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O. CASELLES – 22 au 24 mai 2003 – ICR TOULOUSE
IMAGERIE A HAUTE ENERGIE
Du film radiologique à l'image numérique
Olivier CASELLES
Physicien MédicalInstitut Claudius REGAUD
TOULOUSE
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INTRODUCTION
Nouvelles contraintes de la radiothérapie
externe :
méthodologiques simulation virtuelle
histogrammes dose-volume
marges diminuées
doses augmentées
technologiques: champs de plus en plus complexes
(multilames, rotations de table, contention...)
nombre de champs de plus en plus élevé
modulation d ’intensité
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IMAGE DE CONTRÔLEDe nouveaux défis...
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IMAGE DE CONTRÔLE NUMERIQUEArt divinatoire?
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IMAGE DE CONTRÔLEHistorique
1942 : visualisation directe au travers d ’un verre
plombé du faisceau d ’irradiation horizontal(RX de 180 kV) grâce à un écran fluorescent visualisation et correction en temps réel de la
balistique (K de l ’œsophage + chaise tournante) premier exemple de radiothérapie conformationnelle
dynamique!
1951 : utilisation de films radiographiques pour le
contrôle de la balistique avant irradiation(K de l ’œsophage, Van de Graaf de 2 MeV) proposition d ’introduction d ’air dans la vessie ou le
rectum comme agents de contraste utilisation de la double exposition pour visualiser les
structures anatomiques en dehors du champ
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IMAGE DE CONTRÔLEHistorique
1950 - 60: utilisation essentiellement diagnostique des
faisceaux de haute énergie, notamment pour les radiographies pulmonaires diminution de la dose aux poumons et au médiastin le grill costal ne gêne plus la visualisation!
1960 : radiographie au cobalt 60 avec des films
standards associés à des écrans en plomb de 1/100ème de pouce environ 30 minutes de développement films utilisés pour le traitement, mais aussi pour
diagnostiquer l ’extension tumorale
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IMAGE DE CONTRÔLEHistorique
1962 : insertion d ’écrans fluorescents entre le film et
les plaques de plomb réduction du temps d ’exposition contraste amélioré?
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IMAGE DE CONTRÔLEHistorique
A partir de 1958: "TeleVision Roentgen system" ou TVR, composé
d ’un amplificateur de brillance couplé à une caméra vidéo tournant autour du patient lors de radiothérapies pendulaires à 200 kV visualisation sur un moniteur déporté seulement 5" de diamètre (12,5 cm),
soit 2,5" au niveau du patient!
"John Hopkins Screen Intensifier", composé d'un écran fluorescent vu par une camera vidéo orthicon au travers d'un système optique de Schmidt (mirroirs + lentilles en série) premières images à haute énergie utilisant un Van de
Graaf de 2 MeV contraste insuffisant des tissus : utilisation de mercure
ou d'air pour visualiser les structures anatomiques
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IMAGE DE CONTRÔLEHistorique
1966 : exposition d'un film lent et de grande latitude
d'exposition placé dans une pochette en carton durant l'intégralité de l'irradiation plus confortable que les cassettes modifiées enregistrement de toute la séance compatible avec un développement standard (90s) première étude de l'apport de l'imagerie de contrôle
dans la précision du positionnement du patient, et dans le contrôle local
Depuis 1996 : introduction progressive de l'imagerie de contrôle
en radiothérapie ayant conduit à l'apparition des dispositifs numérisés temps réel
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IMAGERIE HAUTE ENERGIELes contraintes physiques
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IMAGERIE HAUTE ENERGIELes contraintes physiques
“image” primaire “image” primaire + diffusée
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IMAGERIE HAUTE ENERGIELes contraintes physiques
Le bruit quantique peut masquer certains objets
à bas contraste...
… d’autant plus que l ’objet est de petite
dimension.
