Chapitre V : Application pour la radiothérapie intra-opérative : Intrabeam
3. COMPARAISON INTRABEAM/ SATURNE 43 (6MV)
3.1. Protocoles d'irradiation
3.1.1. Irradiation à basse énergie
Le système Intrabeam de Carl Zeiss Surgical (Oberkochen, Allemagne) a été utilisé pour effectuer les irradiations avec un applicateur de surface de 4 cm. La qualité du faisceau a été caractérisée dans l’étude de Goubert et Parent, avec une couche de demi atténuation (HVL) de 0,43 mm d’aluminium [5]. Avec une sonde nue, le HVL a été mesuré à 0,61 mm (aluminium), ce qui diffère de 4,7 % de la valeur donnée par Zeiss.
Des irradiations ont été effectuées pour douze niveaux de dose : 2 Gy, 4 Gy, 6 Gy, 8 Gy, 10 Gy, 15 Gy, 20 Gy, 25 Gy, 30 Gy, 35 Gy, 40 Gy et 50 Gy selon la procédure expliquée dans la deuxième partie. La région de gel non-irradiée au fond des pots a été utilisée comme référence. Certaines irradiations ont été réalisées à deux reprises afin d’étudier leur répétabilité.
3.1.2. Irradiation à haute énergie
Les irradiations ont été effectuées sur un Saturne 43 avec un faisceau externe de photons de 6 MV. Huit irradiations ont été effectuées : 5 Gy, 10 Gy, 12 Gy, 17 Gy, 20 Gy, 30 Gy, 40 Gy et 50 Gy. Un échantillon non irradié a été utilisé comme référence. Certaines irradiations ont été réalisées à deux reprises afin d’étudier la répétabilité.
Pour assurer l’établissement de la zone d’équilibre électronique (zone de Build-up), les pots sont disposés deux par deux sur un porte pot en PVC et immergés dans un réservoir d'eau de 30 x 30 x 30 cm3. La cuve est placée à 100 cm de la tête de l’accélérateur dans des faisceaux de photons (10 x 10 cm²) orienté parallèlement à l'axe des pots.
3.2. Mesure IRM
Les images IRM pondérées en T2 sont acquises pour la lecture du gel irradié. L'optimisation de la séquence d'imagerie par résonance magnétique est une étape importante dans la mesure où le rapport signal sur bruit (SNR) et la résolution spatiale déterminent la qualité de lecture du gel.
Les acquisitions IRM sont réalisées sur une IRM Magnetom Aera de 1,5 T (Siemens Healthcare, Erlangen, Allemagne) équipée d’une antenne tête flexible.
Une séquence multi-échos pondérée en T2 est réalisée pour acquérir 5 coupes de 2 mm d'épaisseur en utilisant un FOV de 200 x 200 mm2, une matrice de 256 x 256 pixels (donnant une taille de pixel de 0,78 x 0,78 mm²) avec 16 temps d'écho de 22,5 ms et un temps de répétition de 2000 ms. Le temps total d'acquisition était de 7 minutes.
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3.3. Résultats
La réponse à la dose du gel EDSoft irradié à basse énergie est comparée à celle du gel irradié à haute énergie. Lorsque le gel est irradié à haute énergie, la relation effet/dose n’est plus linéaire au- delà de 30 Gy et un effet de saturation est observé. Comme dans le chapitre IV, plutôt que de redéfinir le domaine de linéarité, le choix est fait d’utiliser le gel sur la gamme de doses [0 - 50] Gy, en utilisant un fit polynomial d’ordre 2 afin de prendre en compte les effets de saturation. Le gel présente une sensibilité de 0,0643 s-1.Gy-1 (Figure V-3) ce qui est plus faible que la valeur obtenue lors des mesures de la reproductivité (0,101 s-1.Gy-1). Cependant le coefficient de saturation est plus faible pour ces mesures (-0,0004 s-1.Gy-2) que pour les mesures de reproductibilité (-0,0007 s-1.Gy-2) ce qui montre une nouvelle fois l’effet bénéfique du flux d’air sur la linéarité de la relation effet/dose.
A basse énergie, le signal maximum a été détecté à la surface des gels et nous avons constaté que, comme prévu, le signal diminuait rapidement dans les premiers millimètres. De nouveau, la relation effet/dose n’est pas linéaire sur la gamme [0 - 50] Gy et une relation polynomiale d’ordre 2 est utilisée afin de prendre en compte les effets de saturation. Le gel présente une sensibilité de 0,0454 s-1.Gy-1 avec un coefficient de saturation assez faible (-0,0002 s-1.Gy-2) ce qui montre que nous ne sommes pas très loin d’avoir une relation linéaire (Figure V-3).
Figure V-86 : Réponse à la dose du gel EDSoft irradié à basse énergie (cercle plein), mesurée en utilisant l’eau comme liquide d’immersion pour 12 doses (2, 4, 6, 8, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40 et 50
Gy) et comparaison avec la réponse à la dose du gel EDSoft irradié à haute énergie (cercle vide), mesurée pour 8 niveaux de doses (5, 10, 12, 17, 20, 30, 40 et 50 Gy).
y = -0,0002x2+ 0,0454x + 0,0388 y = -0,0004x2+ 0,0643x + 0,0471 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
R
2-R
2 0(s
-1)
Dose (Gy)
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Nous observons que la sensibilité à haute énergie est 30 % plus élevée que celle à faible énergie, ce qui confirme que la sensibilité du gel dépend de l’énergie du faisceau de photons. Cependant cet écart est plus important que celui observé dans le chapitre IV lors des mesures de dépendance en énergie (jusqu’à 20 %). Cet écart peut être expliqué par la différence entre les deux préparations du gel. Nous avons vu dans le Chapitre III que la vitesse de refroidissement affecte la formation de structure hélicoïdale ordonnée. En effet, lorsque la vitesse de refroidissement est rapide, la proportion de structure hélicoïdale ordonnée diminue au profit de structure plus amorphe. Ces structures amorphes possèdent une vitesse de relaxation transversale 𝑅𝑅20 plus faible que celle de la structure hélicoïdaleordonnée [18]. Ces structures sont moins liées à l’eau présente dans le milieu, ce qui augmente la proportion en eau libre [19]. Pour comprendre l’influence de la quantité d’eau libre sur la sensibilité du gel, nous devons revenir au modèle le plus simple : la solution de Fricke.
