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Mise au point
Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne Equipment and positioning technologies in stereotactic body radiation therapy V. Marchesi a,∗ , V. Dedieu b , T. Lacornerie c , I. Buchheit a a Unité de physique médicale, institut de cancérologie de Lorraine Alexis-Vautrin, avenue de Bourgogne, CS 30519, 54519 Vandœuvre-lès-Nancy cedex, France b Service de physique médicale, centre Jean-Perrin, 58, rue Montalembert, BP 392, 63011 Clermont-Ferrand cedex 01, France c Service de physique médicale, centre Oscar-Lambret, 3, rue Frédéric-Combemale, 59000 Lille, France
i n f o
a r t i c l e
Historique de l’article : ´ 2014 Rec¸u le 26 fevrier Accepté le 19 mars 2014 Mots clés : Radiothérapie stéréotaxique Extracrânien Appareil de traitement Repositionnement Suivi de la cible
r é s u m é La réalisation de traitement en conditions stéréotaxiques pour les localisations extracrâniennes nécessite des équipements adaptés ou dédiés permettant de remplir les conditions particulières de la radiothérapie stéréotaxique : précision millimétrique de délivrance du traitement, fortes doses pour un nombre réduit de séances. Ce type de traitement peut être réalisé soit au moyen d’appareils de traitement conc¸us et dédiés intégralement à cette technique, soit d’appareils classiques adaptés pour répondre aux besoins. Au contraire des localisations intracrâniennes, le repositionnement du volume cible rencontre des difficultés supplémentaires liées principalement à la diversité des localisations rencontrées mais également aux mouvements pendant et entre les fractions qui peuvent se produire. Pour réduire ces effets pouvant dégrader la précision d’irradiation, des équipements de repositionnement ou de compensation des mouvements, principalement dus à la respiration, ont été mis au point. © 2014 Société française de radiothérapie oncologique (SFRO). Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
a b s t r a c t Keywords: Stereotactic body radiation therapy Technology Positioning Tumour tracking
Strereotactic body radiation therapy needs adapted or dedicated equipment to allow fulfilling the particular conditions of the stereotactic treatments: submillimetric accuracy during the treatment delivery, high doses for a reduced number of sessions. This kind of treatment can be either performed using delivery equipment conceived and dedicated to the technique, or performed on conventional machines adapted to meet the criteria. Contrary to intracranial treatments, the positioning of the target volume raises new difficulties, mainly due to the diversity of localization to treat and also due to inter- and intrafraction movements that can occur. To reduce these effects that could affect the irradiation accuracy, positioning or movement compensation, mostly due to respiration, tools have been developed. © 2014 Société française de radiothérapie oncologique (SFRO). Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.
1. Introduction La radiothérapie extracrânienne en conditions stéréotaxiques est une méthode de radiothérapie permettant de délivrer, avec une haute précision, une forte dose de rayonnement sur une cible extracrânienne par un faible nombre de séances (inférieur à dix)
∗ Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (V. Marchesi).
[1]. Les distributions de dose produites par des systèmes de planification de traitement spécifiques sont caractérisées par des doses élevées dans la cible et des gradients de dose importants en bordure afin de préserver les tissus sains environnants [2]. Pour préserver l’efficacité apportée par ces fortes doses, il est indispensable de garantir une haute précision dans la préparation et la délivrance des faisceaux d’irradiation [3]. Ce type de traitement est apparu longtemps après les premières applications de la radiothérapie intracrânienne en conditions stéréotaxiques et n’a pu être mis en œuvre que lorsqu’ont été
http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012 1278-3218/© 2014 Société française de radiothérapie oncologique (SFRO). Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
Pour citer cet article : Marchesi V, et al. Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Cancer Radiother (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012
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développés des outils de repositionnement et de délivrance des traitements avec une haute précision, permettant de s’affranchir notamment de systèmes invasifs tels que ceux rencontrés en radiochirurgie cérébrale. La plupart des radiothérapies en conditions stéréotaxiques sont aujourd’hui réalisées sur des machines de traitement conventionnelles auxquelles sont ajoutés des éléments de délimitation du faisceau (cônes circulaires ou plus fréquemment collimateur multilames de haute définition) et de repositionnement permettant de garantir la délivrance des faisceaux d’irradiation avec une précision d’ordre millimétrique. Néanmoins, pour accompagner le développement des indications de la radiothérapie stéréotaxique extracrânienne, des machines dédiées à ce type de traitement ont été conc¸ues [4]. La radiothérapie en conditions stéréotaxiques peut être délivrée grâce à des systèmes de localisation non invasifs ou peu invasifs. Des outils ou procédures pour limiter ou compenser le mouvement de cibles sont souvent utiles voire parfois requis dans la phase de planification et de traitement [5].
