La radiothérapie externe

Avant propos

Découvert en 1895 par le physicien allemand Röntgen

Les rayons X ont été utilisés dès 1902 pour traiter des cancers. Jusqu'en 1950, la radiothérapie externe a été réalisée avec des radiations de faible énergie, de 50 à 250 KV et donc peu pénétrants, ce qui a valu, à la radiothérapie, un certain nombre de préjugés comme les rayons qui brûlent.

Les limites...

Plus le volume augmente a irradier est important, plus il faut augmenter la dose, ce qui constitue un facteur limitant. Généralement, au -delà de 65 - 70 Gy, la dose de tolérance du tissu cutanéo-conjonctif est généralement dépassée en dehors des irradiations sur un très petit champ. A l'opposé, pour être efficace, la radiothérapie doit pouvoir irradier toute la tumeur.

 

 

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* premier Prix Nobel de physique en 1901 en récompense « des services extraordinaires rendus possibles par sa découverte des rayons remarquables qui portent son nom »

Le télécobalt

Sa mise au point a permis à la radiothérapie, depuis les années 1970, de devenir la fois plus efficace et mieux tolérée. La source de cobalt contenue dans la tête de l'appareil émet des rayons gamma. Ils ont un rendement de 50 % à 10 cm sous la peau. La dose maximale n'est pas distribuée à l'épiderme, source de radiodermite, mais à 5 mm sous la surface de l'épiderme d'où la diminution très importante des brûlures cutanées. Avec cette technique, l'os ne représente plus un écran à la diffusion des rayons. Ces machines ont maintenant été remplacées par les accélérateurs linéaires.

Les accélérateurs linéaires de particules (linac)

LEUR MODE D'ACTION

Les accélérateurs linéaires produisent des électrons d'énergie comprise entre 6 et 25 MeV, qui sont libérés par un canon à électrons, puis accélérés par un champ de haute fréquence alternatif produit par un magnétron ou un klystron.
L'interposition dans le faisceau d'electrons d'une cible en tungstène conduit à la production de photons (rayons) X d'énergie maximale 25 MeV.
Les gros accélérateurs émettent des photons X de 10 à 25 MeV n'entraînent plus de réaction cutanée et ont un rendement de 50 % à 20 cm environ sous la peau et sont des appareils adaptés au traitement des tumeurs du thorax, de l'abdomen et du pelvis.
Les propriétés balistiques des électrons font qu'ils peuvent être utilisés pour traiter des volume-cibles superficiels, particulièrement s'ils sont situés devant un organe-critique, comme la moelle épinière.

L'APPAREIL…

Un accélérateur de particules comprend une source d’électron à l’extrémité d’une section accélératrice sous vide. Ces électrons sont accélérés par une onde de haute fréquence générée par une klystron ou un magnétron. Sous l’effet de cette force, ils acquièrent une énergie très élevée de 4 à 25 MeV.
Les électrons peuvent avoir une double destinée. Soit ils sont projetés sur une cible (anode) et ils sont transformés en rayons X de très haute énergie ; soit ils sont extraits directement de l’accélérateur et réalisent ainsi un faisceau d'électrons dont l'énergie peut aller de 4 à 25 MeV selon les appareils.
Un accélérateur est donc un appareil qui peut fournir au choix, soit des photons X, soit des électrons.

  • Les petits accélérateurs émettent des photons X de 4 à 6 MeV qui ont des propriétés proches du cobalt,
  • Les gros accélérateurs émettent soit des photons X de 10 à 25 MeV qui n'entraînent plus aucunes réactions cutanées et ont un rendement 50 % à 20 cm environ sous la peau, soit des électrons dont on peut faire varier l'énergie entre 4 et 25 MeV environ et qui sont bien adaptés à l'irradiation des lésions superficielles.

 

LES CYCLOTRONS

Les cyclotrons sont des machines complexes. Elles produisent des particules lourdes, qui présentent :

  • Un intérêt biologique, pour les flux de neutrons
  • Un intérêt balistique, pour les flux de protons


DEUX PROGRÈS TECHNIQUES ENTRENT ACTUELLEMENT DANS LA PRATIQUE QUOTIDIENNE…

L’imagerie portale

C’est un système d’imagerie médicale qui est placé sous la table de traitement. Il utilise les photons X émis par l’accélérateur et restitue une image du champ d’irradiation. Cette technique permet de vérifier, avant la séance le bon positionnement du malade et la bonne balistique du tir.

