Adéquation des références dosimétriques à l’évolution des traitements par radiothérapie externe

Évolution des techniques de radiothérapie externe

Dans les années 1950, parallèlement au développement des télécobalts, les recherches sur les rayons X s’orientent vers une augmentation de l’énergie qui permettrait le traitement des tumeurs profondes. Des accélérateurs de particules tels que les accélérateurs électrostatiques de van de Graaf (2 MeV) et les bêtatrons (jusqu’à 35 MeV) sont développés mais rapidement supplantés, en termes de rapport efficacité/coût, par les accélérateurs linéaires médicaux (aussi appelés LINAC pour « LINear ACcelerator »). Ces derniers produisent des faisceaux d’électrons entre 4 et 25 MeV et des rayons X obtenus par rayonnement de freinage lors de l’interaction de ces électrons avec une cible. Dans les années 1970, les premiers bras isocentriques permettant une rotation à 360° sont utilisés [LEDERMAN, 1981] ; c’est le début de la radiothérapie avec des accélérateurs linéaires dits « conventionnels ». À partir des années 1980, les LINAC supplantent les irradiateurs au Co de sorte que, au 31 décembre 2009, le parc d’appareils de traitement en France ne compte plus que 3 télécobalts contre plus de 400 accélérateurs  linéaires [INCA, 2010].

Les traitements par radiothérapie conventionnelle

Lors d’un traitement par radiothérapie conventionnelle, le patient est placé à environ 100 cm de la source de rayons X. Des champs d’irradiation rectangulaires de dimensions supérieures à environ 3 x 3 cm² sont délimités par des mâchoires (figure I.2) et un nombre réduit de faisceaux statiques et uniformes en intensité est utilisé. L’ajout de filtres en coin et de caches en plomb permet de corriger des obliquités de surface et de protéger les organes à risque les plus critiques.
Les volumes d’intérêt (volume cible et organes à risque) sont déterminés avec une précision de l’ordre du centimètre à partir d’une imagerie du patient à deux dimensions.

La radiothérapie conformationnelle avec et sans modulation d’intensité

Au milieu des années 1990, alors que l’utilisation des accélérateurs linéaires s’est répandue et se substitue progressivement à celle des télécobalts, un nouvel axe de recherche se développe grâce aux progrès de l’informatique : l’amélioration de la balistique de traitement. Il s’agit toujours d’augmenter la dose délivrée au PTV tout en réduisant la dose reçue par les OAR et les tissus sains environnants.
L’introduction de collimateurs multilames (MLC) motorisés et contrôlés à distance par ordinateur permet l’utilisation de champs d’irradiation à géométrie complexe, mieux adaptés au volume à traiter ( figure I.3).
Les lames des MLC ont une largeur projetée au niveau du patient généralement comprise entre 0,4 et 1 cm.

Établissement d’une référence en termes de dose absorbée dans l’eau : état de l’art

Jusqu’à la fin des années 1990, les références en termes de dose absorbée dans l’eau pour la radiothérapie externe étaient établies dans des faisceaux de 60 Co. L’essor pris par les accélérateurs linéaires a incité certains laboratoires primaires à s’intéresser également aux faisceaux produits par ces accélérateurs. C’est le cas par exemple pour le NPL (National Physical Laboratory) au Royaume-Uni, le METAS (Office fédérale de métrologie) en Suisse, le NRCC (National Research Council Canada) au Canada, le PTB(Physikalisch-Technische Bundesanstalt) en Allemagne et le LNHB en France [ALLISY, 2009].

Conditions d’établissement des références dosimétriques

Les conditions de référence préconisées par le protocole AIEA TRS-398 [ANDREO, 2006] pour la détermination de la dose absorbée dans l’eau pour les faisceaux de photons de haute énergie d’un accélérateur linéaire sont données dans le tableau I.2 et illustrées par la figure I.5.