2. Machines équipées ou dédiées 2.1. Accélérateurs Les premières applications ont utilisé des appareils de traitement classiques, du type accélérateurs linéaires, dits de type en C pour la forme de l’arceau du bras de traitement, sur lesquels des éléments spécifiques sont ajoutés afin de satisfaire aux contraintes géométriques et dosimétriques supérieures pour la radiothérapie en conditions stéréotaxiques. Ainsi, afin de délimiter de manière précise et très localisée le faisceau de traitement, des systèmes de collimation supplémentaire viennent suppléer la collimation présente sur les machines. Cela présente deux avantages : une pénombre de faisceau réduite par la présence du collimateur plus proche de la surface d’entrée (réduction de la pénombre géométrique) et une définition plus fine de la forme des champs afin d’optimiser la conformation de la dose autours du volume cible. Ces systèmes de collimation peuvent être soit des cônes circulaires de tailles variables allant généralement de 4–5 mm à 30–40 mm de diamètre, ou plus fréquemment, des collimateurs multilames (MLC) à faibles largeurs de lames, dits mini- ou micro-MLC. En 2008, le rapport IRSN/SFPM/SFRO (Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, Société franc¸aise des physiciens médicaux, Société franc¸aise de radiothérapie oncologique) indiquait que le mini-MLC m3 de BrainLAB (BrainLAB AG, Feldkirchen, Allemagne) était le plus utilisé, essentiellement pour les traitements intracrâniens [6]. Il dispose de 26 paires de lames permettant de couvrir un champ maximum de 10 × 10 cm2 (20 paires de largeur 3 mm et six paires de largeur 5,3 mm). La motorisation perfectionnée du déplacement des lames permet d’atteindre une précision de l’ordre de 0,1 mm pour les faisceaux statiques. L’irradiation de la cible est réalisée par la multiplication de faisceaux statiques ou par la réalisation d’arcs (généralement cinq à sept arcs). Récemment les techniques de modulation de fluence soit en faisceaux statiques, soit sur faisceaux par arcs se sont ajoutées afin de permettre d’améliorer les distributions de dose, avec un gain significatif sur la conformation de la dose autours de la cible. La société BrainLAB s’est associée à Varian Medical Systems (Palo Alto, Californie, États-Unis) pour concevoir le premier accélérateur linéaire conventionnel spécialement dédié à la radiothérapie en conditions stéréotaxiques. Il est construit sur la base des modèles d’accélérateurs Varian existants (Clinac 600 pour le Novalis, TrilogyTM pour le Novalis TXTM , TrueBeam pour le Novalis TrueBeamTM STX). Il est équipé d’un collimateur microlames m3 pour le Novalis et d’un colimateur multilames de 120 lames
de haute définition pour les Novalis TXTM (32 paires de lames de 2,5 mm et 14 paires de lames de 5 mm de part et d’autre des 32 paires) [7]. Ce type de machine permet de délivrer des faisceaux de photons de 6 MV à un débit de 1000 unités moniteurs par minute (UM/min) et plus, grâce aux faisceaux sans cônes égalisateurs. Plus récemment, les principaux constructeurs ont développé des machines dont les caractéristiques permettent la réalisation de traitements en conditions stéréotaxiques. Ainsi, TrueBeam STXTM (Varian Medical Systems) et Versa HDTM (Elekta AB, Stockholm, Suède) disposent d’un collimateur multilames à faible largeur de lames (2,5 mm au centre du champ), de faisceaux sans cônes égalisateurs à haut débit de dose (2200 UM/min à 2400 UM/min). L’intérêt de l’absence de cône égalisateur est de réduire le temps de traitement (limitant ainsi l’incertitude de mouvement du patient intra-séance) et de diminuer le rayonnement diffusé (engendrant ainsi une baisse de la dose en dehors des champs). Pour les machines « équipées », avec ajout d’éléments parfois disparates, les caractéristiques mécaniques en termes de précision, de l’ordre de 1 à 2 mm, exigent des systèmes de positionnement et de maintien externe du patient. Dans le cas des machines « dédiées », la précision mécanique a été renforcée afin de garantir une incertitude géométrique inférieure à 1 mm pour la détermination de l’isocentre quelle que soit la configuration rotation du bras/rotation du collimateur/rotation de la table.
2.2. Outils de repositionnement du patient Pour les traitements extracrâniens, il n’est pas possible d’assurer un maintien rigide du patient par un cadre invasif ou un système de masques thermoformés à double empreinte fixé à une platine comme pour les traitements intracrâniens. Des contentions permettant un maintien plus stable et précis doivent être utilisées [8]. Par exemple, pour les traitements de l’abdomen et du thorax, des contentions sous forme de matelas ayant l’empreinte du patient et un système de réduction du mouvement diaphragmatique assurent un maintien précis et reproductible ainsi qu’un contrôle de mouvement de la cible [9,10]. Le contrôle de la position du patient est principalement assuré par les systèmes d’imagerie embarqués ou installés dans la salle de traitement, associés à des tables commandées depuis le pupitre (corrections de translations et éventuellement de rotations selon le type de table). L’imagerie portale de haute énergie (MV) est inutilisable à cause de la faible dimension des volumes irradiés rendant impossible le repérage anatomique, du faible contraste des images et de la difficulté de positionner le détecteur en fonction de la configuration d’irradiation. Les systèmes d’imagerie fondés sur la technologie de basse énergie (kV) sont alors privilégiés pour le contrôle de la position du patient en début de séance puis en cours de séance si la position de la table le permet. Les systèmes d’imagerie de basse énergie peuvent être embarqués sur l’accélérateur. Les contrôles sont faits soit à partir de clichés de basse énergie statiques orthogonaux pour les repères à contraste élevés (structures osseuses, fiduciaires métalliques implantés par exemple), soit à partir d’acquisition tomographique en faisceau large (tomographie conique, CBCT) pour le repérage de structure à faible contraste (tissus mous) [11]. Une alternative à l’utilisation du système d’imagerie embarqué est l’utilisation de système d’imagerie planaire périphérique tel que le système ExacTrac® de BrainLAB [12,13]. Ce système est constitué :
