes modalités, l’IRM pour des lésions cérébrales, ou le TEP Scan au 18F-FDG pour des lésions des poumons ou de l’œsophage.
Un module d’acquisition 4D associé au scanner permet d’acquérir le volume cible mobile durant les phases respiratoires (gating respiratoire).
Planification dosimétrique
Les images scanner et les structures segmentées sont transmises au système de dosimétrie. La dosimétrie est l’étape pendant laquelle le physicien calcule et optimise sur un ordinateur dédié la distribution de dose à l’intérieur du patient. La dose est calculée en 3 dimensions dans tous les volumes. Ce calcul s’appuie :
a) sur la modélisation des faisceaux d’irradiations de chaque accélérateur. Ces modèles sont basés sur des mesures de rendements des faisceaux de RX dans l’eau afin de définir des spectres de RX propres à la tête de l’accélérateur et à l’énergie des photons . Ensuite, des algorithmes modélisent les interactions photons et électrons dans des milieux de densités hétérogènes.
b) sur l’ensemble des données anatomiques du patient à savoir les images scanner qui vont fournir les densités de tissus traversées par les rayons X ou les électrons et les structures délinées de la cible et des OAR.
Le logiciel de simulation virtuelle permet de visualiser en 3 D la projection des faisceaux de traitement dans le corps du patient et d’optimiser leur balistique. Des radiographies numériques reconstruites à partir des coupes scanner ou des images surfaciques de projection des faisceaux à la peau sont produites. Ces radiographies seront comparées durant les traitements à celles produites par les rayons de l’accélérateur.
Image d’une reconstruction 3 D d’un thorax
1 – La dosimétrie est directe
Le physicien médical manipule des faisceaux afin d’obtenir une distribution de dose optimale qui permet d’irradier la tumeur le mieux possible tout en épargnant les tissus sains. Il décide, en accord avec le radiothérapeute, de modifier la balistique d’irradiation par simulation virtuelle de manière à choisir les portes d’entrée des faisceaux les plus aptes à protéger les tissus sains.
Exemple de planification dosimétrique directe d’une lésion prostatique
2 – La dosimétrie est inverse
Le physicien médical fournit à l’ordinateur des objectifs de dose sur la lésion et des contraintes de doses sur les OARs segmentés. Ces objectifs et ces contraintes de doses sont issus de travaux de consensus d’équipes médicales nationales ou internationales. Le physicien médical propose une balistique initiale faite de faisceaux discrets ou d’arcs « ouverts » que l’ordinateur optimise par itérations successives jusqu’à obtenir les objectifs et les contraintes de doses demandées sur la tumeurs et les OARs. Les faisceaux calculés produisent des flux de RX modulés selon des techniques dites IMRT (pour des faisceaux) ou VMAT (pour des arcs).
Dans ce cas, faire une simulation virtuelle n’est plus nécessaire puisque le calcul des balistiques tient compte des contraintes de doses aux volumes traversés. En effet, les collimations de certains faisceaux peuvent se fermer en regard de certains OARs ou le débit de dose du faisceau peut augmenter si aucune contrainte n’apparait sur l’axe du faisceau
Dosimétrie d’une tumeur ORL en modulation d’intensité volumique obtenue par calcul inverse
