Thesis
Reference
Etude des irradiations reçues par les patients lors des imageries peropératoires en orthopédie pédiatrique
PROD'HOMME, Marc Albert Maurice
Abstract
Le niveau d'irradiation ionisante liée à l'utilisation de l'imagerie médicale peropératoire demeure mal connu en traumatologie infantile. De ce fait, le risque carcinologique radio-induit (RCRI) reste une préoccupation chez l'enfant. Le but de ce travail était d'évaluer de façon prospective la dose effective (DE) en millisievert (mSv) reçue par un mannequin et par les enfants opérés en traumatologie pédiatrique. L'étude sur mannequin a montré qu'une acquisition 3D avec un O-arm équivaut à 4 fois la dose délivrée par un C-arm pendant 1 minute en continu. Lors de l'étude multicentrique menée chez des enfants opérés pour des affections traumatologiques, la dose effective moyenne était de 0.09 mSv, et le risque carcinologique radio-induit moyen a été estimé à 6.5x10-4%. La dose effective était corrélée à la durée d'utilisation de la radioscopie et au produit dose surface, mais pas au BMI, ni à la durée opératoire, ni même à l'expérience du chirurgien.
PROD'HOMME, Marc Albert Maurice. Etude des irradiations reçues par les patients lors des imageries peropératoires en orthopédie pédiatrique. Thèse de doctorat : Univ.
Genève, 2019, no. Méd. 11047
PMID : 33204353
DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:150816 URN : urn:nbn:ch:unige-1508166
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:150816
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Section de Médecine Clinique Département de la Femme, de l’Adolescent et de l’Enfant
Service d’Orthopédie Pédiatrique
Thèse préparée sous la direction du Professeur Dimitri Ceroni
" ETUDE DES IRRADIATIONS RECUES PAR LES PATIENTS LORS DES IMAGERIES PEROPERATOIRES EN ORTHOPEDIE
PEDIATRIQUE "
Thèse
présentée à la Faculté de Médecine de l'Université de Genève
pour obtenir le grade de Docteur en médecine par
Marc Albert Maurice PROD’HOMME de France
Thèse n° 11047
Genève 2020
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Table des matières
Table des matières ... 3
Résumé ... 4
Contexte ... 4
Méthodes ... 4
Résultats ... 4
Conclusion ... 4
Introduction ... 5
Contexte ... 5
Les radiations ionisantes ... 5
Irradiations médicales ... 6
Les imageries dans la littérature ... 7
La radioscopie 2D: description technique ... 7
L’O-arm : description technique ... 8
La navigation chirurgicale ... 10
Description du travail de thèse ... 11
Première étude sur mannequin... 11
La seconde étude clinique ... 12
Discussion et perspectives ... 14
Références ... 16
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Résumé
Contexte
Le niveau d’irradiation ionisante lié à l’utilisation de l’imagerie médicale peropératoire reste mal connu en orthopédie et traumatologie pédiatriques. De ce fait, le risque carcinologique radio-induit (RCRI) reste une préoccupation chez l’enfant. Le but de ce travail était d’évaluer de façon prospective les doses reçues par les enfants au travers de deux études : l’une sur mannequin, l’autre clinique.
Méthodes
L’étude sur mannequin comparait la dose absorbée en mGy délivrée par l’O-arm et l’appareil de radioscopie appelé C-arm sur un mannequin représentant un enfant de cinq ans, avec le rayon centré sur le pelvis. Des détecteurs thremo-luminescents étaient incorporés au sein du mannequin, fait de tissus de densités différentes simulant les organes humains.
L’étude clinique multicentrique collectait les données dosimétriques et démographiques des patients qui devaient être opérés de fracture des membres par embrochage centromédullaire élastique stable. Ces données comportaient : l’âge, le sexe, le poids, la taille et l’indice de masse corporelle (body mass index, BMI), la durée opératoire, la durée d’imagerie, le produit dose surface en mGy.cm2 ainsi que l’expérience du chirurgien. Les doses effectives en mSv ont alors été calculées à l’aide du logiciel PCXMC.