• d’une caméra infrarouge qui permet le prépositionnement du patient et le suivi du patient pendant l’irradiation (billes réfléchissantes positionnées sur le patient) ;
Pour citer cet article : Marchesi V, et al. Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Cancer Radiother (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012
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• de deux couples de tubes à rayons X installés au sol et de détecteurs plan fixés au plafond qui permettent l’acquisition d’images de basse énergie planaires. Le système ExacTrac® permet la vérification et la correction du positionnement du patient par superposition et mesures de vraisemblances entre les images acquises au moyen du système ExacTrac® et les images radiologiques digitales reconstruites (DRR) transmises depuis le système de planification du traitement (TPS). Après validation du recalage qui satisfait à des critères d’acceptabilité définis, les paramètres de correction (matrice de trois rotations longitudinale, latérale et verticale et des trois translations orthogonales) sont transférés à la Table 6D à six degrés de liberté (trois translations, trois rotations). Après déplacement de la table à six degrés de liberté, un contrôle est réalisé au moyen du système d’imagerie de basse énergie de ExacTrac® . La précision de repositionnement de ces systèmes est submillimétrique [11]. Les tables dont le plateau est mobile, à six degrés de liberté utilisées pour le repositionnement permettent de corriger de manière fine et précise la position du patient observée sur l’imagerie de contrôle (table HexaPodTM pour Elekta, Robotics pour BrainLAB/Varian) [14]. Après repositionnement grâce à l’imagerie de basse énergie, il est possible de réaliser une irradiation synchronisée à la respiration en définissant une plage du cycle respiratoire où l’irradiation sera permise, correspondant à une position donnée et connue de la zone à traiter. L’intérêt de cette technique de gating est que le traitement se fait en respiration libre, sans demander au patient de bloquer sa respiration [15,16]. 3. Accélérateur robotisé : le CyberKnife® 3.1. Technologies Le CyberKnife® (Accuray Inc.) est un système de radiothérapie robotisée dédié à la radiothérapie en conditions stéréotaxiques, permettant la délivrance d’un grand nombre de faisceaux d’irradiation, généralement non isocentriques, avec une précision submillimétrique (la précision intrinsèque du robot manipulateur est de 0,1 mm) [17]. L’accélérateur linéaire miniaturisé délivre un faisceau de 6 MV, sans cône égalisateur, avec un débit de 600, 800 ou 1000 UM/min en fonction des versions d’appareil. Les champs d’irradiation sont délimités soit par des collimateurs circulaires (12 tailles possibles de 5 à 60 mm), soit par un système automatisé reproduisant les cônes circulaires via un agencement de lamelles organisées en diaphragme (système Iris) [18–20]. La dernière version commercialisée du CyberKnife® (modèle M6) dispose d’un mini-collimateur multilames Incise de 82 lames de 2,5 mm de largeur à 80 cm de la source pour une surface maximale d’irradiation de 10 × 12 cm2 . Les traitements extracrâniens sont réalisés avec une distance source–axe variable de 80 à 100 cm, en utilisant d’une à plusieurs tailles de champs (pour le cas des collimateurs fixes et avec Iris). Les faisceaux sont répartis sur une centaine de positions fixes autours du patient, appelés nœuds. Autours de chacun de ces nœuds, le faisceau peut prendre 12 positions d’inclinaison différentes afin de réaliser des traitements non isocentriques, portant de 1000 à 6000 les incidences de faisceaux possibles [21].
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émettant un signal lumineux. Placés sur le thorax du patient, ils indiquent au système l’amplitude respiratoire externe et sera utilisé dans les traitements avec suivi de la respiration en temps réel (tracking) [22]. La table de traitement, également montée sur système robotisé, complète l’équipement. Elle permet un positionnement avec une précision de 0,1 mm/0,1◦ dans toutes les directions grâce aux mouvements à six degrés de libertés (trois translations, trois rotations). Comme la plupart des traitements par CyberKnife® sont non isocentriques, il existe un point de référence dans la salle qui est utilisé comme origine des systèmes de coordonnées utilisés par les différents éléments constituant le système CyberKnife® (robot, imagerie, table). Ce point est situé à l’intersection des axes centraux des imageurs. Il sert de référence géométrique pour l’orientation des faisceaux et le positionnement du patient. Ainsi, le CyberKnife® est un système entièrement guidé par le système d’imagerie. L’algorithme de suivi, adapté en fonction de la localisation traitée, est utilisé pour le calcul de la position du patient par rapport à la position prévue et les éventuels déplacements à opérer : • 6D-Skull : pour les localisations intracrâniennes et proches du crâne. L’algorithme de recalage utilise la segmentation de la boîte crânienne ; • X-Sight Spine : pour les localisations vertébrales et paravertébrales. L’algorithme est basé sur la reconnaissance des corps vertébraux ainsi que sur la déformation de l’alignement des vertèbres entre elles ; • marqueurs fiduciels : pour les localisations des tissus mous. L’algorithme est basé sur la reconnaissance de marqueurs (fiduciels) implantés dans le volume cible ou le plus proche possible. Il faut au moins trois marqueurs valides pour obtenir les coordonnées selon les 6 degrés de libertés ; • SynchronyTM : pour les localisations impactées par le mouvement respiratoire (poumon et foie essentiellement) avec implantation de marqueurs [23]. Associé au système de suivi de marqueurs optiques externes placés sur le thorax du patient enregistré via une caméra CCD, l’algorithme construit un modèle mathématique de corrélation entre la position des marqueurs externes et la position des marqueurs internes, déterminée