V´ erifications dosim´ etriques in vivo

La dosim´etrie in vivo clinique a pour but de contrˆoler la dose prescrite dans un volume par une mesure au point d’entr´ee de chaque faisceau, sur la peau du patient. Pour la dosim´etrie in vivo pr´eclinique, des contraintes li´ees `a la prise en charge de l’animal et au positionnement du d´etecteur limitent la flexibilit´e des mesures. L’animal doit ˆetre anesth´esi´e et surveill´e tout au long de l’irradiation. Comme montr´e dans la section pr´ec´edente, il est ´egalement tr`es difficile de placer le dosim`etre au centre des mini-collimateurs, dans l’axe du volume `

a traiter. Il n’existe en effet pas de projection lumineuse du champ sur le X-Rad 225Cx et les lasers de positionnement, de largeur similaire `a la fibre scintillante, ne permettent pas d’assurer une pr´ecision de centrage sub-millim´etrique. Les v´erifications dosim´etriques in vivo sur les petits animaux ont donc ´et´e r´ealis´ees en suivant la m´ethodologie adopt´ee pour les mesures sur le mini-fantˆome, o`u les incertitudes li´ees au positionnement du dosim`etre dans le faisceau sont minimis´ees en le pla¸cant `a l’isocentre grˆace `a un CBCT, ou en effectuant des irradiations dans des champs larges (sup´erieurs `a 10 mm de diam`etre).

Des exp´eriences ex vivo ont ´et´e r´ealis´ees dans un premier temps afin d’´etablir un protocole rigoureux de mesure de la dose sur le crˆane, pour des irradiations c´er´ebrales. Cela nous a permis d’une part de limiter le nombre d’animaux impliqu´es dans l’exp´erience (3 rats).

5.3 Dosim´etrie in vivo

D’autre part, une ´etude de reproductibilit´e a pu ˆetre men´ee, malgr´e la dose cumul´ee ´elev´ee. Suite `a cette validation de protocole, des mesures in vivo ont ´et´e effectu´ees lors d’une exp´erience de radiobiologie men´ee par l’´equipe Cervoxy de Cyceron. P´er`ez et al comparent l’effet des faibles doses sur les tissus c´er´ebraux chez les rats `a celui des fortes doses. La dose planifi´ee par diff´erents plans de traitement a donc ´et´e contrˆol´ee avec DosiRat sur le crˆane de 6 rats : 3 recevant une forte dose et 3 recevant une faible dose.

Les exp´eriences ex vivo et in vivo seront pr´esent´ees et trait´ees ensemble. Les conditions de mesure des deux exp´eriences ´etaient en effet similaires et ´etant donn´e la localisation des irradiations, les mouvements cardiaques ou respiratoires de l’animal ne sont pas `a l’origine des diff´erences entre les mesures ex vivo et in vivo.

5.3.3.1 Mat´eriel et m´ethodes

L’ensemble des irradiations a ´et´e r´ealis´e `a l’aide d’un faisceau ant´erieur seul, ciblant le centre du cerveau de l’animal. La dose a ´et´e mesur´ee `a la surface du crˆane.

Les ´etapes de planification de traitement et de mesures de la dose sont r´esum´ees sur la figure 5.3.5. Elles sont identiques `a celles d´ecrites pour les mesures de dose sur le mini- fantˆome. La dur´ee totale d’un traitement est d’environ 30 minutes (incluant les ´etapes d’imagerie et de planification ainsi que la mesure) pendant laquelle l’animal est maintenu anesth´esi´e.

Figure 5.3.5 : Etapes de planification de traitement pour la v´erification in vivo de la dose´ planifi´ee, mesur´ee `a la surface du crˆane d’un rat.

Le d´eroulement de l’exp´erience pour un animal comprend tout d’abord la phase d’anesth´esie au gaz isoflurane (sauf ex vivo). Le rat est positionn´e dans le lit Minerve, con¸cu aussi bien pour l’imagerie que l’irradiation. La sonde de DosiRat est fix´ee sur le crˆane du rat.

