I.2 Radioth´ erapie st´ er´ eotaxique
I.2.2 Acc´el´erateurs lin´eaires ` a ´electrons pour la st´er´eotaxie
I.2.2.1 Acc´el´erateur classique avec collimateur micromultilames ou cylin-drique additionnel
Un acc´el´erateur lin´eaire `a ´electrons utilis´e en radioth´erapie produit soit des faisceaux d’´electrons (traitement de tumeurs superficielles) soit des faisceaux de photons X (traite-ment de tumeurs plus profondes). En radioth´erapie st´er´eotaxique, seuls les faisceaux de photons sont utilis´es.
Dans un acc´el´erateur lin´eaire classique, les ´electrons sont tout d’abord produits dans le canon `a ´electrons par effet thermo´electrique en chauffant la cathode (filament en tungst`ene). Ces ´electrons sont ensuite acc´el´er´es dans la section acc´el´eratrice maintenue sous vide, grˆace `a une onde ´electromagn´etique radio-fr´equence g´en´er´ee par un magn´etron ou un klystron. Les ´electrons atteignent alors des ´energies g´en´eralement comprises en-tre 4 MeV et 25 MeV. Ils sont ´emis `a la sortie de la section acc´el´eratrice en paquets ou ≪ pulses ≫. Avec un acc´el´erateur lin´eaire, les faisceaux d’irradiation seront donc des faisceaux puls´es contrairement aux sources de 60Co du Gamma Knife dont l’´emission radioactive est continue.
Le faisceau d’´electrons acc´el´er´es va ˆetre ensuite dirig´e et focalis´e sur une cible g´en´erale-ment en tungst`ene. Dans le cas o`u la section acc´el´eratrice est trop longue pour ˆetre align´ee sur la cible, des bobines magn´etiques de d´eviation sont n´ecessaires pour diriger le faisceau sur cette derni`ere. Les ´electrons sont alors ralentis dans la cible et des photons de haute
´energie sont ´emis par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung). Le spectre en ´energie des photons qui en r´esulte est un spectre continu compris entre 0 eV et l’´energie maximale
I.2 Radioth´erapie st´er´eotaxique des ´electrons incidents, c’est-`a-dire entre 0 eV et la valeur de la tension d’acc´el´eration des
´electrons. Ainsi, dans le domaine de la radioth´erapie, l’´energie d’un faisceau de photons est donn´ee en MV. Par exemple, pour un faisceau de photons de 6 MV, le spectre s’´etend de 0 `a 6 MeV, 6 MV ´etant la tension d’acc´el´eration du faisceau d’´electrons.
Dans les acc´el´erateurs lin´eaires classiques, le faisceau de photons traverse ensuite un filtre ´egalisateur qui permet d’obtenir un profil de dose homog`ene `a une profondeur de r´ef´erence dans l’eau pour une taille de champ donn´ee. Le dernier acc´el´erateur True Beam STX commercialis´e par les soci´et´es Varian (USA) et Brainlab (Allemagne) ne pr´esente pas de filtre ´egalisateur de mani`ere `a augmenter l’intensit´e du faisceau et donc les d´ebits de dose, ce qui permet de r´eduire les temps de traitements [10].
Le faisceau traverse ensuite un syst`eme de monitorage, constitu´e de plusieurs chambres d’ionisation `a transmission, ´etalonn´ees en Unit´es Moniteur (UM), permettant le contrˆole du d´ebit de dose, de la sym´etrie et de l’homog´en´eit´e du faisceau.
La forme du faisceau est ensuite d´efinie par un syst`eme de collimation : le collimateur primaire permet de d´efinir le plus grand champ disponible, puis une paire de mˆachoires d´efinit des champs d’irradiation rectangulaires de dimensions ajustables. Enfin, la plupart des acc´el´erateurs actuels poss`ede un collimateur multi-lames (MLC) permettant de r´ealiser des champs d’irradiation complexes pour une radioth´erapie conformationnelle des l´esions.