à partir de plusieurs clichés à rayons X acquis pendant les différentes phases du cycle respiratoire. Le modèle peut être linéaire, curvilinéaire ou avec un phénomène d’hystérésis (trajectoire du marqueur différente entre la phase d’inspiration et la phase d’expiration). Lorsque le modèle est jugé complet, l’irradiation est réalisée avec compensation des mouvements respiratoires internes prédits par le modèle de corrélation, sur la base du signal recueilli par les marqueurs externes via la caméra ; • X-Sight Lung : pour les localisations pulmonaires uniquement, sans implantation de marqueurs. Le principe est identique au suivi de type Synchrony® à la différence notable qu’il ne requiert pas de marqueurs implantés. La reconnaissance de la position de la tumeur se fait par segmentation de l’ombre de la tumeur sur les clichés à rayons X. L’utilisation de cette technique est limitée par la difficulté de reconnaissance automatique de la tumeur lorsque le contraste est faible (dépend de la position de la tumeur par rapport aux structures médiastinales et au rachis). 4. Accélérateur monté sur anneau : Vero®
3.2. Outils de repositionnement du patient 4.1. Technologies Un ensemble d’imagerie composé de deux tubes à rayons X placés au plafond et deux détecteurs plans situés dans le sol, permet la réalisation d’images orthogonales pour le repérage tridimensionnel de la cible traitée. Une caméra CCD (charge coupled device) placée aux pieds du patient permet de suivre des marqueurs optiques
Vero® , mis au point conjointement par les sociétés BrainLAB et MHI (Mitsubishi Heavy Industry, Tokyo, Japon), est un accélérateur linéaire compact qui délivre des faisceaux de photons de 6 MV, à un débit maximal de 5 Gy/min, avec cône égalisateur, monté sur un
Pour citer cet article : Marchesi V, et al. Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Cancer Radiother (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012
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bras en anneau (O-Ring) [24]. Le bras peut tourner autour d’un axe horizontal de ±185◦ avec une vitesse nominale de 7◦ /s. L’anneau peut également tourner autours d’un axe vertical de ±60◦ avec une vitesse maximale de 3◦ /s permettant de faire des traitements non coplanaires sans rotation de la table de traitement. Le faisceau est délimité par un collimateur multilames composé de 30 paires de lames de 5 mm de largeur à l’isocentre permettant de réaliser des champs de 15 × 15 cm2 au maximum [25]. L’innovation majeure de ce système, et donc son intérêt, est que le collimateur multilames est monté sur un système de deux cardans orthogonaux ou gimbals fixés sur l’anneau permettant d’orienter le champ d’irradiation selon deux directions (pan et tilt) autour de la position centrale afin de réaliser un suivi en temps réel d’une cible en mouvement (tumour tracking). L’excursion maximale de l’axe du faisceau est de 4,4 cm (2,5◦ ) dans le plan de l’isocentre indépendamment du mouvement des lames pour une irradiation dynamique, les deux mouvements pouvant être faits de manière simultanée. 4.2. Outils de repositionnement du patient Le système Vero® est équipé d’un système d’imagerie portale de haute énergie situé en sortie de faisceau pour le contrôle de la forme du champ, du dispositif de pré-positionnement ExacTrac® fondé sur le suivi de marqueurs infrarouges, et d’un système de deux couples de tubes à rayons X et détecteurs plans orientés à 45◦ de l’axe du faisceau et montés sur le bras en anneau. Ce système d’imagerie de basse énergie permet de réaliser une imagerie spectroscopique, tomographique en faisceau large (tomographie conique, CBCT) par l’utilisation couplée des deux sources avec une acquisition sur 200◦ en 16 secondes [26] et une imagerie fluoroscopique. Le suivi en temps réel des mouvements de la cible est obtenu au moyen du système infrarouge de l’ExacTrac® et de l’imagerie fluoroscopique. Après pré-positionnement du patient par détection des billes réfléchissantes du système infrarouge de l’ExacTrac® , le signal respiratoire est suivi au moyen des billes. Simultanément, des images fluoroscopiques sont acquises pour détecter des marqueurs internes permettant d’établir une corrélation entre les marqueurs infrarouges et internes. Le modèle prédictif de corrélation ainsi établi permet au système ExacTrac® de suivre les mouvements des marqueurs internes via les marqueurs externes et de guider les deux cardans orthogonaux pour suivre le mouvement de la tumeur. La vérification de la validité du modèle de corrélation est réalisée avant et pendant l’irradiation au moyen de l’imagerie de basse énergie [24]. 5. Arcthérapie hélicoïdale La tomothérapie (Accuray Inc.) n’est pas un appareil dédié à la radiothérapie en conditions stéréotaxiques extracrânienne et rares sont les utilisations de cette machine rapportées dans la littérature [27]. Le principal inconvénient de la tomothérapie est l’absence de système de suivi respiratoire ou de gating, ce qui réserve l’utilisation de cet appareil à des cibles fixes [28,29]. La largeur des lames du collimateur (1 cm) peut être un inconvénient également dans le cas de lésion de très petit volume. L’impossibilité de réaliser des faisceaux non coplanaires ne permet pas la réalisation de gradients de dose aussi élevés qu’avec les techniques les permettant. 6. Conclusion La radiothérapie extracrânienne en conditions stéréotaxiques connaît un essor important ces dernières années notamment grâce aux développements opérés sur les machines de traitement conventionnelles mais également par l’apparition d’installations
(ensemble accélérateur/systèmes d’imagerie pour le contrôle du positionnement et/ou le tracking d’une cible/table de traitement) spécifiquement conc¸ues pour faciliter et améliorer la précision nécessaire dans cette technique particulière de traitement. Si les procédés sont facilités, une attention particulière doit être conservée quant à son utilisation clinique et des protocoles stricts d’assurance de qualité doivent être mis en place [30].
Déclaration d’intérêts Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article.
