Administration du traitement

Les traitements par protonthérapie nécessitent des infrastructures complexes pour la produc- tion de faisceaux de protons. En effet, elles doivent abriter le système de production et de transport des faisceaux, des lignes fixes ou des bras isocentriques pour l’administration de la dose, des outils de positionnement du patient, des outils de contrôles (de la sécurité, de vérification du ciblage et de la dose) ainsi que des systèmes informatiques complexes capables de gérer d’importantes bases de données de l’acquisition tomodensitométrique, la planification du traitement et sa bonne administration par la ligne médicale de faisceaux.

Production d’un faisceau de protons

Actuellement, le cyclotron et le synchrotron sont les plus compétitifs pour la production de faisceaux de protons. Ces technologies nécessitent un vide poussé dans les cavités accélératrices et dans les lignes de transport du faisceau. L’invention du cyclotron et les résultats obtenus, valurent le prix Nobel de physique à Ernest O. Lawrence en 1939.

Cyclotron Les faisceaux peuvent être produits par des cyclotrons ou des synchrocyclotrons. Leurs composants majeurs sont : une cavité radiofréquence fournissant un champ électrique fort qui accélère les protons, des aimants puissants afin de confiner la particule sur une tra- jectoire spiralée, une source de protons fournie par un gaz d’hydrogène ionisé et un système

d’extraction quand la particule a atteint son énergie nominale. Les cyclotrons fournissent un faisceau à énergie fixe qu’il convient de dégrader pour moduler l’énergie en sortie. Des dégra- deurs en graphite sont utilisés à cet effet (système de sélection d’énergie [99]).

Figure 0.10 – Cyclotron isochrone de l’Institut Paul Scherrer qui accélère les protons à 590 MeV [100]. Les aimants sont en bleu et les quatre cavités accélératrices sont en gris foncé.

Figure 0.11 – Synchrocyclotron de 250 MeV (photo de gauche) embarqué sur un bras isocen- trique rotatif (photo de droite) [99,101].

L’utilisation des aimants supraconducteurs fournissant des champs magnétiques (B) plus in- tenses a permis de réduire la masse du cyclotron (varie en 1

B3) [99]. Les cyclotrons modernes sont donc beaucoup plus compacts maintenant avec des diamètres entre 3.5 m et 5 m [102–

104]. Par ailleurs, l’effet relativiste d’augmentation de la masse est résolu avec le cyclotron isochrone à secteurs séparés (champ magnétique variable) ou avec le synchrocyclotron par synchronisation de la fréquence cyclotron à celle du proton (fréquence du champ électrique appliqué) [99]. Pour le cyclotron isochrone, cette technique permet d’atteindre des énergies fixes de 250 MeV et plus pour les protons (590 MeV, illustré à la figure 0.10) et 400 MeV/u

pour les carbones [102,105]. Le synchrocyclotron peut atteindre des énergies élevées : 1 GeV à Gatchina en Russie [99]. Récemment, un synchrocyclotron de 250 MeV (9 Tesla, 20 tonnes), dédié à une salle de traitement, a été directement monté sur un bras isocentrique [99] (voir figure 0.11). Cette prouesse technique contribue à rendre plus accessible la protonthérapie en limitant les coûts liés à l’infrastructure.

Synchrotron Le synchrotron est l’autre technologie mondialement utilisée pour l’accélé- ration de hadrons à des fins thérapeutiques. Son avantage est que les protons peuvent être accélérés à l’énergie voulue avec une intensité de faisceaux identique à hautes et basses éner- gies. L’espace nécessaire à cet appareil est supérieur à celui du cyclotron puisque le synchrotron mesure entre 6 et 8 m de diamètre. Un accélérateur linéaire confère aux protons des énergies typiquement comprises entre 2 MeV et 7 MeV. Des paquets de quelques millions ou milliards de ces protons sont injectés dans l’anneau du synchrotron. Ils sont ensuite accélérés et déviés dans l’anneau jusqu’à une énergie typique de traitement comprise entre 70 à 250 MeV. Les protons sont extraits pour le traitement et enfin l’anneau est déchargé des protons inutilisés. Un exemple de synchrotron est donné à la figure0.12 .

Figure 0.12 – Synchrotron pour la protonthérapie [106].

Administration de la dose

Une fois le faisceau de protons généré, il est acheminé à la salle de traitement. La ligne médicale d’administration de la dose est soit un faisceau vertical ou horizontal fixe, soit un bras isocentrique rotatif (voir figure 0.11).

Méthode passive de balayage C’est la technique du passive scattering qui consiste à intercaler des éléments dans le faisceau pour le sculpter et le conformer à la tumeur (voir figure 0.13). On a d’abord un absorbeur qui ajuste l’énergie maximale du faisceau puis les protons franchissent une roue de modulation qui permet de dégrader en temps réel l’énergie du faisceau afin d’assurer le balayage en profondeur de l’irradiation. De fines feuilles de dif- fuseurs constituées d’un matériau de numéro atomique élevé permettent d’étaler le faisceau par diffusion élastique coulombienne. Ensuite, un collimateur en laiton conforme transversa- lement le faisceau à la tumeur. Enfin, le dernier élément est le compensateur qui est constitué

de polymère équivalent-tissu. Il confère au champ d’irradiation la forme distale de la tumeur et il contribue donc à la protection des tissus au delà de la tumeur. Le collimateur et le compensateur sont produits spécialement pour chaque patient.

Figure 0.13 – Vue schématique de la modalité de traitement par balayage passif, extrait de Wang et al. [21].

Méthode active de balayage par faisceaux pinceaux Cette méthode est basée sur un balayage en trois dimensions de la tumeur avec un faisceau fin de 5 mm à 7 mm [16] (fi- gure 0.14). Son intensité est ajustée dynamiquement pour obtenir la distribution de dose souhaitée. Au final, seules deux paires d’aimants sont présentes pour dévier la particule dans le plan transverse. Une modulation de l’énergie, au niveau du système de sélection de l’énergie pour les cyclotrons, apporte le balayage en profondeur ; pour les synchrotrons, les protons seront accélérés à l’énergie voulue dans l’anneau.

Figure 0.14 – Vue schématique de la modalité de traitement par la méthode active de ba- layage, extrait de Courtois et al. [107].

Cette technique est la plus récente et la plus évoluée pour l’administration des traitements en hadronthérapie puisqu’elle permet l’IMPT, l’équivalent de l’IMRT en photonthérapie. En comparaison de la méthode passive, l’IMPT permet de meilleures conformités des patrons de dose à la tumeur, de mieux préserver les OAR et de réaliser simultanément des surdosages (voir figure0.15). La méthode active de balayage devrait remplacer la méthode passive de balayage.

Figure 0.15 – Comparaison des distributions de doses entre la méthode passive (images de gauches) et active (images de droites, IMPT), extrait de Giap et al. [108].

Pour les cas de cancers pédiatriques, la protonthérapie pourrait être préconisée avec la tech- nique active de balayage de faisceaux, plutôt qu’avec la technique passive car cette dernière met en mouvement des neutrons de contaminations qui peuvent amoindrir ses bénéfices par rapport à la radiothérapie conventionnelle [109].