Dosim´ etrie des cibles mobiles avec DosiRat

L’impl´ementation des irradiations pr´ecliniques synchronis´ees au mouvement `a l’aide d’un obturateur est en cours sur l’irradiateur de Cyceron, avec les travaux de Frelin-Labalme et Beaudouin. Notre dosim`etre DosiRat pourrait ˆetre d’une grande utilit´e pour fournir une information dosim´etrique en temps r´eel pour la mise en place d’un protocole d’irradiation synchronis´ee et pour les v´erifications in vivo par la suite. Ainsi, l’objectif de la derni`ere partie de ce chapitre est d’´evaluer la capacit´e de DosiRat `a contrˆoler la dose d´elivr´ee dans un fantˆome mobile. Ces r´esultats constituent une ´etude pr´eliminaire, pr´ealable aux mesures de dose lors d’un traitement synchronis´e avec la respiration, qui n’ont pas ´et´e r´ealis´ees au cours de cette th`ese.

Nous pr´esenterons dans un premier temps le fantˆome dynamique utilis´e pour reproduire les mouvements d’une souris. Des mesures de dose sur le fantˆome en mouvement effectu´ees avec DosiRat et des films EBT3 seront pr´esent´ees dans un second temps.

5.4.2.1 Mat´eriels et m´ethodes

Fantˆome dynamique Le mini-fantˆome dynamique pr´esent´e sur la figure 5.4.1 est constitu´e d’un barreau de PMMA de 3 × 9 × 3 cm3 _{similaire aux dimensions d’une souris. Il contient}

des tubes pouvant ˆetre remplis d’eau ou de 18F-FDG, radiotraceur pour l’imagerie micro- TEP. Il est solidaire d’une tige m´etallique reli´ee `a un moteur. Ce moteur g´en`ere des mou- vements suivant des fonctions qui peuvent ˆetre sinuso¨ıdales, triangulaires ou d´efinies par l’utilisateur [154] et permettent ainsi de reproduire l’amplitude, la fr´equence et la forme des mouvements respiratoires d’une souris et d’un rat. Les param`etres d’entr´ee de la fonction sont d´efinis par une amplitude (V), une fr´equence (Hz) et une forme.

La fonction impl´ement´ee durant cette ´etude est celle du mouvement du diaphragme d’une souris anesth´esi´ee respirant librement. Pour obtenir cette fonction, la souris a ´et´e imag´ee avec une acquisition fluoroscopique 2D `a 40 kV, 7 mA. Cent projections ont ´et´e acquises

5.4 Irradiation de tumeurs mobiles

Figure 5.4.1 : Diff´erentes parties constituant le mini-fantˆome dynamique.

avec une fr´equence de 15 images par seconde. La position longitudinale (axe tˆete-queue) du diaphragme a ´et´e extraite de chaque image et est repr´esent´ee en fonction du temps, sur la figure 5.4.2.

Figure 5.4.2 : Mouvement du diaphragme d’une souris en fonction du temps ajust´e par une gaussienne afin de d´efinir la fonction d’entr´ee pour le mouvement du mini-fantˆome dynamique.

Ce profil se distingue par deux phases qui se r´ep`etent d’un cycle respiratoire `a l’autre : – la phase de repos qui est une phase longue (∼ 700 ms), o`u l’animal peut ˆetre consid´er´e

immobile.

– la phase de respiration qui est une phase br`eve pendant laquelle l’animal inspire et expire rapidement (∼ 300 ms). Cette phase provoque le d´eplacement longitudinal du diaphragme dont l’amplitude sera consid´er´ee n´egative par la suite, par rapport `a la position immobile.

La fr´equence de respiration dans ce cas ´etait d’environ 1 Hz (60 cycles par minute) mais peut varier de 0,5 `a 2 Hz en fonction du degr´e d’anesth´esie de l’animal.

La phase de respiration a ´et´e ajust´ee par une gaussienne avec une amplitude de 2,62 mm et une largeur `a mi-hauteur de 223 ms. Ce profil a ´et´e utilis´e comme fonction d’entr´ee pour le mouvement du mini-fantˆome, avec des amplitudes variables (V) appliqu´ees au moteur.

Amplitudes de mouvement Avant de mesurer la dose sur le mini-fantˆome mobile, les amplitudes de d´eplacement (mm) ont ´et´e mesur´ees pour plusieurs amplitudes du signal d’entr´ee (V). Les ´etapes sont illustr´ees sur la figure 5.4.3.