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Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne Equipment and positioning technologies in stereotactic body radiation therapy V. Marchesi a,∗ , V. Dedieu b , T. Lacornerie c , I. Buchheit a a Unité de physique médicale, institut de cancérologie de Lorraine Alexis-Vautrin, avenue de Bourgogne, CS 30519, 54519 Vandœuvre-lès-Nancy cedex, France b Service de physique médicale, centre Jean-Perrin, 58, rue Montalembert, BP 392, 63011 Clermont-Ferrand cedex 01, France c Service de physique médicale, centre Oscar-Lambret, 3, rue Frédéric-Combemale, 59000 Lille, France
i n f o
a r t i c l e
Historique de l’article : ´ 2014 Rec¸u le 26 fevrier Accepté le 19 mars 2014 Mots clés : Radiothérapie stéréotaxique Extracrânien Appareil de traitement Repositionnement Suivi de la cible
r é s u m é La réalisation de traitement en conditions stéréotaxiques pour les localisations extracrâniennes nécessite des équipements adaptés ou dédiés permettant de remplir les conditions particulières de la radiothérapie stéréotaxique : précision millimétrique de délivrance du traitement, fortes doses pour un nombre réduit de séances. Ce type de traitement peut être réalisé soit au moyen d’appareils de traitement conc¸us et dédiés intégralement à cette technique, soit d’appareils classiques adaptés pour répondre aux besoins. Au contraire des localisations intracrâniennes, le repositionnement du volume cible rencontre des difficultés supplémentaires liées principalement à la diversité des localisations rencontrées mais également aux mouvements pendant et entre les fractions qui peuvent se produire. Pour réduire ces effets pouvant dégrader la précision d’irradiation, des équipements de repositionnement ou de compensation des mouvements, principalement dus à la respiration, ont été mis au point. © 2014 Société française de radiothérapie oncologique (SFRO). Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
a b s t r a c t Keywords: Stereotactic body radiation therapy Technology Positioning Tumour tracking
Strereotactic body radiation therapy needs adapted or dedicated equipment to allow fulfilling the particular conditions of the stereotactic treatments: submillimetric accuracy during the treatment delivery, high doses for a reduced number of sessions. This kind of treatment can be either performed using delivery equipment conceived and dedicated to the technique, or performed on conventional machines adapted to meet the criteria. Contrary to intracranial treatments, the positioning of the target volume raises new difficulties, mainly due to the diversity of localization to treat and also due to inter- and intrafraction movements that can occur. To reduce these effects that could affect the irradiation accuracy, positioning or movement compensation, mostly due to respiration, tools have been developed. © 2014 Société française de radiothérapie oncologique (SFRO). Published by Elsevier Masson SAS. All rights reserved.
1. Introduction La radiothérapie extracrânienne en conditions stéréotaxiques est une méthode de radiothérapie permettant de délivrer, avec une haute précision, une forte dose de rayonnement sur une cible extracrânienne par un faible nombre de séances (inférieur à dix)
∗ Auteur correspondant. Adresse e-mail : [email protected] (V. Marchesi).
[1]. Les distributions de dose produites par des systèmes de planification de traitement spécifiques sont caractérisées par des doses élevées dans la cible et des gradients de dose importants en bordure afin de préserver les tissus sains environnants [2]. Pour préserver l’efficacité apportée par ces fortes doses, il est indispensable de garantir une haute précision dans la préparation et la délivrance des faisceaux d’irradiation [3]. Ce type de traitement est apparu longtemps après les premières applications de la radiothérapie intracrânienne en conditions stéréotaxiques et n’a pu être mis en œuvre que lorsqu’ont été
http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012 1278-3218/© 2014 Société française de radiothérapie oncologique (SFRO). Publié par Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.
Pour citer cet article : Marchesi V, et al. Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Cancer Radiother (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012
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développés des outils de repositionnement et de délivrance des traitements avec une haute précision, permettant de s’affranchir notamment de systèmes invasifs tels que ceux rencontrés en radiochirurgie cérébrale. La plupart des radiothérapies en conditions stéréotaxiques sont aujourd’hui réalisées sur des machines de traitement conventionnelles auxquelles sont ajoutés des éléments de délimitation du faisceau (cônes circulaires ou plus fréquemment collimateur multilames de haute définition) et de repositionnement permettant de garantir la délivrance des faisceaux d’irradiation avec une précision d’ordre millimétrique. Néanmoins, pour accompagner le développement des indications de la radiothérapie stéréotaxique extracrânienne, des machines dédiées à ce type de traitement ont été conc¸ues [4]. La radiothérapie en conditions stéréotaxiques peut être délivrée grâce à des systèmes de localisation non invasifs ou peu invasifs. Des outils ou procédures pour limiter ou compenser le mouvement de cibles sont souvent utiles voire parfois requis dans la phase de planification et de traitement [5].