Résultats
L’étude sur mannequin a montré qu’une acquisition 3D avec un O-arm équivalait à 4 fois la dose absorbée délivrée par un C-arm pendant 1 minute en continu. Lors de l’étude clinique, la dose effective moyenne était de 0.09 mSv et le RCRI de 6.5 x 10-4 %. La dose effective était corrélée à la durée d’utilisation de l’imagerie et au produit dose surface, mais pas au BMI ni à la durée opératoire, ni même à l’expérience du chirurgien.
Conclusion
Les résultats de ce travail sont encourageants et pourraient servir de base pour des futurs projets de recherche dans le domaine de l'imagerie peropératoire chez l'enfant, et nous permettre de garder toujours à l’esprit la nécessité de réduire tant que possible la quantité d'acquisitions d'images au cours de la chirurgie afin de réduire d’autant la durée d'imagerie, se traduisant par une diminution des doses pour nos jeunes patients. En particulier, la forte irradiation de l’O-arm le rend, selon ce même raisonnement, peu propice pour une utilisation routinière dans le cadre des gestes simples effectués avec le C-arm.
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Introduction
Contexte
Depuis l’introduction en salle d’opération de fluoroscopies mobiles, de nombreuses interventions de chirurgie orthopédique pédiatrique, notamment en traumatologie d'urgence, mais aussi en chirurgie élective programmée, requièrent de plus en plus l’usage d’imagerie peropératoire. Il apparaît aujourd’hui impensable d’effectuer des interventions d’orthopédie ou de traumatologie sans l’utilisation d’appareil d’imagerie de type C-arm 2D ou 3D pour le guidage chirurgical [1]. Cependant, l’obtention de radiographies en temps réel sans délai lors de la fixation de fracture ou lors des interventions orthopédiques s'effectue au détriment de l’exposition aux radiations pour le patient, le chirurgien et les professionnels de santé présents au bloc opératoire.
Plusieurs études se sont concentrées sur l’exposition aux radiations lors des chirurgies traumatologiques pédiatriques nécessitant une imagerie mobile de type fluoroscopie [2, 3].
L’inconvénient principal posé par ces techniques d'imagerie est l’irradiation reçue par les patients en croissance. Le plus grand défi est de traiter les enfants, car ils sont jusqu’à 10 fois plus sensibles aux dégâts liés aux radiations que les adultes [4]. Avec des divisions cellulaires rapides, les enfants ont une plus haute sensibilité à des doses même faibles d’irradiation, ce qui rend leur ADN plus vulnérable aux lésions [5]. Aussi, avec une espérance de vie plus longue, ils présentent un risque plus élevé de développer un cancer radio-induit au cours de leur vie [6-8]. Ainsi, le risque carcinologique lié aux irradiations médicales est cumulatif, et la survenue de cancer lié aux irradiations concerne des périodes de latence des dizaines d’années après l’exposition initiale.
Les radiations ionisantes
Les radiations ionisantes ont deux effets principaux: déterministes et stochastiques. Les effets déterministes sont les effets dus aux rayonnements de haute intensité qui, dépassant une dose-seuil reçue (au-dessus de 100 mSv), près de 23 fois l’irradiation naturelle annuelle de 4.3 mSv) [9] génèrent des dégâts tissulaires immédiats [10]. Une dose similaire avait été reçue par les liquidateurs chargés de nettoyer le site après l’accident de Tchernobyl en 1986 [11].
Cela représente environ 23 fois la dose annuelle d’irradiation naturelle reçue par la population suisse chaque année [9].
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En revanche, les effets stochastiques du rayonnement se manifestent pour des doses faibles (inférieures à 100 mSv). Ces effets sont ceux qui sont incriminés dans la genèse à long terme de tumeurs, selon un procédé cumulatif des lésions sur l’ADN, non encore totalement compris à ce jour [6]. Les doses d’irradiation émises par les appareils d’imagerie médicale étant faibles, ce sont les effets stochastiques qui nous intéressent dans ce travail. La dose effective (DE) représente les effets stochastiques des radiations ionisantes [12].
