1.3 Les techniques de délivrance du faisceau
On distingue trois principales techniques de délivrance du faisceau en protonthérapie. La première est appelée technique passive ou à double diuseur (double scattering, DS) et consiste à produire un faisceau élargi. Elle est la plus utilisée aujourd'hui. Les deux autres techniques sont appelées balayage uniforme (uniform scanning, US) et balayage de mini-faisceaux (pencil beam scanning, PBS), et consistent à déplacer grâce à un système magnétique un grand nombre de petits faisceaux dans un volume cible, pour eectuer des modulations dynamiques du trajet, de l'énergie et de l'intensité des faisceaux.
1.3.1 La diusion passive
A n d'obtenir l'uniformité nécessaire au traitement sur toute la surface d'un champ d'ir-radiation (à quelques pourcents près), de nombreuses méthodes pour élargir latéralement des faisceaux de protons ont été étudiées. La technique passive, constituée d'un ou plusieurs diuseurs en est l'une des principales ([Nauraye 1995]) et permet une bonne conformation latérale et distale au volume cible, mais plus mauvaise sur les bords proximaux. Pour que le parcours des protons soit ajusté à la profondeur de la lésion, des absorbeurs permettent de régler la position d'un ensemble de pics, élargis latéralement par deux diuseurs successifs. Une roue modulatrice (typiquement en aluminium) permet de superposer diérents pics de Bragg en profondeur et de régler la largeur du plateau de dose à l'épaisseur équivalente de la lésion (SOBP, voir un exemple gure1.6). Ce modulateur peut être synchronisé à la source du faisceau ce qui permet un ajustement n de la modulation obtenue. Des jeux de collimateurs (par exemple en laiton ou en béton), disposés le long de la ligne de faisceau permettent de limiter la contamination par les particules secondaires, ou de délimiter la forme du faisceau à chaque condition d'irradiation tout en réduisant la pénombre latérale (collimateurs person-nalisés). En n un compensateur personnalisé permet d'ajuster précisément les parcours des particules à la forme distale du volume cible. Ces accessoires sont généralement usinés en plexiglas et placés au plus proche du patient a n de minimiser leur impact sur la pénombre du faisceau. Selon la disposition du système de diusion, les patients sont traités en position allongée ou assise, immobilisés sur des supports couplés à des robots à 6 degrés de liberté permettant les rotations et translations quasiment sans limitation angulaire ([Mazal 1997]).
Pour améliorer la conformation et diminuer la dose aux organes à risque, une technique ap-pelée patching, spéci que des faisceaux diusés est aussi régulièrement utilisée. Une balistique constituée de quelques faisceaux, en général deux ou trois, est ainsi dé nie a n d'irradier par-tiellement un volume cible complexe tout en protégeant les organes critiques. Dans un patch à deux champs, les faisceaux sont combinés de telle sorte que le parcours distal du premier soit ajusté à la pénombre latérale du second (deux exemples sont illustrés gure 1.7). Les pénombres distale et latérale des deux champs doivent se recouper à leur 50 % de dose a n de minimiser d'éventuels sur ou sous-dosages. Toutefois, les distributions de dose obtenues ne sont généralement pas uniformes à cause des hétérogénéités traversées et du manque d'outils dans les TPS pour prendre en compte les eets de diusions et gradients de dose locaux, par exemple dans la conception des compensateurs. En pratique, ce type de jonction est
systéma-tiquement réalisé au sein des volumes cibles, à distance des organes critiques. De plus et pour minimiser les incertitudes, les patchs sont généralement combinés et alternés quotidiennement a n de déplacer régulièrement les zones de jonctions.
(a) (b)
Figure 1.7 Images scanner avec a chage de la dose en % pour des cas de chordome avec combinaison de patchs : (a) deux champs a n d'éviter la moëlle épinière (b) trois champs pour irradier les parties postérieures et antérieures du volume cible en évitant le tronc cérébral.