2. Machines équipées ou dédiées 2.1. Accélérateurs Les premières applications ont utilisé des appareils de traitement classiques, du type accélérateurs linéaires, dits de type en C pour la forme de l’arceau du bras de traitement, sur lesquels des éléments spécifiques sont ajoutés afin de satisfaire aux contraintes géométriques et dosimétriques supérieures pour la radiothérapie en conditions stéréotaxiques. Ainsi, afin de délimiter de manière précise et très localisée le faisceau de traitement, des systèmes de collimation supplémentaire viennent suppléer la collimation présente sur les machines. Cela présente deux avantages : une pénombre de faisceau réduite par la présence du collimateur plus proche de la surface d’entrée (réduction de la pénombre géométrique) et une définition plus fine de la forme des champs afin d’optimiser la conformation de la dose autours du volume cible. Ces systèmes de collimation peuvent être soit des cônes circulaires de tailles variables allant généralement de 4–5 mm à 30–40 mm de diamètre, ou plus fréquemment, des collimateurs multilames (MLC) à faibles largeurs de lames, dits mini- ou micro-MLC. En 2008, le rapport IRSN/SFPM/SFRO (Institut de radioprotection et de sûreté nucléaire, Société franc¸aise des physiciens médicaux, Société franc¸aise de radiothérapie oncologique) indiquait que le mini-MLC m3 de BrainLAB (BrainLAB AG, Feldkirchen, Allemagne) était le plus utilisé, essentiellement pour les traitements intracrâniens [6]. Il dispose de 26 paires de lames permettant de couvrir un champ maximum de 10 × 10 cm2 (20 paires de largeur 3 mm et six paires de largeur 5,3 mm). La motorisation perfectionnée du déplacement des lames permet d’atteindre une précision de l’ordre de 0,1 mm pour les faisceaux statiques. L’irradiation de la cible est réalisée par la multiplication de faisceaux statiques ou par la réalisation d’arcs (généralement cinq à sept arcs). Récemment les techniques de modulation de fluence soit en faisceaux statiques, soit sur faisceaux par arcs se sont ajoutées afin de permettre d’améliorer les distributions de dose, avec un gain significatif sur la conformation de la dose autours de la cible. La société BrainLAB s’est associée à Varian Medical Systems (Palo Alto, Californie, États-Unis) pour concevoir le premier accélérateur linéaire conventionnel spécialement dédié à la radiothérapie en conditions stéréotaxiques. Il est construit sur la base des modèles d’accélérateurs Varian existants (Clinac 600 pour le Novalis, TrilogyTM pour le Novalis TXTM , TrueBeam pour le Novalis TrueBeamTM STX). Il est équipé d’un collimateur microlames m3 pour le Novalis et d’un colimateur multilames de 120 lames
de haute définition pour les Novalis TXTM (32 paires de lames de 2,5 mm et 14 paires de lames de 5 mm de part et d’autre des 32 paires) [7]. Ce type de machine permet de délivrer des faisceaux de photons de 6 MV à un débit de 1000 unités moniteurs par minute (UM/min) et plus, grâce aux faisceaux sans cônes égalisateurs. Plus récemment, les principaux constructeurs ont développé des machines dont les caractéristiques permettent la réalisation de traitements en conditions stéréotaxiques. Ainsi, TrueBeam STXTM (Varian Medical Systems) et Versa HDTM (Elekta AB, Stockholm, Suède) disposent d’un collimateur multilames à faible largeur de lames (2,5 mm au centre du champ), de faisceaux sans cônes égalisateurs à haut débit de dose (2200 UM/min à 2400 UM/min). L’intérêt de l’absence de cône égalisateur est de réduire le temps de traitement (limitant ainsi l’incertitude de mouvement du patient intra-séance) et de diminuer le rayonnement diffusé (engendrant ainsi une baisse de la dose en dehors des champs). Pour les machines « équipées », avec ajout d’éléments parfois disparates, les caractéristiques mécaniques en termes de précision, de l’ordre de 1 à 2 mm, exigent des systèmes de positionnement et de maintien externe du patient. Dans le cas des machines « dédiées », la précision mécanique a été renforcée afin de garantir une incertitude géométrique inférieure à 1 mm pour la détermination de l’isocentre quelle que soit la configuration rotation du bras/rotation du collimateur/rotation de la table.
2.2. Outils de repositionnement du patient Pour les traitements extracrâniens, il n’est pas possible d’assurer un maintien rigide du patient par un cadre invasif ou un système de masques thermoformés à double empreinte fixé à une platine comme pour les traitements intracrâniens. Des contentions permettant un maintien plus stable et précis doivent être utilisées [8]. Par exemple, pour les traitements de l’abdomen et du thorax, des contentions sous forme de matelas ayant l’empreinte du patient et un système de réduction du mouvement diaphragmatique assurent un maintien précis et reproductible ainsi qu’un contrôle de mouvement de la cible [9,10]. Le contrôle de la position du patient est principalement assuré par les systèmes d’imagerie embarqués ou installés dans la salle de traitement, associés à des tables commandées depuis le pupitre (corrections de translations et éventuellement de rotations selon le type de table). L’imagerie portale de haute énergie (MV) est inutilisable à cause de la faible dimension des volumes irradiés rendant impossible le repérage anatomique, du faible contraste des images et de la difficulté de positionner le détecteur en fonction de la configuration d’irradiation. Les systèmes d’imagerie fondés sur la technologie de basse énergie (kV) sont alors privilégiés pour le contrôle de la position du patient en début de séance puis en cours de séance si la position de la table le permet. Les systèmes d’imagerie de basse énergie peuvent être embarqués sur l’accélérateur. Les contrôles sont faits soit à partir de clichés de basse énergie statiques orthogonaux pour les repères à contraste élevés (structures osseuses, fiduciaires métalliques implantés par exemple), soit à partir d’acquisition tomographique en faisceau large (tomographie conique, CBCT) pour le repérage de structure à faible contraste (tissus mous) [11]. Une alternative à l’utilisation du système d’imagerie embarqué est l’utilisation de système d’imagerie planaire périphérique tel que le système ExacTrac® de BrainLAB [12,13]. Ce système est constitué :