Irradiations médicales
De nombreuses études de cohorte parlant des irradiations thérapeutiques pour les maladies bénignes ont montré un risque plus élevé de cancer [7] de la thyroïde [13], du sein [14], du cerveau [15] et de la peau [16] ainsi que de leucémie [17]. Ce risque a lui aussi été montré pour les imageries diagnostiques ; et il persiste tout au long de la vie (Tableau 1). En outre, les enfants sont davantage sensibles aux radiations ionisantes que les adultes, et ils ont une espérance de vie plus longue, ce délai pouvant laisser apparaître les dégâts liés aux radiations [6,7].
Tableau 1 - Risques carcinologiques liés aux irradiations diagnostiques à l’enfance et l’adolescence. Source: Kleinerman et al (2006) [7], reproduction autorisée par l’auteure.
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Ce risque carcinologique induit une volonté permanente de minimiser les doses émises et le nombre d’examens pratiqués chez les enfants. A ce propos, le concept « ALARA » (mandat visant à maintenir les doses de rayonnement pour les patients et le personnel aussi faibles que raisonnablement possibles « As Low As Reasonably Achievable) a été approuvé par la Society for Pediatric Radiology, notamment dans l’utilisation dans les procédures et les modalités impliquant des doses de rayonnement plus élevées telles que les examens ct scanner et l’usage de la fluoroscopie chez les patients en âge pédiatrique.
Les imageries dans la littérature
Les nouvelles technologies telles que l’O-arm® Surgical Imaging System et la navigation Stealth, semblent prometteuses selon plusieurs auteurs, avec une précision supérieure à la technique main libre notamment lors du vissage pédiculaire, sans nouvelle acquisition d’images, grâce au guidage par la navigation chirurgicale [18]. Pour illustrer ce propos, Van de Kleft et al [19] ont rapporté un taux de placement correct des vis intra-pédiculaires de 97.5
% en utilisant l’O-arm couplé à la navigation, avec une irradiation peropératoire de moitié par rapport à un CT-scan multicoupe.
En orthopédie pédiatrique, l’O-arm est utilisé depuis 10 ans, couplé à la navigation, avec notamment la possibilité de mise en place d’un protocole basse-dose [20] permettant de diviser par 10 l’irradiation reçue par rapport au protocole standard, avec néanmoins une qualité d’image satisfaisante, au cours des chirurgies de scoliose [21].
La radioscopie 2D: description technique
Appelé plus couramment “fluoroscopie” ou “C-arm”, la radioscopie est l’appareil le plus utilisé en imagerie peropératoire en chirurgie orthopédique et traumatologique. Afin d’en décrire le principe, nous nous sommes référés au manuel du Vision FD, illustré en Figure 1. Cet appareil est composé d’un détecteur plan, qui a montré un bénéfice dont une plus haute précision quantique, une diminution des doses au patient, moins de distorsions géométriques et une réponse uniforme sur tout le champ de vision. Cette technologie de radioscopie inclut une variabilité dans le nombre d’impulsions par seconde (1, 2, 4, 8, 12.5, 25 Hz), avec aussi des réglages permettant d’en ajuster la fréquence automatiquement (Auto mode). La tension électrique du tube (voltage) varie entre 40 et 110 kV.
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Figure 1 – La radioscopie de Ziehm Vision : le C-arm Ziehm Vision FD (Ziehm Imaging GmbH®, Nuremberg, Germany), avec sa commande.
Le Vision FD contient aussi un filtre pour les rayons X non essentiels de faible énergie.
L’épaisseur totale du filtre est de 3.9 mm d’aluminium et 0.1 mm de cuivre. La production de rayons X provient d’une anode. Son récepteur est un détecteur plan de dimension 20 x 20 centimètres. Le principal paramètre dosimétrique délivré par le C-arm est le Dose Area Product (DAP) en mGy.cm2.
L’O-arm : description technique
L’O-arm Imaging System est un appareil d’imagerie à la fois fluoroscopique en 2D et volumétrique en 3D. La plupart des interventions ayant recours à l’O-arm aux HUG et dans le Monde sont celles pratiquées sur le rachis, comme la mise en place de vis intra-pédiculaires ou l’injection de ciment lors des vertébroplasties ou cyphoplasties. L’anneau peut être ouvert pour faciliter le positionnement, puis refermé lors des acquisitions 2D et 3D, avec un champage stérile qui lui est propre.