Méthodologie

La mesure absolue de la dose absorbée dans l’eau requiert l’emploi d’un étalon primaire, c’est-à dire d’un instrument qui ne nécessite pas d’étalonnage dans la grandeur qu’il mesure. Pour la dosimétrie des photons de haute énergie, trois types de dosimètres sont considérés comme des étalons primaires:les chambres d’ionisation, les dosimètres chimiques de Fricke et les calorimètres [ICRU64, 2001 ; SEUNTJENS, 2009]. En réalité, la réalisation d’une référence au moyen d’une chambre d’ionisation et de dosimètres de Fricke repose sur la connaissance préalable de grandeurs déterminées au moyen d’un étalonnage par calorimétrie graphite ou d’un faisceau d’électrons parfaitement connu. Les chambres d’ionisation et les dosimètres de Fricke ne sont donc pas des instruments de mesure rigoureusement primaires. Dans le cadre de l’établissement de références en dose dans l’eau, ces détecteurs sont d’ailleurs plutôt utilisés comme dosimètres de transfert. De ce fait, leur principe de fonctionnement ne sera pas présenté dans ce paragraphe.
Actuellement, la majorité des références primaires en termes de dose absorbée dans l’eau pour les faisceaux de photons de haute énergie sont déterminées à partir d’un calorimètre, seul instrument permettant une mesure réellement primaire de la dose absorbée. Deux types de calorimètres sont utilisés dans ce but : les calorimètres à eau et les calorimètres en graphite.

Vers l’établissement de références dosimétriques adaptées aux nouvelles modalités de traitement

L’état des lieux précédent souligne un accroissement des différences entre les conditions de traitement par radiothérapie externe avec des faisceaux de photons de haute-énergie et les conditions d’établissement des références dosimétriques associées. Alors que les mesures primaires sont effectuées dans des faisceaux d’accélérateur linéaire statiques et homogènes et pour un champ d’irradiation de 10 x 10 cm² défini à 100 cm de la source, les nouvelles modalités de traitement sont caractérisées par des faisceaux d’irradiation complexes, de plus en plus petits (jusqu’à 0,4 cm de diamètre au minimum) parfois modulés en intensité et dans certains cas mobiles et de débit variable pendant l’irradiation. De plus,  pour certains appareils spécifiques (tomothérapie et Cyberknife par exemple), les conditions de références sont différentes.
Un nouveau formalisme a été introduit en 2008 par l’AIEA (Agence Internationale pour l’Énergie Atomique) et l’AAPM (American Association of Physicists in Medicine) afin de combler le manque de données concernant la dosimétrie de référence dans ces situations complexes [ALFONSO, 2008]. La solution proposée consiste à ajouter des facteurs de correction aux coefficients d’étalonnage des dosimètres de transfert des services de radiothérapie pour prendre en compte les différences existant entre les faisceaux utilisés lors de l’étalonnage et ceux de traitement. Cependant, face à la nécessité de déterminer la dose délivrée au patient avec l’incertitude la plus faible possible, il est important, qu’à terme, les dosimètres des hôpitaux soient étalonnés dans des conditions se rapprochant au mieux de la réalité clinique.
Dans cette thèse, nous proposons d’entamer le processus de rapprochement de la métrologie et de la clinique en établissant des références de dose absorbée dans l’eau pour des champs d’irradiation de dimensions inférieures à 10 x 10 cm², à savoir 4 x 4 et 2 x 2 cm², pour trois énergies de faisceaux de photons produits par un accélérateur linéaire médical. Cette étude s’est déroulée dans le cadre d’un projet européen intitulé « External Beam Cancer Therapy » [EBCT] initié en avril 2008 pour une durée de 3 ans et réunissant des laboratoires nationaux de métrologie en dosimétrie.
La méthode primaire retenue par le LNHB pour établir les références dosimétriques est la calorimétrie graphite associée à un transfert de la dose absorbée dans le graphite à la dose absorbée dans l’eau. La mise en œuvre de cette méthodologie présente plusieurs difficultés, les principales étant en lien direct avec la dimension des champs d’irradiation. En effet, la réalisation de mesures en champs 4 x 4 et 2 x 2 cm² conduit à modifier l’instrument primaire (le calorimètre graphite), les dosimètres assurant le transfert graphite-eau expérimental et l’étalon de travail.
Dans le chapitre suivant, nous allons décrire la méthodologie utilisée au cours de cette étude pour établir les références de dose absorbée dans l’eau. Nous présenterons ensuite l’accélérateur et le dispositif expérimental associé avant de décrire la méthode avec laquelle nous avons modélisé les faisceaux par simulations Monte Carlo.