• d’une caméra infrarouge qui permet le prépositionnement du patient et le suivi du patient pendant l’irradiation (billes réfléchissantes positionnées sur le patient) ;
Pour citer cet article : Marchesi V, et al. Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Cancer Radiother (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012
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• de deux couples de tubes à rayons X installés au sol et de détecteurs plan fixés au plafond qui permettent l’acquisition d’images de basse énergie planaires. Le système ExacTrac® permet la vérification et la correction du positionnement du patient par superposition et mesures de vraisemblances entre les images acquises au moyen du système ExacTrac® et les images radiologiques digitales reconstruites (DRR) transmises depuis le système de planification du traitement (TPS). Après validation du recalage qui satisfait à des critères d’acceptabilité définis, les paramètres de correction (matrice de trois rotations longitudinale, latérale et verticale et des trois translations orthogonales) sont transférés à la Table 6D à six degrés de liberté (trois translations, trois rotations). Après déplacement de la table à six degrés de liberté, un contrôle est réalisé au moyen du système d’imagerie de basse énergie de ExacTrac® . La précision de repositionnement de ces systèmes est submillimétrique [11]. Les tables dont le plateau est mobile, à six degrés de liberté utilisées pour le repositionnement permettent de corriger de manière fine et précise la position du patient observée sur l’imagerie de contrôle (table HexaPodTM pour Elekta, Robotics pour BrainLAB/Varian) [14]. Après repositionnement grâce à l’imagerie de basse énergie, il est possible de réaliser une irradiation synchronisée à la respiration en définissant une plage du cycle respiratoire où l’irradiation sera permise, correspondant à une position donnée et connue de la zone à traiter. L’intérêt de cette technique de gating est que le traitement se fait en respiration libre, sans demander au patient de bloquer sa respiration [15,16]. 3. Accélérateur robotisé : le CyberKnife® 3.1. Technologies Le CyberKnife® (Accuray Inc.) est un système de radiothérapie robotisée dédié à la radiothérapie en conditions stéréotaxiques, permettant la délivrance d’un grand nombre de faisceaux d’irradiation, généralement non isocentriques, avec une précision submillimétrique (la précision intrinsèque du robot manipulateur est de 0,1 mm) [17]. L’accélérateur linéaire miniaturisé délivre un faisceau de 6 MV, sans cône égalisateur, avec un débit de 600, 800 ou 1000 UM/min en fonction des versions d’appareil. Les champs d’irradiation sont délimités soit par des collimateurs circulaires (12 tailles possibles de 5 à 60 mm), soit par un système automatisé reproduisant les cônes circulaires via un agencement de lamelles organisées en diaphragme (système Iris) [18–20]. La dernière version commercialisée du CyberKnife® (modèle M6) dispose d’un mini-collimateur multilames Incise de 82 lames de 2,5 mm de largeur à 80 cm de la source pour une surface maximale d’irradiation de 10 × 12 cm2 . Les traitements extracrâniens sont réalisés avec une distance source–axe variable de 80 à 100 cm, en utilisant d’une à plusieurs tailles de champs (pour le cas des collimateurs fixes et avec Iris). Les faisceaux sont répartis sur une centaine de positions fixes autours du patient, appelés nœuds. Autours de chacun de ces nœuds, le faisceau peut prendre 12 positions d’inclinaison différentes afin de réaliser des traitements non isocentriques, portant de 1000 à 6000 les incidences de faisceaux possibles [21].
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émettant un signal lumineux. Placés sur le thorax du patient, ils indiquent au système l’amplitude respiratoire externe et sera utilisé dans les traitements avec suivi de la respiration en temps réel (tracking) [22]. La table de traitement, également montée sur système robotisé, complète l’équipement. Elle permet un positionnement avec une précision de 0,1 mm/0,1◦ dans toutes les directions grâce aux mouvements à six degrés de libertés (trois translations, trois rotations). Comme la plupart des traitements par CyberKnife® sont non isocentriques, il existe un point de référence dans la salle qui est utilisé comme origine des systèmes de coordonnées utilisés par les différents éléments constituant le système CyberKnife® (robot, imagerie, table). Ce point est situé à l’intersection des axes centraux des imageurs. Il sert de référence géométrique pour l’orientation des faisceaux et le positionnement du patient. Ainsi, le CyberKnife® est un système entièrement guidé par le système d’imagerie. L’algorithme de suivi, adapté en fonction de la localisation traitée, est utilisé pour le calcul de la position du patient par rapport à la position prévue et les éventuels déplacements à opérer : • 6D-Skull : pour les localisations intracrâniennes et proches du crâne. L’algorithme de recalage utilise la segmentation de la boîte crânienne ; • X-Sight Spine : pour les localisations vertébrales et paravertébrales. L’algorithme est basé sur la reconnaissance des corps vertébraux ainsi que sur la déformation de l’alignement des vertèbres entre elles ; • marqueurs fiduciels : pour les localisations des tissus mous. L’algorithme est basé sur la reconnaissance de marqueurs (fiduciels) implantés dans le volume cible ou le plus proche possible. Il faut au moins trois marqueurs valides pour obtenir les coordonnées selon les 6 degrés de libertés ; • SynchronyTM : pour les localisations impactées par le mouvement respiratoire (poumon et foie essentiellement) avec implantation de marqueurs [23]. Associé au système de suivi de marqueurs optiques externes placés sur le thorax du patient enregistré via une caméra CCD, l’algorithme construit un modèle mathématique de corrélation entre la position des marqueurs externes et la position des marqueurs internes, déterminée à partir de plusieurs clichés à rayons X acquis pendant les différentes phases du cycle