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Figure 2 – L’O-arm Imaging System de Medtronic® (Minneapolis, MN, USA).
L’O-arm contient une anode rotative Varian A132 composée d’un alliage de tungstène, molybdène et rhenium. Un filtre de 4 mm d’aluminium est utilisé pour filtrer les photons de basse énergie du spectre de rayons X.
Le détecteur PaxScan 4030CB est un panneau de silicium amorphe de 40 x 30 cm. L’intensité du tube peut être réglée kV par kV entre 40 et 120 kV en mode d’acquisition 3D et la fluoroscopie pulsée en 2D. Dans les deux modes, la fréquence est réglée à 30 Hz, avec chaque impulsion bloquée à 10 ms. Le mode 3D a un temps d’acquisition de 13 s pour un paramètre donné. Il capture 192 images axiales en une rotation de 360°. La durée totale du faisceau est de 3.9 s.
Un mode de haute résolution HD3D peut être sélectionné, avec un temps d’acquisition total de 26 s. Mais ce dernier est évité chez l’enfant en raison de son niveau d’irradiation élevé [20].
Le diamètre de l’anneau mesure 96.5 cm et 44 cm de large [22].
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La navigation chirurgicale
Le matériel de navigation utilisé, fourni par Medtronic® est la Stealth Station. Le principe général est un repérage dans l’espace via une caméra (détecteur infrarouge) de la position et du mouvement des instruments utilisés en peropératoire. Elle peut être couplée aux images de la radioscopie, de l’O-arm et même d’un CT-scan ou d’une IRM, avec possibilité de fusionner les images IRM et O-arm, par exemple pour la neuronavigation. L’intérêt principal est l’introduction de vis pédiculaires ou de ciment dans les vertèbres sans réaliser d’acquisition supplémentaire. Ce système permet une réduction des doses d’imagerie 3D [23]. Un clamp épineux ou un pin dans la crête iliaque constituent le point de repère patient, utilisé comme point de référence pour la navigation comme point fixe (Figure 3). Une fois l’acquisition 3D avec l’O-arm effectuée, le chirurgien peut “naviguer” sur l’imagerie 3D avec les instruments dont la position dans l’espace est reproduite sur l’écran (Figure 4).
Figure 3 – Clamp épineux pour repère patient (a), instrument navigué en calibrage (b).
Figure 4 – Navigation chirurgicale : (a) avec radioscopie, (b) avec O-arm.
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Description du travail de thèse
Nous avons effectué deux travaux de recherche s’intéressant à l’exposition aux radiations ionisantes, et cela dans des populations pédiatriques. Le premier travail était une étude dosimétrique sur un mannequin configuré à la taille d’un enfant de 5 ans et comparait l’irradiation liée au C-arm et à l’O-arm. Le second travail était une étude clinique prospective entre les HUG et les Cliniques Universitaires St-Luc, pour laquelle le Comité d’Ethique de Genève a été sollicité (protocole de recherche n°2016-01338). Les deux travaux ont été publiés dans le journal de référence de l’EPOS (European Paediatric Orthopaedic Society), à savoir le Journal of Children’s Orthopaedics ; ils ont par ailleurs fait l’objet de posters lors des congrès de Swiss Orthopaedics et de l’EFORT, ainsi que de présentations orales aux Journées de la Société Française d’Orthopédie Pédiatrique (SOFOP) et au congrès de la Société Française de Chirurgie Orthopédique et Traumatologique (SOFCOT).
Première étude sur mannequin
Des études préliminaires au Laboratoire de Radiophysique ont permis de caractériser l’O-arm en termes de dosimétrie. Des mesures de dose absorbée (en mGy), délivrée par l’appareil d’imagerie, ont été effectuées sur des mannequins représentant l’un, une femme adulte, et l’autre un enfant de cinq ans. Ces mannequins étaient remplis de détecteurs thermo- luminescents, permettant de mesurer la dose absorbée de façon précise, au sein de mannequins faits de tissus de densité différente simulant les organes humains [24].
L’étude publiée par Pitteloud et al a montré que l’utilisation de la radioscopie pendant une minute en continu équivalait à la réalisation d’un cliché O-arm en termes d’irradiation (dose effective) sur le mannequin adulte [25].