Champs 10 x 10 cm² et 4 x 4 cm²

Calorimétrie graphite

Le calorimètre graphite étant placé dans le graphite, on mesure la dose absorbée dans son  élément sensible, l’absorbeur, à l’instant (figure II.3 – gauche). Pour le niveau de précision exigé, le moniteur n’est pas considéré stable au-delà de quelques heures. Ainsi il faut ramener la dose mesurée dans l’absorbeur à la charge mesurée dans le fantôme graphite par la chambre de référence (figure II.3 – droite). Cette mesure ionométrique, également appelée « TOP », est réalisée le matin et le soir afin d’évaluer la dérive du faisceau pendant la journée. On détermine ainsi le coefficient d’étalonnage de la chambre de référence en dose absorbée dans l’absorbeur du calorimètre.

L’accélérateur linéaire Saturne 43

Dans le cadre de ses missions de laboratoire primaire pour les rayonnements ionisants, le LNHB dispose depuis 1995 d’un accélérateur linéaire médical Saturne 43 distribué à l’époque par General Electric Medical Systems (racheté depuis par Varian Medical Systems). Cet accélérateur produit des faisceaux d’électrons dans une gamme d’énergies de 4 MeV à 21 MeV et des faisceaux de photons X obtenus par freinage des électrons dans une cible métallique. Si le fonctionnement de cet accélérateur linéaire est identique à celui d’un accélérateur de radiothérapie, ce n’est pas le cas de l’utilisation qui en est faite.
C’est pourquoi, après une présentation générale de ces caractéristiques techniques, nous décrirons la méthodologie expérimentale qui lui est associée.

Deux milieux d’intérêt : l’eau et le graphite

Cette étude comporte des mesures dans un fantôme d’eau et dans un fantôme graphite. Le fantôme d’eau (figure II.10) est constitué d’une cuve à eau en PMMA de 30 x 30 x 30 cm3 remplie d’eau distillée. Le faisceau d’irradiation étant orienté horizontalement, il traverse la paroi de la cuve  ; l’épaisseur de cette paroi est donc réduite de 15 mm à 4 mm dans une fenêtre de 12 x 12 cm² du côté exposé au faisceau. Pour les faisceaux de photons, cette fenêtre d’entrée en PMMA a une influence faible et n’introduit pas de difficultés pour les mesures.
Le fantôme graphite (figure II.11) est composé de plusieurs pièces de graphite de masse volumique moyenne égale à 1,82 g/cm3 . C’est un parallélépipède rectangle dont les dimensions sont de 30 cm par 30 cm dans le plan normal au faisceau, et de 20 cm selon l’axe du faisceau. La partie centrale est évidée sur un diamètre de 18 cm afin de recevoir les tranches en graphite qui permettent de positionner l’instrument de mesure (tranche usinée sur mesure pour chaque type de dosimètre) et de modifier la profondeur de mesure (tranches pleines).