Le collimateur multilames (MLC)

Ils ont remplacé les « champs carrés » et les caches en plomb ou cerrobend.
Ces nouveaux collimateurs, constitués de multiples lamelles de tungstène de 1 à 1,5 mm d’épaisseur, permettent de réaliser des champs de formes complexes, améliorant la balistique de l’irradiation et simplifiant l’utilisation des caches plombés ou en alliage. Avec les irradiations multifaisceaux statiques successifs définis par le collimateur multilames, ou en utilisant une approche de mouvement continu de lames (MLC dynamique), on peut maintenant utiliser des faisceaux d’intensité modulée de très grande précision.

La radiothérapie moderne...

De nos jours, elle ne se conçoit, pour être performante et sûre, que dans un environnement technique très important. Cet équipement comprend :

  • Un scanner, pour bien repérer le volume tumoral et les organes critiques
  • Un conformateur, qui permet le tracé des contours cutanés dans des plans transverses ou sagittaux
  • Un simulateur, appareil de radiodiagnostic qui permet le centrage des faisceaux; il simule l'appareil de traitement en permettant de voir ce qui sera irradié par chaque faisceau
  • Un système informatique, pour faire la dosimétrie, c'est à dire visualiser la distribution spatiale de la dose et calculer les temps de traitement

L’hyperfractionnement

Il consiste à délivrer une irradiation en plusieurs séances quotidiennes, ce qui permet d’une part la réduction de la dose par fraction et donc de réduire l'agressivité des rayons pour les tissus normaux et la toxicité radique tardive, et d’autre part l’augmentation de la dose quotidienne délivrée au volume cible.
L’hyperfractionnement accéléré a pour but de délivrer plusieurs séances d’irradiation par jour tout en diminuant la durée totale du traitement.

Radiothérapie par photons (photonthérapie)

La radiothérapie transcutanée aux photons est la technique la plus utilisée actuellement. Elle est appliquée selon diverses modalités :

  • En radiothérapie classique bi-dimensionnelle (RC2D
  • En radiothérapie conformationnelle 3D (RC3D)
  • En radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité (RCMI, ou IMRT en anglais)
  • En techniques spéciales : tomothérapie, CyberKnife, par exemple

 

La radiothérapie de conformation (conformationnelle)

LE PRINCIPE
 

la radiothérapie conformationnelle 3D

C'est une irradiation transcutanée dans laquelle le volume traité est adapté au volume cible reconstruit en 3 dimensions.


C'est le début de la nouvelle radiothérapie assistée par ordinateur...

Les scanners de stimulation dédiés remplacent progressivement les simulateurs et permettent des reconstructions en 3D du corps et de tous les organes.
Les logiciels de « dosimétrie » et notamment la fonction beam eye view (vue depuis la cible) permettent de réaliser de façon virtuelle des plans de traitement en 3D « sur mesure » qui conforment (sculptent) les isodoses au plus près des contours des volumes cibles et des organes à risques.

Un peu de technique

Cette technique consiste à faire correspondre le plus précisément possible, c'est-à-dire " conformer ", le volume sur lequel les rayons vont être dirigés au volume réel de la tumeur.
La radiothérapie conformationnelle consiste à délimiter le volume-cible au plus près, de façon à n’irradier qu’au minimum les tissus sains alentour. Ceci suppose un repérage du « volume-cible », le plus souvent par scanner, puis l’établissement d’un plan de traitement adapté à l’anatomie et aux caractéristiques du patient. Actuellement, cette technique fait appel à :

  • Des moyens assurant la reproductibilité du traitement : immobilisation du patient, contention…
  • Une imagerie médicale tridimensionnelle de la totalité des volumes irradiés (scanner (TDM) pouvant, si nécessaire être couplée à l'IRM, la TEP, la fusion d’images…
  • Une délinéation des volumes cibles et des organes critiques auxquels sont appliquées des marges de sécurité adaptées
  • Une balistique et une collimation personnalisée des faisceaux (caches personnalisés, collimateurs multilames) déterminées à partir d’un calcul tridimensionnel de la distribution de doses dans les différents volumes (GTV, CTV, PTV, organes à risques) ;
  • Un contrôle de la reproductibilité du traitement (imagerie portale, gammagraphie).

 

DÉTERMINATION DU VOLUME-CIBLE

La mise en route est un temps capital qui dure une semaine.
On commence généralement par immobiliser le patient dans un masque ou un moule thermoformé, en fonction de l’organe à traiter (tête, pelvis), permettant une reproductibilité parfaite du positionnement du patient à chaque séance.
Un plan de référence est ensuite défini sur le patient, en général par trois points (un antérieur et deux latéraux) qui sont tatoués.
Un scanner est alors réalisé, en s’assurant que le plan de référence passe exactement par une des coupes scanner. Une injection intraveineuse de produit de contraste est très utile pour le repérage de la vessie et des axes vasculaires.
Les images sont alors transférées sur une console de dosimétrie où, sur chaque coupe, sont contourés le volume de l’organe à traiter et les « organes à risque ». Habituellement, une reconstruction en 3D est alors réalisée.