Un polym`ere de haute densit´e a ´et´e plac´e sur le haut du fantˆome. Le tout a alors ´et´e imag´e avec une acquisition fluoroscopique 2D `a 40 kV, 7 mA. Cent projections ont ´et´e acquises avec une fr´equence de 15 images par seconde. Une analyse semi-automatique avec le logiciel ImageJ [93] a permis de calculer les coordonn´ees du centre de masse du polym`ere (XM,

YM) sur chaque projection et donc de d´eterminer son d´eplacement en fonction du temps.

Un ´etalonnage spatial des images fluoroscopiques a pr´ealablement ´et´e effectu´e `a partir des dimensions du fantˆome pour convertir les pixels en dimensions physiques (mm).

Figure 5.4.3 : Acquisition fluoroscopique du fantˆome en mouvement et calcul de la position du centre de masse du polym`ere en fonction du temps.

Le d´eplacement longitudinal (YM) a ensuite ´et´e ajust´e par une gaussienne simulant la

phase respiratoire, permettant d’extraire l’amplitude du mouvement en mm, sa fr´equence et sa largeur `a mi-hauteur.

Une acquisition a ´et´e effectu´ee pour des signaux d’entr´ee de diff´erentes amplitudes (3, 4,8 et 8,5 V) avec une fr´equence constante de 1 Hz. Les d´eplacements correspondants sont renseign´es dans le tableau 5.4.1 avec les largeurs `a mi-hauteur de la phase respiratoire. Ce dernier param`etre ainsi que la fr´equence nous serviront de r´ef´erence pour ´evaluer la capacit´e de DosiRat `a suivre le d´eplacement du fantˆome. Les courbes de d´eplacement en fonction du temps seront pr´esent´ees avec les r´esultats des mesures de dose avec DosiRat.

Table 5.4.1 : D´eplacement du mini-fantˆome et largeur `a mi-hauteur (LMH) de la phase respi- ratoire pour diff´erentes amplitudes programm´ees sur le moteur (V), avec une fr´equence de 1 Hz.

Amplitude signal d’entr´ee (V) Amplitude d´eplacement (mm) LMH (ms) 3 0,8 250,2 4,8 1,8 250,6 8,5 3,8 263,3

5.4 Irradiation de tumeurs mobiles

Irradiations et analyses Afin d’´evaluer les performances de DosiRat pour le suivi de la dose d´elivr´ee `a une cible mobile, des mesures de dose ont ´et´e effectu´ees `a la surface du mini- fantˆome en mouvement. Le dosim`etre repr´esente dans ce cas un volume cible mobile de 2 mm de long, irradi´e soit avec un faisceau large de 5 mm de diam`etre (marges importantes par rapport `a la dimension de la cible) soit avec un faisceau conformationnel de 2,5 mm de diam`etre. Pour ces deux tailles de champ, une mesure de dose avec le fantˆome immobile a ´et´e r´ealis´ee, suivie de mesures avec le fantˆome en mouvement pour les diff´erentes amplitudes du tableau 5.4.1, `a une fr´equence de 1 Hz (voir figure 5.4.4 (a)).

DosiRat a ´et´e plac´e `a l’isocentre `a l’aide d’un CBCT. Cette position correspond `a la phase de repos du cycle respiratoire (phase longue), o`u le dosim`etre est centr´e dans le champ d’irradiation et recevra le plus de dose. L’incidence des irradiations ´etait uniquement ant´erieure avec une dur´ee de 90 secondes. La fr´equence d’´echantillonnage de la charge par DosiRat a ´et´e fix´ee `a 100 Hz (celle de r´ef´erence utilis´ee dans toutes les autres applications de cette th`ese ´etant de 10 Hz) afin d’augmenter le nombre de points de mesure dans la phase respiratoire (phase courte). Le d´ebit de dose D•DosiRat a ´et´e obtenu `a partir du d´ebit de

charge mesur´e, avec l’´equation (5.1.4). Les d´ebits de dose en fonction du temps ont alors ´et´e compar´es aux d´eplacements du mini-fantˆome, obtenus `a partir des images fluoroscopiques.