Table des matières

REMERCIEMENTS 
RESUME 
ABSTRACT
TABLE DES MATIERES
SIGLES ET ACRONYMES 
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I – OBJET DE L’ETUDE : ADEQUATION DES REFERENCES DOSIMETRIQUES A L’EVOLUTION DES TRAITEMENTS PAR RADIOTHERAPIE EXTERNE
I.1. CONTEXTE
I.2. DE LA REFERENCE DOSIMETRIQUE A LA DOSE AU PATIENT
I.3. ÉVOLUTION DES TECHNIQUES DE RADIOTHERAPIE EXTERNE
I.4. ÉTABLISSEMENT D’UNE REFERENCE EN TERMES DE DOSE ABSORBEE DANS L’EAU : ETAT DE L’ART
I.4.1] Conditions d’établissement des références dosimétriques
I.4.2] Méthodologie
I.5. VERS L’ETABLISSEMENT DE REFERENCES DOSIMETRIQUES ADAPTEES AUX NOUVELLES MODALITES DE TRAITEMENT
CHAPITRE II – ÉTABLISSEMENT DES REFERENCES DOSIMETRIQUES : MATERIELS ET METHODES
II.1. METHODOLOGIE POUR L’ETABLISSEMENT DES REFERENCES
II.2. FORMALISME
II.2.1] Informations préliminaires
II.2.2] Champs 10 x 10 cm² et 4 x 4 cm²
II.2.2.1] Calorimétrie graphite
II.2.2.2] Transfert graphite-eau à l’aide d’un dosimètre de transfert
II.2.2.3] Transfert graphite-eau direct
II.2.3] Adaptation au champ 2 x 2 cm²
II.2.4] Discussion
II.2.4.1] Avantage et inconvénient de la méthode directe
II.2.4.2] Comparaison des méthodes « directe » et « avec dosimètre de transfert »
II.3. L’ACCELERATEUR LINEAIRE SATURNE
II.3.1] Présentation générale
II.3.2] Faisceaux étudiés et méthodologie des mesures
II.3.2.1] Énergie et collimation des faisceaux étudiés
II.3.2.2] Deux milieux d’intérêt : l’eau et le graphite
II.3.2.3] Positionnement initial de l’instrument de mesure et du fantôme
II.3.2.4] Déplacements manuels et automatisés
II.3.2.5] Monitorage du faisceau
II.3.2.6] Programmation des mesures
II.4. SIMULATIONS MONTE CARLO DES FAISCEAUX ETUDIES
II.4.1] Présentation du code PENELOPE
II.4.2] Méthodologie
CHAPITRE III – LES DOSIMETRES : DESCRIPTION ET FONCTIONNEMENT 
III.1. INTRODUCTION
III.2. LA CALORIMETRIE GRAPHITE
III.2.1] Caractéristiques techniques des calorimètres GR9 et GR10
III.2.1.1] Description
III.2.1.2] Échanges et régulation thermiques
III.2.2] Principe de la mesure par calorimétrie graphite
III.2.3] Modélisation Monte Carlo
III.2.4] Facteurs de correction de perturbation pour les impuretés
III.3. LES DOSIMETRES DE TRANSFERT GRAPHITE-EAU
III.3.1] Champs 10 x 10 et 4 x 4 cm² : la dosimétrie de Fricke
III.3.1.1] Présentation
III.3.1.2] Dosimètres et irradiations
III.3.1.3] Mesure spectrophotométrique
III.3.1.4] Calculs dosimétriques et application au transfert graphite-eau
III.3.2] Champs 2 x 2 cm² : la dosimétrie alanine/RPE
III.3.2.1] Présentation
III.3.2.2] Dosimètres et irradiations
III.3.2.3] Lectures spectrométriques et calculs dosimétriques par la méthode des pentes
III.4. LES CHAMBRES D’IONISATION
III.4.1] Principe de fonctionnement
III.4.2] Détermination du courant d’ionisation produit sous irradiation dans les conditions de référence
III.4.2.1] Effets des conditions atmosphériques : correction de température, pression et hygrométrie, k TpH
III.4.2.2] Effet de la polarité de la tension appliquée : correction de polarité, kpol
III.4.2.3] Effet de la tension appliquée : correction de recombinaison, ks