Cependant, au d´ebut de la radioth´erapie st´er´eotaxique, ces MLC n’´etaient pas adapt´es
`a ce type de traitement de haute pr´ecision, du fait de la largeur des lames trop impor-tante et surtout de la pr´ecision insuffisante sur le positionnement des lames (1 mm). Des collimateurs additionnels, solidaires de la tˆete de l’acc´el´erateur, se sont donc d´evelopp´es pour r´ealiser ces traitements : des collimateurs cylindriques ou des MLC adapt´es `a la radioth´erapie st´er´eotaxique tels que les micro-collimateurs multilames (mMLC) de type m3 d´evelopp´es par la soci´et´e Brainlab (Figure I.2). Le mMLC m3 pr´esente des lames de largeur variable : 14 paires de lames de 3 mm au centre pour une conformation maximale des petites cibles, puis 6 paires de 4,5 mm et 6 paires de 5,5 mm en p´eriph´erie. Les valeurs de largeurs de lames sont donn´ees `a l’isocentre, c’est-`a-dire `a 100 cm de la source de pho-tons. Ce mMLC peut d´efinir un champ carr´e maximal de 10 ×10 cm2 `a l’isocentre. Les p´enombres obtenues avec ce type de lames sont tr`es faibles afin d’´epargner au maximum les tissus sains avoisinants (< 2,5 mm [11]). Enfin, d’apr`es les sp´ecifications donn´ees par le constructeur, ce mMLC pr´esente une haute pr´ecision sur le positionnement des lames de 0,2 mm, indispensable pour la radiochirurgie st´er´eotaxique.
L’utilisation de collimateurs additionnels pour la radioth´erapie st´er´eotaxique pr´esente l’avantage de disposer d’un acc´el´erateur lin´eaire classique disponible pour tous les traite-ments de radioth´erapie, de la conformationnelle 3D classique `a la radiochirurgie, pour toutes les localisations. Un premier inconv´enient de ce syst`eme est le temps d’installation du collimateur additionnel qui n’exc`ede cependant pas 10 minutes pour le mMLC m3.
Un second inconv´enient du mMLC concerne les contrˆoles de centrage de celui-ci `a chaque
mise en place.
(a) (b)
Figure I.2 – (a) : Lames de diff´erentes largeurs du mMLC m3 de Brainlab, d’apr`es [12]. (b) : mMLC m3 fix´e sur un acc´el´erateur Varian de hˆopital de la Piti´e Salpˆetri`ere, `a Paris.
I.2.2.2 Acc´el´erateur ´equip´e d’un collimateur multilames compatible avec la radioth´erapie st´er´eotaxique
L’utilisation d’un acc´el´erateur d´edi´e `a la radioth´erapie st´er´eotaxique avec un MLC adapt´e directement int´egr´e dans la tˆete de l’acc´el´erateur permet d’´eviter les multiples installations et d´esinstallations du MLC. De plus, cela permet d’´eviter au maximum les risques de collisions avec le patient du fait de l’encombrement r´eduit du syst`eme de traite-ment.
Le collimateur m3 de Brainlab a ainsi ´et´e int´egr´e sur les machines Novalis (Figure I.3). Les lames de petites dimensions permettent une tr`es bonne conformation aux vol-umes cibles, cependant son champ maximal de 10 ×10 cm2 ne permet pas de traiter des localisations classiques de radioth´erapie externe. Aujourd’hui, le Novalis TX pr´esente un nouveau collimateur (HD-120) qui permet de traiter des volumes cibles de petites dimen-sions en conditions st´er´eotaxiques grˆace `a des lames centrales de 2,5 mm `a l’isocentre. Il permet ´egalement d’´elargir les localisations trait´ees grˆace `a des lames de 5 mm situ´ees en p´eriph´erie du MLC, donnant lieu `a un champ d’irradiation maximal de 15 × 15 cm2.
Aujourd’hui, d’autres acc´el´erateurs tels que le TrueBeam STX (Brainlab/Varian) et le Synergy (Elekta) permettent de r´ealiser des traitements `a la fois de radiochirurgie et d’autres localisations de radioth´erapie externe. En effet, le dernier MLC d´evelopp´e par Elekta (Agility) que l’on retrouve sur l’acc´el´erateur Synergy permet d’obtenir un champ maximal de 40 × 40 cm2 avec des lames de 5 mm `a l’isocentre, mais avec une pr´ecision sur le positionnement des lames de seulement 1 mm `a l’isocentre. Toutes ces r´ecentes machines poss`edent ´egalement des syst`emes performants de v´erification du positionnement du patient, disponibles grˆace aux avanc´ees dans le domaine de l’imagerie et de l’optique, tels que le syst`eme ExacTrac X-ray 6D de l’acc´el´erateur Novalis, qui rendent d´esormais possibles les traitements de radiochirurgie sans cadre invasif [13] [14] [15].