(a)

(b)

Figure 5.4.4 : (a) Mesure de la dose d´elivr´ee `a la surface du mini-fantome mobile avec DosiRat. (b) Mesure avec un film EBT3 de la dose d´elivr´ee au mini-fantˆome mobile.

Une analyse dosim´etrique ´et´e effectu´ee, en comparant la dose totale d´elivr´ee pour chaque amplitude de mouvement `a celle d´elivr´ee sur le fantˆome immobile pendant les 90 secondes de traitement. Le cas immobile repr´esente le cas id´eal o`u la dose planifi´ee est d´elivr´ee au volume cible int´egralement et de mani`ere homog`ene.

Afin d’obtenir une dose de r´ef´erence, la mˆeme exp´erience a ´et´e reproduite avec des films EBT3 irradi´es `a la surface du fantˆome (voir figure 5.4.4 (b)). Les films EBT3 ont pr´ealablement ´et´e ´etalonn´es en dose dans l’eau avec le protocole d´ecrit au § 3.2.4.1 du cha- pitre 3. La dose totale d´elivr´ee dans l’axe du faisceau correspondant `a la phase de repos

a ´et´e calcul´ee dans des ROI de 1 × 2 mm2_{, de mˆemes dimensions que la fibre scintillante}

composant la sonde de DosiRat.

5.4.2.2 R´esultats

D´eplacement et dose en fonction du temps Le mouvement longitudinal du fantˆome (YM)

et les d´ebits de dose mesur´es ( D•DosiRat ) en fonction du temps sont repr´esent´es sur la

figure 5.4.5, pour les deux tailles de champ. Les distributions de dose mesur´ees avec les films EBT3 sont ´egalement repr´esent´ees pour chaque situation.

Chaque profil de d´ebit de dose en fonction du temps a ´et´e ajust´e par une gaussienne, dont les param`etres (amplitude de d´ebit de dose A•

Dresp.

et largeur `a mi hauteur LM H de la phase respiratoire) sont renseign´es dans le tableau 5.4.2. Le d´ebit de dose maximal

•

Drepos est ´egalement pr´esent´e. Il correspond au d´ebit de dose mesur´e lorsque la fibre est

centr´ee dans le champ, pendant la phase de repos. Le d´ebit diminue lorsque le fantˆome se d´eplace (amplitude de mouvement n´egative).

Les profils de dose suivent fid`element les mouvements du mini-fantˆome. La fr´equence du cycle respiratoire est en tr`es bon accord avec celle programm´ee (1 Hz) quelle que soit la situation. La largeur `a mi-hauteur concorde en moyenne `a -25 % avec celle du d´eplacement, pour les irradiations avec le champ de 5 mm de diam`etre. Dans le champ de 2,5 mm de diam`etre, la largeur `a mi-hauteur est au contraire ´elargie de +10 % en moyenne, par rapport `

a celle du d´eplacement programm´e. Ces diff´erences importantes proviennent de la qualit´e de l’ajustement de la gaussienne. Elle est affect´ee par la fr´equence d’´echantillonnage ´elev´ee (100 Hz) de la charge de DosiRat qui conduit `a un rapport signal sur bruit faible. Nous verrons que cela n’affecte pas la dose totale mesur´ee sur la dur´ee du traitement. En revanche, pour des mesures en temps r´eel, il serait n´ecessaire d’augmenter la sensibilit´e de DosiRat afin d’obtenir un rapport signal sur bruit plus ´elev´e, en changeant le photod´etecteur par exemple.

Les mesures de DosiRat permettent par ailleurs de d´etecter une sortie partielle ou totale de la cible du champ d’irradiation. Le sous-dosage au volume cible peut alors ˆetre ´evalu´e, par rapport `a la dose planifi´ee pour l’int´egralit´e du traitement. Ainsi, la dose perdue, pr´esent´ee dans le tableau 5.4.2 `a ´et´e ´evalu´ee `a partir de l’´equation (5.4.1).

Dperdue(%) =

Dresp

Dprescrite

(5.4.1)

o`u Dprescrite est la dose prescrite au volume cible et a ´et´e calcul´ee `a partir du d´ebit de dose

maximal sur la dur´ee du cycle respiratoire tel que Dprescrite=

•

Drepos

f avec f la fr´equence du

cycle (1 Hz).

Dresp est la dose d´elivr´ee pendant la phase respiratoire. Elle a ´et´e calcul´ee `a partir de

l’int´egrale de la gaussienne dans cette phase avec l’´equation :

Dresp = A•

Dresp.