LA PROTECTION DES ORGANES À RISQUE

La protection des organes à risque est une étape essentielle de la mise en œuvre de la radiothérapie.
Le radiothérapeute va les exclure du volume cible et à partir de la connaissance des doses seuil de chaque tissu définir le plan de traitement. Pour cela, les nouvelles techniques comme

  • La confection de caches personnalisés focalisés en cerrobend qui est un alliage de bismuth et d'étain dont la densité est proche de celle du plomb. Son objectif est d'atténuer, par convention, au moins 94 % du faisceau incident.
  • L'utilisation de collimateurs multilames
  • Les application des nouvelles technologies comme l'Imagerie Médicale et Radiologie Thérapeutique IMRT, la tomothérapie
  • La prescription de médicaments radioprotecteurs comme l'amifostine dans le cas d'irradiation du coo pour éviter la perte de salive ou xérostomie.


ÉTABLISSEMENT DU PLAN DE TRAITEMENT


À l’issue du contourage, un plan de traitement (nombre et orientation des faisceaux ; dessins des caches ou position des lames) est proposé au radiothérapeute. L’évaluation de ce plan de traitement est réalisée sur un histogramme dose-volume (HDV). Certaines contraintes sur la dose reçue par les volumes-cibles et les organes critiques permettent de choisir le meilleur plan de traitement.
Après validation, le plan de traitement est transféré à l’accélérateur linéaire pour la calibration du collimateur multilames.

DE PLUS EN PLUS DE MALADES CONCERNÉS…

Environ 10 à 20 % des malades irradiés bénéficient maintenant de ces techniques notamment pour les tumeurs intracrâniennes, de la sphère ORL (cavum, sinus de la face), le cancer de prostate, les tumeurs bronchiques, les tumeurs para vertébrales ou hépatiques.

La radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité (RCMI)

SON OBJECTIF

La radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité est une technique d’irradiation qui permet d’améliorer la couverture des volumes cibles complexes tout en diminuant l’exposition des organes à risque.

LE PRINCIPE

Un peu de technique...

Elle utilise des faisceaux d’intensité différente dans un même champ dans le but de produire plus de degrés de liberté dans la répartition de la dose et, en principe, une conformation encore plus précise que celle utilisée par la technique habituelle.

Dans cette technique on module la "fluence", c'est-à-dire, la quantité de photons par unité de surface des faisceaux en cours de séance. Ces modulations de faisceaux sont programmées avec des logiciels spécifiques qui utilisent les techniques de planification inverse

La planification inverse

C'est l'optimisation de la "fluence" des faisceaux à partir des contraintes prescrites.
C'est un système qui propose une réponse dosimétrique au problème d'irradiation qu’on lui a posé au travers des contraintes planimétriques.
Le nombre de faisceaux, l’angle, et l’énergie sont prédéterminés par le radiothérapeute. Le logiciel déterminera : la forme des faisceaux selon la forme des contours du PTV et la "fluence" en fonction des contraintes dosimétriques et des pondérations fixées à ces contraintes.

L'appareillage...


La RCMI nécessite un accélérateur classique avec collimateur multilames équipé d’un système d’imagerie embarquée.
La technique peut être en champs fixes ou en arcthérapie.
Il existe également des accélérateurs dédiés comme les appareils de type « TomoTherapy® (Accuray) » qui permettent également la réalisation de RCMI.
Une préparation de RCMI impose l’utilisation de logiciels spécifiques de dosimétrie ou treatment planning systems (TPS) et de moyens spécifiques de contrôles de la dose délivrée au patient avant séance par des fantômes dédiés.

LES INDICATIONS ACTUELLES...

Elle tend à s’établir comme standard de traitement...


Les conditions idéales pour l'utilisation de cette technique sont :

  • Une tumeur de forme irrégulière pas ou peu mobile
  • Des contours fiables
  • Une tumeur proche de structure(s) critique(s)
  • Un positionnement et immobilisation reproductibles

 

Ce que l'on sait actuellement...