Le syst`eme ExacTrac X-ray 6D est compos´e d’un syst`eme de positionnement infrarouge
I.2 Radioth´erapie st´er´eotaxique (ExacTrac) et de deux tubes `a rayons X (X-ray 6D). Les images RX de haute qualit´e des structures internes et des organes, permettent une mise en place du volume cible extrˆemement pr´ecise par rapport `a la position planifi´ee de l’isocentre, grˆace aux mou-vements de la table `a 6 degr´es de libert´e. Ce syst`eme ExacTrac X-ray 6D permet aussi de r´ealiser du ≪ gating ≫ pour le traitement des l´esions mobiles de l’abdomen [16]. La cam´era infrarouge permet de suivre les marqueurs externes positionn´es sur l’abdomen du patient et un mod`ele du cycle respiratoire est cr´e´e. Ce mod`ele doit ˆetre en accord avec les images 2D r´ealis´ees par rayons X en temps r´eel. L’irradiation est alors r´ealis´ee pendant des p´eriodes pr´ecises du cycle respiratoire, lorsque la l´esion mobile est positionn´ee dans le faisceau de photons. Cette technique permet de r´eduire de fa¸con significative les marges autour du volume cible et ainsi ´epargner une plus grande partie des tissus sains.
Figure I.3 –Acc´el´erateur Novalis d´edi´e `a la radioth´erapie st´er´eotaxique, muni du syst`eme ExacTrac X-ray 6D pour un positionnement pr´ecis du patient.
I.2.2.3 Acc´el´erateur robotis´e CyberKnife (Accuray)
Le CyberKnife est un syst`eme de radiochirurgie ou de radioth´erapie st´er´eotaxique fractionn´ee. Ce syst`eme est bas´e sur un acc´el´erateur lin´eaire miniaturis´e, produisant un faisceau de photons de 6 MV, mont´e sur un bras robotis´e de grande mobilit´e (6 degr´es de libert´e) pr´esent´e sur la FigureI.4. Il existe 1200 positions de traitement possibles grˆace `a ce bras robotis´e, avec une pr´ecision du positionnement de l’ordre de 0,7 mm [17]. Un syst`eme d’imagerie associ´e permet de r´eduire cette incertitude sur le positionnement du bras [18].
Le CyberKnife pr´esente la particularit´e de ne pas avoir de filtre ´egalisateur. Les champs sont d´efinis par des collimateurs circulaires permettant d’avoir des faisceaux de photons de 5 mm `a 60 mm de diam`etre, `a 80 cm de la source. R´ecemment, Accuray a d´evelopp´e un collimateur `a ouverture variable appel´e IRIS, qui permet de r´ealiser des traitements plus conformationnels et de r´eduire de pr`es de la moiti´e la dur´ee du traitement par rapport aux traitements avec les collimateurs circulaires. En effet, l’utilisation du collimateur IRIS
permet d’´eviter les changements de collimateurs circulaires qui peuvent ˆetre fr´equents au cours d’une s´eance, puisque plus de 150 faisceaux peuvent ˆetre d´elivr´es par s´eance.
Le CyberKnife poss`ede le mˆeme type de syst`eme d’imagerie 2D que l’acc´el´erateur Novalis. Celui-ci nomm´e Synchrony permet le positionnement pr´ecis du patient avant le traitement ainsi que le suivi en temps r´eel de la cible pendant le traitement. Au lieu d’u-tiliser une immobilisation rigide du patient avec un cadre st´er´eotaxique, le CyberKnife suit et corrige en temps r´eel les mouvements de la tumeur, ce qui permet d’´etendre les traitements aux tumeurs extracrˆaniennes soumises notamment aux mouvements respira-toires. On parle alors de ≪ tracking ≫ : la comparaison entre la position r´eelle du patient et la position planifi´ee entraˆıne non pas une correction sur la position de la cible, mais sur la position du bras robotis´e.
Figure I.4 – Acc´el´erateur CyberKnife de l’Institut de Canc´erologie de Lorraine Alexis Vautrin (Nancy), muni de collimateurs circulaires permettant d’obtenir des faisceaux de 5 mm `a 60 mm de diam`etre.