Pour le cas pédiatrique, grâce à une collaboration entre Genève et Lausanne, [26] une étude dosimétrique a été effectuée, comparant l’irradiation produite par une minute de radioscopie en continu avec le C-arm et celle produite lors d’une acquisition 3D avec l’O-arm, l'appareil d’imagerie ayant le faisceau centré sur le pelvis du mannequin.
Les résultats, exprimés en μGy, sont de façon générale, une irradiation moyenne avec une acquisition 3D avec l’O-arm environ 4 fois supérieure à celle obtenue avec une minute de C- arm en continu. Pour les organes (pelviens) dans le champ d’irradiation, le rayonnement direct était entre 631.22 et 1691.87 avec l’O-arm, contre 214.08 à 737.51 avec le C-arm, mais sans
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différence significative (p=0.07). Pour le rayonnement diffusé proche sur les organes abdominaux, les doses avec l’O-arm étaient entre 25.11 et 114.85, et pour le C-arm entre 8.03 et 55.34, aussi sans différence significative (p=0.07). Pour le rayonnement diffusé éloigné sur les organes thoraciques et du haut du corps (tête, cou), l’irradiation était significativement supérieure avec l’O-arm par rapport au C-arm (p=0.02), soit entre 0.86 et 6.42, contre 0.04 à 3.08 respectivement. Une seconde expérience évaluait le débit de dose à la peau du mode 2D de l’O-arm avec comparaison avec le C-arm. Celle-ci a retrouvé un débit de dose de 328.83 μGy.s-1 pour l’O-arm contre 1.90 μGy.s-1 avec le C-arm. La conclusion de cette seconde expérience était d’éviter d’utiliser l’O-arm en mode 2D, beaucoup plus irradiant que le C-arm.
Ce travail, préliminaire à la seconde étude,a permis de conclure de la nécessité impérieuse d’optimiser les imageries 3D, car ils ont l’avantage d’une plus grande précision et donc d’une meilleure sécurité dans le geste chirurgical [18], bénéfice important pour les patients. Nous avons alors cherché à évaluer les irradiations dans la pratique clinique.
La seconde étude clinique
Dans cette étude sur un an et demi, nous avons mesuré l'irradiation reçue par les patients liée à l’appareil d’imagerie peropératoire au cours d’interventions d’embrochage centromédullaire élastique stable (ECMES) [27]. Par le recueil prospectif des données dosimétriques de l’appareil d’imagerie (C-arm) telles le DAP, la dimension du champ d’irradiation, ainsi que des données démographiques telles l’âge, le poids, la taille, le sexe, nous avons pu intégrer toutes ces données dans un logiciel effectuant une simulation de Monte Carlo, nommé PCXMC version 2.0 (STUK®, Helsinki, Finlande) [28]. Ce dernier permettait alors d’estimer la dose effective (DE), dont le calcul était l’objectif principal du travail. D’autres données chirurgicales comme la durée opératoires et l’expérience du chirurgien ont été recueillies.
Grâce au logiciel PCXMC, nous avons aussi estimé le risque carcinologique létal radio-induit (RCRI) supplémentaire en % lié à l’irradiation reçue au cours de l’intervention, selon l’espérance de vie attendue. Ce RCRI constituait l’objectif secondaire. L’hypothèse de départ était d’avoir une réduction de DE et RCRI avec un plus jeune âge du patient, un indice de masse corporelle plus bas, et une plus grande expérience du chirurgien.
Au total, 51 patients opérés avec l’utilisation d’un C-arm 2D ont été inclus. La DE moyenne était de 0.085 ± 0.10 (0.002 - 0.649) mSv. Le RCRI global moyen était de 6.5 x 10-4 ± 6.7 x
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10-4 (0.1 x 10-4 - 28.3 x 10-4) %. L’analyse univariée de régression linéaire a montré une association significative entre DE et la durée d’irradiation (p < 0.001), mais sans association entre DE et les autres résultats (p > 0.05). Il n’a notamment pas été possible de déterminer si DE était corrélée au niveau du chirurgien comme attendu.