1.3.2 Le balayage uniforme
Les systèmes de balayage uniforme (par exemple celui d'IBA pour les protons) peuvent délivrer des distributions de dose transverses de 30x40 cm2. Le faisceau est balayé continu-ment selon une trajectoire prédé nie à l'aide de deux dipôles orthogonaux utilisés à fréquence constante, et la taille du faisceau initial est généralement de quelques cm. Cette dimension de faisceau est calculée par le système et ajustée a n de garantir l'homogénéité de dose quelles que soient la dimension et la profondeur irradiée. Les accessoires personnalisés comme le col-limateur et le compensateur sont également utilisés a n d'assurer la conformation latérale et distale du faisceau au volume cible ([Farr 2008]). Peu voire pas de modi cations des al-gorithmes de calcul sont nécessaires par rapport à la technique passive a n de calculer les distributions de dose. En eet, les principales diérences dosimétriques entre ces deux tech-niques résident dans les valeurs absolues des pénombres latérales dans l'air, et ces valeurs sont généralement paramétrables dans les librairies des TPS ([Rana 2013]). La méthode de balayage uniforme possède néanmoins quelques avantages par rapport à la technique passive : grâce à une quantité moindre de diuseur sur le trajet des faisceaux, les pénombres latérales et distales sont généralement un peu plus petites (d'un facteur 2 dans l'air) pour des tailles de champ équivalentes. Les dimensions transverses, les parcours et modulations maximales at-teignables dans le patient sont également plus élevés pour une énergie en sortie d'accélérateur équivalente.
1.3. Les techniques de délivrance du faisceau 25
1.3.3 Le balayage de mini-faisceaux
Les techniques de modulation d'intensité et de mini-faisceaux consistent à balayer le vo-lume cible tout en faisant varier l'énergie et l'intensité (ou le temps d'irradiation) de chacun des faisceaux. Des pics de Bragg natifs de quelques millimètres sont ainsi distribués transver-salement et longitudinalement à des vitesses respectives de l'ordre de quelques m à quelques mm par seconde (la vitesse de changement d'énergie va dépendre fortement du type d'accélé-rateur utilisé). Entre chaque spot, le faisceau est généralement éteint le temps de modi er les paramètres en énergie et magnétiques. A l'instar de l'IMRT pour les photons, les simulations des distributions de dose avec des mini-faisceaux de protons montrent une amélioration si-gni cative de la conformation aux volumes cibles. Il existe plusieurs méthodes possibles pour moduler l'intensité des faisceaux de protons, décrites en détail par les équipes du centre de Villingen (PSI, Suisse), premiers à les avoir appliquées en routine clinique ([Lomax 1999]). Les deux principales, appelées SFUD (single eld uniform scanning) et IMPT (intensity mo-dulated proton therapy) sont illustrées gure1.8. En SFUD, une contrainte d'uniformité sur le volume cible est imposée pour chaque champ (angle de faisceau incident), et la modulation (largeur du SOBP) est ajustée précisément à la géométrie de la lésion en proximal sur chaque axe irradié. En IMPT, les pics de Bragg sont distribués avec une liberté d'hétérogénéité sur la dose délivrée par chaque champ, et seule la dose cumulée des diérents faisceaux devra répondre aux critères d'uniformité prescrits par l'utilisateur. Pour ces deux techniques, le po-sitionnement initial des spots est primordial, les poids initiaux attribués aux mini-faisceaux sont également importants dans le processus d'optimisation et peuvent in uer sur le résultat ([Albertini 2010]) et une modélisation précise des géométries et des paramètres dosimétriques des mini-faisceaux est nécessaire (c'est en partie l'objet des chapitres3 et5 de ce travail).
Figure 1.8 Schémas représentatifs et courbes de rendements en profondeur pour les approches (a) SFUD et (b) IMPT d'irradiations en mini-faisceaux balayés (tiré de [Lomax 1999]).