LM H

r _π

4 ln(2) (5.4.2)

Lorsque DosiRat sort int´egralement du champ, cela entraˆıne une mesure de d´ebit de dose nul pendant la phase respiratoire. La dose perdue pendant cette phase repr´esente

5.4 Irradiation de tumeurs mobiles

Figure 5.4.5 :D´ebits de doseD•DosiRatmesur´es en fonction du temps pour deux tailles de champ,

compar´es au d´eplacement longitunial YM du mini-fantˆome, avec des amplitudes croissantes. Chaque

distribution `a ´et´e ajust´ee par une gaussienne (courbes en traits pleins). Les distributions spatiales de la dose, mesur´ees `a l’aide des films EBT3, sont repr´esent´ees en comparaison.

environ 26,3 % de la dose prescrite, ´equivalent `a la dur´ee des respirations sur un cycle (263,3 ms). Pour une sortie partielle du champ, la perte de dose devient significative lorsque le d´eplacement est du mˆeme ordre de grandeur que la taille du champ. Lorsque le d´eplacement est inf´erieur `a la dimension du volume cible, l’impact sur la dose d´elivr´ee est faible voir n´egligeable, comme dans le cas des d´eplacements respectifs de 1,8 mm et 0,8 mm dans le champ de 5 mm de diam`etre.

Dose totale mesur´ee Une analyse plus pr´ecise de la dose totale d´elivr´ee en fonction de la taille du champ et de l’amplitude du mouvement est pr´esent´ee dans le tableau 5.4.3. La perte de dose par rapport `a la dose d´elivr´ee en position immobile est renseign´ee, pour DosiRat et

Table 5.4.2 : D´ebits de dose dans la phase de repos, amplitudes du d´ebit de dose et largeurs `

a mi-hauteur de la phase respiratoire ainsi que dose totale perdue pour diff´erentes amplitudes de mouvement du mini-fantˆome.

Collimateur Amplitude (mm) • Drepos (Gy/min) A• Dresp. (Gy/min) LMH (ms) Dperdue 5 mm  0,8 3,14 0 0 0 1,8 3,14 1,54 172 -8,5 % 3,8 3,17 3,64 213 -24,5 % 2,5 mm 0,8 1,73 1,04 228 -13,7 % 1,8 1,77 1,90 268 -28,7 % 3,8 1,71 1,87 353 -38,6 %

les films EBT3.

Dans le cas du champ de 5 mm de diam`etre, les doses mesur´ees par DosiRat et les films sont en bon accord avec un ´ecart relatif de ± 5,2 %. La perte de dose en fonction de l’amplitude est ´egalement similaire quelle que soit l’amplitude de d´eplacement. Les mesures concordent avec la dose perdue ´evalu´ee `a partir des informations temporelles pr´esent´ees pr´ec´edemment (ta- bleau 5.4.2). Ainsi, la perte de dose est significative d`es lors que le d´eplacement est sup´erieur `

a la dimension du volume cible. Elle est de -25 % lorsque le volume sort compl`etement du champ d’irradiation sur toute la dur´ee du traitement, en accord avec la dur´ee de la phase respiratoire du cycle de respiration.

Dans le cas du champ de 2,5 mm de diam`etre, la perte de dose est critique pour tous les d´eplacements sup´erieurs `a 0,8 mm. Pour les mesures avec les films EBT3, elle est d’environ -30 %, soit de l’ordre de grandeur de la proportion du temps pass´e hors du faisceau pendant la phase respiratoire.

La dose mesur´ee par DosiRat est syst´ematiquement inf´erieure `a celle dans les films. Ce sous-dosage suppl´ementaire provient du centrage de la fibre scintillante de 2 mm dans le champ, dont les dimensions sont tr`es proches. Ce d´ecalage accentue la sortie du dosim`etre du champ d`es que le fantˆome est en mouvement et sous-estime alors la dose perdue pendant la phase respiratoire. N´eanmoins, ce cas de figure est repr´esentatif d’un cas pratique d’ir- radiation cibl´ee d’une tumeur mobile. Il met en ´evidence l’erreur sur la dose d´elivr´ee due `a une incertitude dans le ciblage, qui ne peut ˆetre ´evalu´ee `a partir de la distribution de dose dans les films.