Figure 5.3.6 : Imagerie du rat, Do- siRat ´etant positionn´e sur son crˆane.

Figure 5.3.7 : Irradiation du cerveau d’un rat et contrˆole de la dose d´elivr´ee par DosiRat, plac´e sur l’axe du faisceau et centr´e sur les lasers de positionnement.

Une acquisition CBCT de l’animal avec le d´etecteur est alors effectu´ee, comme montr´e sur la figure 5.3.6, puis les images sont export´ees vers SmART-Plan. Les mat´eriaux et densit´es sont attribu´es aux diff´erents voxels de l’image : les tissus mous (ICRU), l’os (ICRU) et l’air. La fibre est contour´ee et assimil´ee `a de l’eau. Diff´erents plans de traitements ont alors ´et´e cr´e´es et la dose d´epos´ee dans la fibre calcul´ee `a partir de l’image DICOM RT Dose :

- Pour les exp´eriences ex vivo, la dose prescrite au cerveau ´etait de 2 Gy, 0,5 Gy et 0,1 Gy avec les collimateurs de 10, 5 et 2,5 mm de diam`etre. Pour les faibles doses (0,5 et 0,1 Gy), la dur´ee d’irradiation ´etant trop courte `a d´ebit de dose standard (225 kV, 13 mA), elles ont donc ´et´e r´ealis´ees avec un d´ebit de dose dix fois plus faible (225 kV, 1,3 mA). Chaque mesure a ´et´e effectu´ee trois fois afin d’´evaluer la reproductibilit´e. L’animal ainsi que le dosim`etre ont ´et´e syst´ematiquement sortis puis replac´es entre chaque mesure.

- Pour les exp´eriences in vivo, le collimateur de 25 mm de diam`etre a ´et´e utilis´e pour garantir une irradiation totale du cerveau. La dose prescrite au centre du cerveau ´etait de 10 Gy `a d´ebit standard (forte dose) et de 0,1 Gy `a d´ebit r´eduit (faible dose). La grande diff´erence de poids entre les rats des exp´eriences ex vivo (∼ 400 g) et in vivo (∼ 600 g) a ´egalement contribu´e `a diversifier les configurations.

Le traitement a ensuite ´et´e d´elivr´e `a l’animal et la dose mesur´ee avec DosiRat comme le montre la figure 5.3.7. Le facteur correctif de l’´etalonnage appliqu´e (´equation (5.1.5)) est celui comprenant l’h´et´erog´en´eit´e os dans un mini-fantˆome compos´e de cerveau (voir figure 5.3.1).

5.3.3.2 R´esultats et discussion

Les r´esultats sont pr´esent´es dans le tableau 5.3.6. Sur les 46 mesures effectu´ees au total, seule une mesure par collimateur, par dose prescrite et par d´ebit de dose est pr´esent´ee ici. Le reste des r´esultats se trouve en annexe. Les r´esultats sont n´eanmoins discut´es dans leur

5.3 Dosim´etrie in vivo

ensemble en se concentrant sur l’´ecart entre la dose mesur´ee par DosiRat et la dose calcul´ee par SmART-Plan.

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A d´ebit de dose standard (13 mA), les ´ecarts varient de +6,5 `a -1,6 %, pour les fortes doses (10 et 2 Gy prescrits au cerveau), pour toutes les tailles de champ sup´erieures `a 2,5 mm de diam`etre. Pour la dose de 0,5 Gy, les ´ecarts sont plus ´elev´es : de l’ordre de -15 %.

`

A d´ebit de dose r´eduit (1,3 mA), les ´ecarts pour les faibles doses (0,5 et 0,1 Gy) sont de l’ordre de -6 %.