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Discussion et perspectives
Outre la visualisation de l’état des choses concernant l’irradiation reçue par les patients au bloc opératoire, l’objectif de cette étude était à long terme, de se soucier de l’irradiation délivrée en particulier aux patients en croissance. En effet, ces données sont peu rapportées dans la littérature médicale,
et n'apparaissent que rarement au cours des congrès de spécialité. C’est surtout dans les domaines de l’oncologie ou de la radiologie pédiatriques que l’on se pose le plus fréquemment la question de l’impact de la dose d’irradiation reçue lors des radiothérapies ou des imageries diagnostiques [7]. En chirurgie orthopédique, la question est moins souvent posée.
Cependant, les chirurgiens travaillent et enseignent au bloc opératoire avec le principe ALARA (As Low As Reasonably Achievable) pour l’utilisation des appareils d’imagerie à radiations ionisantes. De ce fait, ce travail a aussi pour but de sensibiliser les orthopédistes pédiatres à l’utilisation des imageries irradiantes, et de poursuivre le recueil dans la pratique quotidienne, et enfin de pouvoir même en informer les patients et leurs parents, principalement intéressés par le risque encouru (RCRI).
Les précédents arguments ont montré que les doses d'irradiation au bloc opératoire pédiatrique étaient globalement faibles dans la pratique courante lors de mise en place d’ECMES, surtout compte tenu du très faible risque carcinologique lié à ces irradiations.
Les résultats de ce travail de recherche ont permis de documenter les irradiations reçues par les patients au cours des ECMES, avec le calcul de dose efficace effectué pour la première fois avec le logiciel PCXMC.
Les études déjà publiées sur les irradiations liées à l’imagerie peropératoire selon certaines des techniques étudiées dans ce travail ont montré des résultats tantôt similaires, tantôt supérieurs, notamment en ce qui concerne les durées de scopie et les durées opératoires lors de la réalisation des ECMES des os longs en traumatologie d'urgence. Nous avons conclu que cette différence était probablement liée à l'expérience de l'opérateur, les interventions réalisées dans ces études étant principalement effectuées par un sénior, et au contraire majoritairement par un junior (83%) dans notre étude. L’évolution des appareils de radioscopie a pu aussi améliorer la qualité d’image nécessaire à une bonne précision du geste, ainsi qu’une réduction des doses d’irradiation.
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De façon globale, les résultats de dose effective étaient en moyenne nettement inférieurs à 1 mSv (0.085 mSv dans notre étude). En comparaison, l'irradiation naturelle moyenne en Suisse a été estimée en 2016 par l’Office Fédéral de la Santé Publique à 4.3 mSv [9].
Les limitations de ce travail sont en premier sur la précision du calcul de dose efficace. Le logiciel PCXMC, prévu pour des mesures précises de dosimétrie sur mannequin, en entrant de nombreux paramètres mesurables mais figés, ne propose que les âges suivants correspondant aux mannequins existant: nouveau-né, 1, 5, 10, 15 ans et adulte. Il a alors été décidé de sélectionner l'âge le plus proche correspondant. Les dimensions du "mannequin"
étant modifiables, ces données restaient précises, correspondant aux poids et taille du patient.
Cependant, la distance de la source d'imagerie au centre du champ d'irradiation (FID) était impossible à mesurer, et pouvait varier même à chaque acquisition d'image. Il a alors été décidé de la laisser à 110 cm pour tous les patients, afin de permettre la comparabilité des résultats. Dans ce même but, la filtration et la tension du tube ont été laissées aux données standards (2.7mm d’épaisseur de filtre d’aluminium et 80 kV de tension). La précision des calculs de dose effective reposait alors sur les autres paramètres.
En conclusion, les résultats de ce travail sont encourageants et pourraient servir de base pour des futurs projets de recherche dans le domaine de l'imagerie peropératoire chez l'enfant, et nous permettre de garder toujours à l’esprit la nécessité de réduire tant que possible la quantité d'acquisitions d'images au cours de la chirurgie afin de réduire d’autant la durée d'imagerie, se traduisant par une diminution des doses pour nos jeunes patients. En particulier, la forte irradiation de l’O-arm le rend, selon ce même raisonnement, peu propice pour une utilisation routinière dans le cadre des gestes simples effectués avec le C-arm.
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