Lors de la mise en place d’un protocole de RT, il est nécessaire d’établir un système efficace de planification de traitement ou TPS (Treatment Planing System) qui permettra de déterminer les paramètres de l’irradiation. Ce TPS prend en compte les caractéristiques des faisceaux (nature, fluence, débit, énergie, géométrie…), l’anatomie du patient, la localisation de la tumeur ainsi que son volume et sa radiosensibilité. Il est donc spécifique à chaque patient et doit être validé sur le plan médical et physique avant la première fraction de RT. La valeur de l’efficacité biologique relative est indispensable à la mise en place de ces TPS.
TPS :
Dans le cas de figure des systèmes passifs de modulation de faisceau, le profil dose-profondeur est fixé dès le début de la séance. Les algorithmes pour calculer la dose absorbée en hadronthérapie sont similaires à ceux utilisés en ph-RT. La modélisation du transport de particules est relativement simple car la diffusion latérale des ions carbone est très faible. La contribution des différents fragments des multiples faisceaux utilisés dans la dose finale est réalisée dans l’eau et est intégrée dans le logiciel. De plus, les différents composants spécifiques à chaque patient (compensateur, collimateur) sont inclus dans ce calcul. La dose est exprimée en valeur relative de la dose absorbée.
En ce qui concerne les systèmes actifs, la forme du SOBP doit être calculée pour chaque point de balayage dans le champ d’irradiation. Ce calcul est proche de ce qui se fait pour les faisceaux fins balayés utilisés en RT conventionnelle. En effet, chaque énergie de faisceau doit être modélisée. Le volume cible est tout d’abord divisé en coupes d’épaisseurs variable. Chaque coupe correspond à un intervalle d’ions à une certaine énergie d’accélération. Le nombre de particules à chaque point de balayage est optimisée par itérations jusqu’à une dose prédéfinie à chaque point.
Modélisation biologique:
Pour la même dose physique, deux RIs de TEL différents réagissent de manière différente avec la matière traversée, ce qui entraine des effets biologiques spécifiques dépendant de la densité d’ionisation de la matière. Une forte densité d’ionisation caractéristique des rayonnements de haut TEL va induire une proportion élevée de CDBs de l’ADN non réparables, responsable d’une meilleure efficacité biologique que les rayonnements de bas TEL. Cependant, l’efficacité biologique d’un RI dépend de ses caractéristiques physiques (TEL) mais également du tissu irradié (sain versus tumeur) et de son oxygénation.
Les ions carbone possèdent des avantages physiques et biologiques par rapport aux protons. La diffusion latérale et longitudinale du faisceau carbone est en effet inférieure à celle des protons (Suit et al., 2010). De plus, l’EBR maximale des ions carbone coïncide avec la position du pic de Bragg. Ainsi, dans les premiers centimètres du parcours des ions carbone dans la matière (en amont du pic), l’énergie est maximale et elle correspond donc à de faibles valeurs d’EBR. Par contre, dans les 2-3 derniers centimètres du parcours,
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l’énergie baisse du fait des interactions atomiques avec la matière ce qui augmente l’EBR à des valeurs comprises entre 2 et 5, en fonction du type de tumeur (Durante, 2014). Cette supériorité biologique n’est pas retrouvée en utilisant des faisceaux de protons dont l’efficacité maximale est limitée à quelques micromètres en fin du parcours. Pour toutes ces raisons, les ions carbone ont été choisis, parmi d’autres ions lourds, au début des années 1990 comme traitement optimal pour des tumeurs profondes, à croissance lente et radiorésistantes aux photons. Cependant, l’interaction du faisceau de carbone avec la matière produit une queue de fragmentation au-delà du pic de Bragg, ce qui implique une dose absorbée équivalente à 10-20% de la valeur dans le plateau du SOBP, dans les tissus en aval de la tumeur. Cette caractéristique n’est pas retrouvée en utilisant des protons faisant de la p-RT le traitement de choix des tumeurs à proximité d’organes à risque et en onco-pédiatrie. De plus, cette dernière technique est moins onéreuse qu’une installation utilisant des ions carbone.
En routine clinique, la dose biologique équivalente [GyE ou Gy(RBE)] est utilisée. Pour les faisceaux de protons, une EBR de 1.1 est utilisée (Figure 9). Par contre, la forte variation de l’EBR relative au TEL des ions lourds rend la situation plus complexe. Dans le but d’obtenir une dose biologique uniforme à l’intérieur de la tumeur, il est nécessaire d’avoir une distribution non uniforme de la dose physique comme le montre la Figure 9. Les valeurs d’EBR pour les ions carbone qui sont intégrées dans les TPS sont de 2 à 3 pour les principales tumeurs (et les tissus sains) (Schulz-Ertner et al., 2006).
Figure 9: Uniformité de la dose biologique dans le SOBP d'un faisceau de proton (gauche) et d'ions carbone (droite)
(Kagawa et al., 2002)
Les TPS actuellement utilisés lors d’un traitement pas ions carbone ne prennent pas en compte de façon satisfaisante les multiples effets biologiques des ions carbone (12C) ainsi que les différentes particules produites par ces faisceaux traversant le corps humain et ce malgré des simulations multiparamétriques satisfaisantes. Ces TPS intègrent des EBRs obtenues par le rapport des doses d’irradiation induisant une
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clonogénicité de 10% pour des cultures cellulaires en monocouche irradiées in vitro en RX versus 12C. Les paramètres α et β extraits des courbes de survies (voir page 16) ne peuvent pas suffire à expliquer tous les effets biologiques radio-induits. De plus, l’évolution rapide des machines de RT et l’utilisation de plus en plus grande de faisceaux balayés pose le problème du fractionnement de la dose (et du débit de dose) et les variations de TEL qui ne sont pas assez pris en compte dans les TPS actuels. D’autre part, le choix de critères biologiques à intégrer dans le calcul d’EBR reste très réduit. Tout ceci peut potentiellement induire des séquelles radio-induites chez les patients.