En revanche, quel que soit le d´ebit de dose, les ´ecarts sont de l’ordre de -20 `a -30 % avec le collimateur de 2,5 mm de diam`etre. Ces diff´erences importantes viennent de la dimension de la fibre scintillante (2 mm) qui est proche de celle du faisceau. De plus, la correction du Winston-Lutz n’a pu ˆetre effectu´ee en d´ebut d’exp´erience pour ce collimateur du fait des amplitudes de mouvements m´ecaniques parasites trop importantes devant le diam`etre du champ (cf. § 3.2.1 du chapitre 3). Une erreur de ciblage est donc in´evitable menant `

a un sous-dosage, dont l’amplitude varie avec la reproductibilit´e de positionnement du collimateur. Ces r´esultats ne seront donc pas trait´es avec les autres `a cause du biais caus´e par l’irradiation partielle de la fibre.

Pour les autres collimations, les ´ecarts semblent ´evoluer en fonction de la dose totale d´elivr´ee et ne d´ependent pas de la taille du champ.

Une analyse similaire `a celle faite pour les v´erifications sur le mini-fantˆome a donc ´et´e effectu´ee. Les ´ecarts relatifs sont repr´esent´es en fonction de la dose calcul´ee par SmART-Plan sur la figure 5.3.8. Afin de comparer les ´ecarts obtenus `a d´ebit de dose r´eduit `a ceux obtenus `

a d´ebit de dose standard, les doses pour 1,3 mA ont ´et´e multipli´ees par 10. La courbe a ´et´e ajust´ee par l’´equation (5.3.1) qui a, ici aussi, permis d’extraire les deux param`etres a et b, repr´esentatifs des ´ecarts de doses. Ils sont rapport´es dans le tableau de la figure 5.3.8.

Table 5.3.6 : Comparaison entre la dose calcul´ee par SmART-Plan et celle mesur´ee par DosiRat pour diff´erents plans de traitement d´elivr´es au cerveau de rats `a diff´erents d´ebits de dose.

Courant champ (mm)

Dprescriteau

cerveau (Gy) DT P S(Gy) DDosiRat(Gy) Ecart relatif´ ´ Ecart absolu (cGy) 13 mA 25 10 11,27 11,98 6,3 % 71,1 10 2 2,42 2,43 0,5 % 1,2 0,5 0,60 0,52 -13,1 % -7,9 5 2 2,38 2,41 1,4 % 3,3 0,5 0,59 0,49 -16,9 % -10,1 2,5 2 2,37 1,92 -19,0 % -44,9 0,5 0,59 0,42 -29,1 % -17,2 1,3 mA 25 0,1 0,11 0,10 -6,0 % -0,65 10 0,5 0,59 0,57 -2,6 % -1,51 0,1 0,12 0,12 -3,0 % -0,36 5 0,5 0,59 0,61 2,5 % 1,46 0,1 0,12 0,11 -7,9 % -0,94 2,5 0,5 0,59 0,54 -8,3 % -4,89 0,1 0,12 0,09 -24,2 % -2,87

Param`etre

d’ajustement Valeur

a - 0,11 Gy

b 5,1 %

Figure 5.3.8 : A gauche : ´ecarts relatifs entre la dose mesur´ee et la dose calcul´ee, en fonction` de la dose calcul´ee par le TPS SmART-Plan. `A droite : Param`etres d’ajustement de l’´ecart entre la dose mesur´ee et la dose calcul´ee exprim´e par l’´equation (5.3.1).

Le param`etre a (-0,11 Gy) est ´equivalent `a celui obtenu lors des mesures sur le mini- fantˆome et correspond `a la dose perdue par le temps d´eclenchement et de stabilisation du tube `a rayons X, non pris en compte dans la dur´ee de traitement calcul´ee par le TPS. Cette dose correspond effectivement `a 1,9 secondes de faisceau, d´elivr´e avec le d´ebit de dose standard. Cette dur´ee est similaire aux 2,1 secondes calcul´ees pr´ec´edemment.