Dans une solution d'ions ferriques, l'eau existe sous deux formes. Certaines molécules d'eau se trouvent dans la sphère de coordination des ions. Ces molécules d'eau sont dites « liées » ou « d'hydratation ». Le reste des molécules d'eau sont libres et constituent la majeure partie de l’eau. Le taux de relaxation de spin qui apparaît est la moyenne pondérée des taux de relaxation de ces deux groupes [20]:
𝑅𝑅2𝑎𝑎𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝑒𝑒. 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖+ (1 − 𝑒𝑒)𝑅𝑅𝑤𝑤 Relation V-1
où 𝑒𝑒 est la fraction de proton qui se trouve sur la coordination des molécules d'eau, 𝑅𝑅𝑖𝑖𝑖𝑖 est le taux de
relaxation des protons des molécules d'eau de coordination et 𝑅𝑅𝑤𝑤 est le taux de relaxation des protons
des molécules d'eau libre.
Si la concentration de l'espèce magnétique 𝑆𝑆𝐹𝐹𝑒𝑒3+ (mol.L-1) est suffisamment faible pour ne pas
chevaucher les sphères de coordination des ions voisins, la fraction d'eau de coordination p est égale à :
𝑒𝑒 = 𝑛𝑛. 𝑆𝑆𝐹𝐹𝑒𝑒3+⁄ 𝑆𝑆𝑤𝑤 Relation V-2
Où 𝑛𝑛 est le nombre de molécules d’eau en contact réel avec l’ion et 𝑆𝑆𝑤𝑤(mol.L-1) est la concentration
en eau libre.
L'équation de Solomon-Bloembergen [21,22] vue dans le Chapitre II est ainsi retrouvée en reformulant l'équation V-1 comme suit :
𝑅𝑅2𝑎𝑎𝑐𝑐𝑐𝑐 = 𝑅𝑅20+ 𝑟𝑟2. 𝑆𝑆𝐹𝐹𝑒𝑒3+ où : 𝑟𝑟2= (𝑛𝑛 𝑆𝑆� )(𝑅𝑅𝑤𝑤 𝑖𝑖𝑖𝑖− 𝑅𝑅𝑤𝑤) et 𝑅𝑅𝑤𝑤= 𝑅𝑅20 Relation V-3
La Relation V-3 montre bien que la réponse du gel 𝑅𝑅2𝑎𝑎𝑐𝑐𝑐𝑐 et sa sensibilité 𝑟𝑟2 diminuent quand la
concentration en eau libre 𝑆𝑆𝑤𝑤 augmente ou quand la vitesse de relaxation transversale du gel 𝑅𝑅20
diminue. Cela explique l’écart de sensibilité observé avec les mesures à haute énergie du chapitre IV mais cela n’explique pas l’augmentation de la différence de réponse entre les mesures à basse et à haute énergie.
Cette différence est expliquée par la diminution du rendement chimique du Fe3+ pour les faibles énergies [23,24], entraînant une diminution de la sensibilité. La présence de structure plus amorphe conduit donc à une diminution de la sensibilité du gel plus importante pour les faibles énergies. La différence entre les deux préparations du gel peut donc bien expliquer ces écarts.
Pour l’irradiation avec l’Intrabeam, les incertitudes sur les taux de relaxation R2 mesurés aux fortes doses sont plus élevées que celles des faibles doses, ce qui est l’inverse de ce qui est trouvé
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généralement pour les hautes énergies [25]. Pour le Saturne 43 (6 MV), les incertitudes sont constantes sur quasiment toute la gamme de dose à part pour les faibles doses où elles sont plus élevées.Dans le cas du gel EDSoft irradié avec l’accélérateur Saturne 43 photons 6 MV, les mesures de reproductibilité ont montré un écart maximum entre dose mesurée et dose prescrite de 3 % pour une incertitude de 8 % sur la dose mesurée. Dans le cas des irradiations avec l’Intrabeam, les mesures de reproductibilité ont montré un écart maximum entre dose mesurée et dose prescrite de 7,2 % pour une incertitude de 9,7 % sur la dose mesurée. La valeur de l’incertitude trouvée pour l’Intrabeam est supérieure à celle obtenue à haute énergie. Cela pourrait être liée à la présence d’une couche d’eau pendant les procédures d’irradiation et de lecture IRM. Le gel peut avoir gonflé, ce qui a entraîné une inhomogénéité à la surface, qui pourrait expliquer en grande partie la diminution de la précision. De plus, dans cette étude, les courbes réponses/doses ont été réalisées à partir de différentes images et donc à partir de différentes acquisitions IRM ; ce qui pourrait également ajouter des incertitudes dans la détermination des doses.
Nous allons maintenant pouvoir réaliser la carte isodose en utilisant la droite d’étalonnage effet/dose ainsi qu’un rendement en profondeur.