Cette technique a démontré sa supériorité sur la radiothérapie conformationnelle tridimensionnelle dans la prise en charge des cancers de la tête et du cou, avec la possibilité de maintenir la fonction salivaire et d’éviter la sécheresse buccale et ses complications.
Dans le traitement des cancers de la prostate, la RCMI a montré son efficacité en diminuant le risque de rectite radique.
Dans la prise en charge des cancers du col de l’utérus, de l’endomètre ou du canal anal, la RCMI pourrait aussi diminuer le risque d’effets secondaires tardifs radio-induits.

Indications les plus souvent retenues actuellement...

Ce sont les cancers de la prostate, de la sphère ORL et les tumeurs du système nerveux central.
Des essais encourageant ont été publiés pour le traitement de certains cancers du sein

CONCRÈTEMENT...

En radiothérapie conformationnelle, après avoir déterminé les volumes-cibles et les organes à risque, on définit de quatre à six faisceaux par leurs tailles et leurs angulations, puis on examine sur les 
Histogramme Dose Volume (HDV)* le résultat de la balistique proposée ; par tâtonnement, en modifiant chaque faisceau, on obtient ainsi un plan de traitement satisfaisant les contraintes sur la tumeur et les tissus sains.
Dans les systèmes de planification inverse, les contraintes sont entrées dans l’ordinateur, et c’est lui qui définit la meilleure balistique (et surtout les caractéristiques en fluence) de chaque faisceau.


*HDV = l'histogramme dose volume
Il donne une représentation graphique cumulative du volume de tissus d'un organe ou d'une région d'intérêt (en ordonnée) ayant reçu une dose D exprimée en cGy ou en pourcentage de la dose totale (en abscisse). 

La tomothérapie

Le principe de cette technique consiste à coupler un scanner et un petit accélérateur de moyenne énergie qui tourne autour du patient pendant que la table de radiologie se déplace longitudinalement.
Cette technique permet de réaliser un scanner en mode hélicoïdal ce qui permet d’assurer, en permanence, avant chaque irradiation de la bonne position du volume « cible », c’est-à-dire de la tumeur à traiter.

Radiothérapie stéréotaxique robotisée

HISTORIQUE

Le premier appareil Cyberknife® a été développé dans les années 1990 aux États-Unis en Californie au Stanford University Medical Center et le premier patient a été traité en 1994 par cette technique.
Le premier appareil approuvé aux USA par la FDA ( Food and Drug Administration ) a été mis en service en 2001.
Le premier patient a été traité en Europe en janvier 2003. En France, la plupart des grands centres traitant les cancers sont équipés en Cyberknife® de quatrième génération.

UN PEU DE TECHNIQUE

Le système

C'est un accélérateur linéaire miniaturisé fixé à un bras robotisé piloté par ordinateur et qui permet d’orienter les faisceaux avec six degrés de liberté et une précision de positionnement au millimètre.
C'est un système non invasif de radiochirurgie et de radiothérapie stéréotaxique fractionnée. Il comporte :

  • Une table de traitement (Robocouch™)
  • Un bras robotisé portant l'accélérateur miniaturisé avec une précision de positionnement asservi de 0,2 mm.
  • 12 collimateurs
  • Un système d'imagerie médicale par rayons X
  • Un laser
  • Des caméras de détection infrarouges (Synchrony™)


Le bras robotisé est porteur d'une section accélératrice. Il oriente les faisceaux d'irradiation suivant six axes de liberté (trois translations et trois rotations). La distance source–axe varie de 650 à 1000 mm et selon les installations. On peut ainsi obtenir jusqu'à 1320 positions différentes de traitement. L'accélérateur linéaire produit des rayons X de 6 MV, avec un débit de dose de 600 unités moniteur/min. Il est équipé de 12 collimateurs circulaires dont le diamètre s'échelonne de 0,5 à 6 cm. Jusqu'à trois collimateurs peuvent être utilisés au cours d'un même traitement pour améliorer la conformité et l'homogénéité de l'irradiation.
Pendant le traitement, un système orthogonal de rayons X, permet de suivre la cible en temps réel à partir de marqueurs implantés ou par corrélation avec les repaires squelettiques. Lors du traitement, le bras passe automatiquement par certains points de position dans l'espace, appelés, nœuds, selon un trajet préétabli et systématiquement suivi.

Sa précision

La précision finale de traitement est inférieure à 0,95 mm pour les lésions peu mobiles et à 1,5 mm pour les cibles mobiles avec une erreur moyenne de 0,7 ± 0,3 mm et une précision du traitement fourni de 0,3 ± 0,1 mm.