III.4.2.4] Courants de fuite
III.4.2.5] Facteur de correction pour la non-uniformité de la distribution de dose, kprof
III.4.2.6] Implication au niveau du formalisme pour l’établissement des références
III.5. CONCLUSION DU CHAPITRE III
CHAPITRE IV – RECHERCHE D’UNE CHAMBRE D’IONISATION DE REFERENCE ADAPTEE AU CHAMP 2 X 2 CM² 
IV.1. PROBLEMATIQUE
IV.2. LES CHAMBRES D’IONISATION ETUDIEES
IV.3. LE DISPOSITIF EXPERIMENTAL
IV.4. STABILITE DES CHAMBRES PLACEES DANS L’AIR
IV.5. ÉTUDE DES CHAMBRES PLACEES DANS LES BILLES DE VERRE : PROTOCOLE ET CRITERES DE SELECTION
IV.6. COURANTS DE FUITE
IV.7. STABILITE A TENSION CONSTANTE SOUS IRRADIATION CONTINUE
IV.8. COURBES DE SATURATION
IV.8.1] Les détecteurs se comportent-ils comme des chambres d’ionisation ?
IV.8.2] Correction de polarité
IV.9. SYNTHESE ET CHOIX DE LA CHAMBRE
IV.10. ÉTUDE DE L’EFFICACITE DE COLLECTE DE LA CHAMBRE DE REFERENCE
IV.11. CONCLUSION DU CHAPITRE IV
CHAPITRE V – RESULTATS EXPERIMENTAUX ET RESULTATS DES SIMULATIONS MONTE CARLO
V.1. DEVELOPPEMENT DU FORMALISME
V.1.1] Calcul des coefficients d’étalonnage par la méthode avec dosimètre de transfert
V.1.2] Calcul des coefficients d’étalonnage par la méthode directe
V.1.3] Comparaison de la méthode directe à la méthode avec dosimètre de transfert
V.2. INFORMATIONS PRELIMINAIRES CONCERNANT LES MESURES
V.2.1] Répartition temporelle des mesures
V.2.2] Chambres d’ionisation de référence utilisées
V.2.3] Évaluation des incertitudes
V.3. INDICE DE QUALITE DES FAISCEAUX
V.4. CALCULS DES FACTEURS DE CORRECTION ASSOCIES AUX CHAMBRES D’IONISATION
V.4.1] Introduction
V.4.2] Facteurs de correction de saturation et de polarité
V.4.3] Facteur de correction de profil
V.5. CALORIMETRIE GRAPHITE
V.6. ALTERNANCE DE MESURES IONOMETRIQUES DANS L’EAU ET LE GRAPHITE AU COURS D’UNE MEME JOURNEE
V.7. TRANSFERT DE LA DOSE ABSORBEE DANS LE GRAPHITE A LA DOSE ABSORBEE DANS
L’EAU AU MOYEN DE DOSIMETRES DE TRANSFERT
V.7.1] Dosimétrie de Fricke en champs 10 x 10 cm² et 4 x 4 cm²
V.7.2] Dosimétrie alanine/RPE en champ 2 x 2 cm²
V.8. RESULTATS DES SIMULATIONS MONTE CARLO
V.8.1] Première partie : ajustement des paramètres des électrons primaires
V.8.2] Seconde partie : calculs de dose dans les dosimètres
V.9. CALCUL DE k vol à ponct
CHAPITRE VI – REFERENCES DOSIMETRIQUES EN CHAMPS 10 X 10, 4 X 4 ET 2 X 2 CM² : COMPARAISON ET DISCUSSION
VI.1. DETERMINATION DES COEFFICIENTS D’ETALONNAGE EN CHAMPS 10 X 10, 4 X 4 ET 2 X 2 CM²
VI.2. COMPARAISON DES METHODES DE TRANSFERT GRAPHITE-EAU
VI.3. CHOIX D’UN INDICE DE QUALITE
VI.3.1] Introduction
VI.3.2] Étude de la variation des k Q ’ en fonction des TPR 20,10
VI.3.3] Étude de la variation des k Q ’ en fonction des S  w,air
VI.4. COMPARAISON DES COEFFICIENTS D’ETALONNAGE DE LA CHAMBRE EXRADIN A1SL N°100988
VI.5. CONCLUSION DU CHAPITRE VI
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXE A – PLAN DU COLLIMATEUR ADDITIONNEL
ANNEXE B – LEXIQUE CODE PENELOPE
ANNEXE C- ANALYSE DES RESULTATS A PARTIR DU TRANSFERT EXPERIMENTAL

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