respiratoire. Le modèle peut être linéaire, curvilinéaire ou avec un phénomène d’hystérésis (trajectoire du marqueur différente entre la phase d’inspiration et la phase d’expiration). Lorsque le modèle est jugé complet, l’irradiation est réalisée avec compensation des mouvements respiratoires internes prédits par le modèle de corrélation, sur la base du signal recueilli par les marqueurs externes via la caméra ; • X-Sight Lung : pour les localisations pulmonaires uniquement, sans implantation de marqueurs. Le principe est identique au suivi de type Synchrony® à la différence notable qu’il ne requiert pas de marqueurs implantés. La reconnaissance de la position de la tumeur se fait par segmentation de l’ombre de la tumeur sur les clichés à rayons X. L’utilisation de cette technique est limitée par la difficulté de reconnaissance automatique de la tumeur lorsque le contraste est faible (dépend de la position de la tumeur par rapport aux structures médiastinales et au rachis). 4. Accélérateur monté sur anneau : Vero®
3.2. Outils de repositionnement du patient 4.1. Technologies Un ensemble d’imagerie composé de deux tubes à rayons X placés au plafond et deux détecteurs plans situés dans le sol, permet la réalisation d’images orthogonales pour le repérage tridimensionnel de la cible traitée. Une caméra CCD (charge coupled device) placée aux pieds du patient permet de suivre des marqueurs optiques
Vero® , mis au point conjointement par les sociétés BrainLAB et MHI (Mitsubishi Heavy Industry, Tokyo, Japon), est un accélérateur linéaire compact qui délivre des faisceaux de photons de 6 MV, à un débit maximal de 5 Gy/min, avec cône égalisateur, monté sur un
Pour citer cet article : Marchesi V, et al. Appareillage et technologies de repositionnement en radiothérapie stéréotaxique extracrânienne. Cancer Radiother (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.canrad.2014.03.012
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bras en anneau (O-Ring) [24]. Le bras peut tourner autour d’un axe horizontal de ±185◦ avec une vitesse nominale de 7◦ /s. L’anneau peut également tourner autours d’un axe vertical de ±60◦ avec une vitesse maximale de 3◦ /s permettant de faire des traitements non coplanaires sans rotation de la table de traitement. Le faisceau est délimité par un collimateur multilames composé de 30 paires de lames de 5 mm de largeur à l’isocentre permettant de réaliser des champs de 15 × 15 cm2 au maximum [25]. L’innovation majeure de ce système, et donc son intérêt, est que le collimateur multilames est monté sur un système de deux cardans orthogonaux ou gimbals fixés sur l’anneau permettant d’orienter le champ d’irradiation selon deux directions (pan et tilt) autour de la position centrale afin de réaliser un suivi en temps réel d’une cible en mouvement (tumour tracking). L’excursion maximale de l’axe du faisceau est de 4,4 cm (2,5◦ ) dans le plan de l’isocentre indépendamment du mouvement des lames pour une irradiation dynamique, les deux mouvements pouvant être faits de manière simultanée. 4.2. Outils de repositionnement du patient Le système Vero® est équipé d’un système d’imagerie portale de haute énergie situé en sortie de faisceau pour le contrôle de la forme du champ, du dispositif de pré-positionnement ExacTrac® fondé sur le suivi de marqueurs infrarouges, et d’un système de deux couples de tubes à rayons X et détecteurs plans orientés à 45◦ de l’axe du faisceau et montés sur le bras en anneau. Ce système d’imagerie de basse énergie permet de réaliser une imagerie spectroscopique, tomographique en faisceau large (tomographie conique, CBCT) par l’utilisation couplée des deux sources avec une acquisition sur 200◦ en 16 secondes [26] et une imagerie fluoroscopique. Le suivi en temps réel des mouvements de la cible est obtenu au moyen du système infrarouge de l’ExacTrac® et de l’imagerie fluoroscopique. Après pré-positionnement du patient par détection des billes réfléchissantes du système infrarouge de l’ExacTrac® , le signal respiratoire est suivi au moyen des billes. Simultanément, des images fluoroscopiques sont acquises pour détecter des marqueurs internes permettant d’établir une corrélation entre les marqueurs infrarouges et internes. Le modèle prédictif de corrélation ainsi établi permet au système ExacTrac® de suivre les mouvements des marqueurs internes via les marqueurs externes et de guider les deux cardans orthogonaux pour suivre le mouvement de la tumeur. La vérification de la validité du modèle de corrélation est réalisée avant et pendant l’irradiation au moyen de l’imagerie de basse énergie [24]. 5. Arcthérapie hélicoïdale La tomothérapie (Accuray Inc.) n’est pas un appareil dédié à la radiothérapie en conditions stéréotaxiques extracrânienne et rares sont les utilisations de cette machine rapportées dans la littérature [27]. Le principal inconvénient de la tomothérapie est l’absence de système de suivi respiratoire ou de gating, ce qui réserve l’utilisation de cet appareil à des cibles fixes [28,29]. La largeur des lames du collimateur (1 cm) peut être un inconvénient également dans le cas de lésion de très petit volume. L’impossibilité de réaliser des faisceaux non coplanaires ne permet pas la réalisation de gradients de dose aussi élevés qu’avec les techniques les permettant. 6. Conclusion La radiothérapie extracrânienne en conditions stéréotaxiques connaît un essor important ces dernières années notamment grâce aux développements opérés sur les machines de traitement conventionnelles mais également par l’apparition d’installations
(ensemble accélérateur/systèmes d’imagerie pour le contrôle du positionnement et/ou le tracking d’une cible/table de traitement) spécifiquement conc¸ues pour faciliter et améliorer la précision nécessaire dans cette technique particulière de traitement. Si les procédés sont facilités, une attention particulière doit être conservée quant à son utilisation clinique et des protocoles stricts d’assurance de qualité doivent être mis en place [30].
Déclaration d’intérêts Les auteurs déclarent ne pas avoir de conflits d’intérêts en relation avec cet article.
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