LES INDICATIONS ACTUELLES

Le Cyberknife® a été utilisé initialement pour traiter les tumeurs cérébrales, méningiomes, neurinomes de l'acoustique, tumeurs hypophysaires et métastases, ainsi que certaines malformations artérioveineuses et les douleurs réfractaires , comme la névralgie du trijumeau.
Les application pour les pathologies extracrâniennes se sont développées ces dernières années, en particuliers les lésions rachidiennes. Il s'agit, notamment, des tumeurs du rachis et des tumeurs para-médullaires ainsi que de certaines malformations.
Les autre indications validées concernent, les cancers primitifs du poumon (T1-2 N0), les métastases pulmonaires à croissance lente avec tumeur primitive contrôlée et certaines tumeurs du foie (hépatocarcinome ou métastases hépatiques). Des applications voit aussi le jour pour les traitement symptomatiques de la douleur.

LES TRAITEMENTS STÉRÉOTAXIQUES

LA MÉTHODE

Ils  emploient de multiples faisceaux pour délivrer une dose forte par fraction en un minimum de séances de radiothérapie dans un volume cible restreint défini avec une précision inframillimétrique.

Les techniques de mise en œuvre sont :

  • Les appareils spécifiquement conçus pour l’irradiation en condition stéréotaxique et ne pouvant être utilisés qu’à cet effet : GammaKnife (intra-crânien), Cyberknife (intra- et extra-crânien), Vero (intra- et extra-crânien)
  • Les appareils de traitements conventionnels sur lesquels sont ajoutés des éléments spécifiques : accélérateur classique + collimateurs circulaires (intra- et extra-crânien) ou accélérateur classique + micro-collimateur multilames (intra- et extra-crânien).


LES MODALITÉS

Plusieurs modalités existent et diffèrent selon

  • Le fractionnement : radiothérapie stéréotaxique non fractionnée ou radiochirurgie et radiothérapie stéréotaxique hypofractionnée
  • Les modalités de contention : cadre de contention fixé au crâne sous anesthésie locale ou masques moulés personnalisés
  • Le type d’appareil de radiothérapie
  • Accélérateur linéaire d’électrons adapté ou dédié à la radiothérapie stéréotaxique, Gamma-Knife®
  • Système d’irradiation robotisée avec tracking (Cyberknife®, Novalis/Exactrac®)
  • Le type de collimation (conique ou multilames)

 

LA DOSIMÉTRIE 

La dosimétrie tridimensionnelle permet d’optimiser la distribution des doses avec une dose très forte délivrée dans la métastase et une décroissance rapide à sa périphérie, permettant une épargne des tissus sains ainsi que peu ou pas d’alopécie.

LES INDICATIONS VALIDÉES

  • Cancer bronchique non à petite cellule classé (CBNPC) T1–T2, non opérable pour raison médicale ou refus du patient
  • Métastases pulmonaires (inférieures ou égales à trois) en croissance lente, et avec une tumeur primitive contrôlée
  • Les tumeurs para-rachidiennes, intra- ou extra-médullaires ou extra-durales

Différents volumes...

  • GTV (Gross Tumor Volume) : volume palpable et visible de la tumeur
  • CTV (Clinical Target Volume) : volume nécessaire de traiter car la tumeur peut avoir des ramifications non palpables
  • PTV (Planified Target Volume) qui intègre des marges de sécurité supplémentaires (Marge Interne et Marge de Positionnement) à appliquer au CTV pour prendre en compte les mouvements physiologiques internes et les écarts liés au positionnement quotidien du patient sur la table de traitement

 

Les volumes à irradier (ICRU)

  • GTV = volume tumoral macroscopique = l’ensemble des lésions tumorales mesurables, palpables ou visibles avec les moyens actuels d’imagerie
  • CTV = volume cible anatomoclinique = volume tumoral macroscopique + une marge correspondant à la maladie microscopique invisible avec les moyens actuels d’imagerie
  • PTV = volume cible prévisionnel comprend au CTV + une marge de sécurité correspondant aux incertitudes de positionnement liées au patient et à la mise en place sur l’appareil de traitement.
  • ITV = volume cible interne prend en compte les mouvements physiologiques des organes dans le patient, relevés par rapport à un système de coordonnées interne lié au patient

Les durées moyennes de traitement

  • Cancer du sein: 50 Gy en 25 fractions sur 5 semaines
  • Cancer bronchique: 60 Gy en 30 fractions sur 6 semaines
  • Cancer de la prostate: 65-72 Gy en en 30 à 40 fractions sur 6 à 8 semaines
  • Maladie de Hodgkin: 35-40 Gy en en 20 fractions sur 4 semaines

Mise à jour

31 juillet 2019