Un biais caract´eris´e par le param`etre b est ´egalement identifi´e. Il est comparable `a celui du mini-fantˆome (3,6 %) bien que l´eg`erement sup´erieur (5,1 %). Cette diff´erence peut ici aussi s’expliquer par l’incertitude sur le facteur correctif F CE. En effet, les conditions de mesure sont ´eloign´ees de celles pour lesquelles F CE a ´et´e calcul´e (tableau 5.3.1). La forme cylindrique du crˆane peut provoquer un manque de photons r´etro-diffus´es par rapport `a l’horizontalit´e de la surface du mini-fantˆome. La prise en compte de ce manque de dose permettrait de corriger davantage la surestimation de la dose par DosiRat `a l’aide un facteur correctif plus faible (< 0,969) et ainsi diminuer les ´ecarts relatifs avec la dose calcul´ee. Cependant, chaque animal a sa propre anatomie et il serait trop fastidieux de simuler un facteur correctif pour chaque cas.

Les ´ecarts entre les doses mesur´ees et effectivement d´elivr´ees par l’irradiateur ont alors ´et´e analys´es. La dose, calcul´ee par SmART-Plan, a ´et´e corrig´ee suivant l’´equation (5.3.2) avec a13 mA=0,11 Gy pour le d´ebit standard ou a1,3 mA=0,011 Gy pour le d´ebit r´eduit. En outre,

`

a d´ebit r´eduit, le courant atteint par l’irradiateur est sup´erieur `a celui planifi´e (1,335 mA au lieu de 1,3 mA) g´en´erant une dose d´elivr´ee 2,7 % plus importante. La dose calcul´ee par le TPS a donc ´egalement ´et´e normalis´ee au courant r´eel.

Les nouveaux ´ecarts de dose sont pr´esent´es dans le tableau 5.3.7. La moyenne et l’´ecart type des ´ecarts de dose ont ´et´e calcul´es sur l’ensemble des mesures r´ealis´ees, pour un d´ebit de dose donn´e et sans distinction sur la taille du champ (25, 10 ou 5 mm de diam`etre). Ainsi, la moyenne des ´ecarts de dose `a d´ebit standard est de 5,9 %, correspondant au biais identifi´e,

5.3 Dosim´etrie in vivo

avec une dispersion de ± 1,7 %. Cette dispersion est du mˆeme ordre de grandeur que la r´ep´etabilit´e de la mesure avec DosiRat avec cette sonde (1 % sur 10 mesures cons´ecutives). La dose mesur´ee dans ces conditions d’irradiation est en accord avec la dose planifi´ee avec des ´ecarts allant de 4,2 % `a 7,6 %.

Pour le d´ebit r´eduit et les faibles doses, les ´ecarts sont de 2,8 % ± 3,9%. La dispersion plus ´elev´ee est due `a la r´ep´etabilit´e de mesure avec DosiRat (2 % `a ce d´ebit de dose). Dans ces conditions, la mesure de dose avec DosiRat pr´esente des ´ecarts avec la dose planifi´ee allant de -1,1 % `a 6,7 % .

Table 5.3.7 : Comparaison entre la dose calcul´ee par SmART-Plan corrig´ee et celle mesur´ee par DosiRat pour diff´erents plans de traitement d´elivr´es au cerveau de rats `a diff´erents d´ebit de dose.

Courant champ (mm)

Dprescriteau

cerveau (Gy) DT P S− a(Gy) DDosiRat(Gy) Ecart relatif´ ´ Ecart absolu (cGy) 13 mA 25 10 11,16 11,98 7,4 % 82,1 10 2 2,31 2,43 5,3 % 12,2 0,5 0,49 0,52 6,2 % 3,0 5 2 2,27 2,41 6,3 % 14,3 0,5 0,48 0,49 1,9 % 0,9 1,3 mA 25 0,1 0,10 0,10 2,3 % 0,22 10 0,5 0,61 0,57 0,1 % 0,07 0,1 0,11 0,12 4,3 % 0,48 5 0,5 0,60 0,61 2,0 % 1,22 0,1 0,11 0,11 -0,8 % -0,08

Ces mesures ont donc permis de montrer que DosiRat est un dosim`etre ponctuel adapt´e aux mesures in vivo pour des champs d’incidence ant´erieur `a l’animal et de diam`etre allant de 25 `a 5 mm. Il donne de bons r´esultats `a d´ebit de dose standard et des ´ecarts de plus grande amplitude `a faible d´ebit.