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IMAGERIE HAUTE ENERGIELes contraintes physiques
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Le film argentique : constitution
La clé du système : la gélatine Action physique et chimique
Maintien en suspension des cristaux d’halogénure Absorption des atomes de chrome perméabilité aux solutions aqueuses
Support (200 µm)
Substratum
Émulsion (20 µm)
Couche protectrice
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Le film argentique : Constitution
L’élément photosensible de l’émulsion : l’halogénure d’argent
95% de bromure et 5% d’iodure
109 à 1012 grains/cm² Réseau cubique avec
défauts Ions Ag+ libres Atomes de soufre
Les cristaux De 0,5 à 3 µm Volumiques Cubiques ou en T
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Le film argentique : traitement
Différentes étapes du traitement de l’émulsion :le développement,le lavage ou l'essorage intermédiaire,le fixage,le lavage final,le séchage.
Chaque étape a une influence sur le noircissement final
Le développement et le fixage sont les étapes les plus sensibles
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Le film argentique : notions de sensitométrie
log E
D.O.
Dmax
voileA
B
C
DE
F
Courbe sensitométrique
A : seuilB : pied de courbeC-D : zone de linéaritéE : épaulementF : saturation : contraste
Latituded’exposition
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Le film argentique : exposition directe aux photons
Courbe de noircissementJamais linéaire (même pour D < 1 Gy)Utilisation d’un modèle non-linéaire à saturationModèle de Weibull
Correspond bien au modèle « single hit – single target »
DO = DOsat (1- e-D1/
)
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Le film argentique : exposition directe aux photons
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Dose (Gy)
Den
sité
Op
tiq
ue
Courbe de réponse du film KODAK XOMAT-V pour un faisceau de photons de télécobalthérapie.
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Le film argentique : exposition directe aux électrons
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00
Dose en Gy
Den
sit
é o
pti
qu
e
Courbe de réponse du film KODAK XOMAT-V pour un faisceau d’électrons de 12 MeV (polynôme d’ordre 4).
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Le film argentique : exposition directe aux RI
Influence des paramètres de l’exposition Profondeur
Variation importante pour le 60Co Variation discutée à 4 et 6 MV Pas de variation mesurable au-delà de 6 MV
Débit de dose Aucune influence dans la gamme des débits de dose usuels Modulation d’intensité?
Énergie Pas de convergence de résultats Pas d’influence mentionnée au-delà de 9 MV Une relation complexe?
Autres Pochette (interface) Opacité du milieu équivalent-tissu (hyper-sensibilisation)
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Le film argentique : exposition directe aux RI
Influence du développement
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Le film argentique : utilisation d’écrans renforçateurs
Permettent d’augmenter la sensibilité Sont toujours associés à un atténuateur en
métal placé en amont de l’écran
Support (240 µm)
Couche réfléchissante (25 µm)
Luminophore (400 µm)
Couche de protection (20 µm)
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Le film argentique : utilisation d’écrans renforçateurs
Exemple : la cassette EC KODAKÉcran en Gd2O2S:Tb (544 nm)Atténuateur en cuivre (e=1mm)Utilisée avec un film EC-L
Sensibilité beaucoup plus élevée Latitude d’exposition plus restreinte
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Le film argentique : utilisation d’écrans renforçateurs
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Les plaques photostimulables (ERLM)
Une solution étudiée par quelques équipes Peu d’études publiées Des questions sur le vieillissement sous
faisceau
A suivre…
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IMAGERIE HAUTE ENERGIE
Le film radiologique : avantagesUtilisable sur toutes les machines d'irradiationInvestissement initial modéré + coûts de
fonctionnementArchivageDepuis quelques années, une amélioration
significative des performancesFilms de contrôles ou de vérification
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IMAGERIE HAUTE ENERGIE
Le film radiologique : inconvénientsImage en léger différéPas de possibilité de post-traitement pour
améliorer la qualitéPas d'enregistrement de séquences dynamiquesSans une étape de numérisation secondaire
Pas d'archivage numérique Pas de transmission par réseau informatique Pas de recalage avec une image de référence Calibrage spatial délicat
Nécessité de disposer d'un système de développement stable Arrêté 2950
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Principe de la conversion analogique/numérique
IMAGERIE NUMERIQUERappels
détection d'un "signal" analogique (continu) échantillonnage (discrétisation) vecteur ou matrice de données numériques mémorisation, stockage, transmission traitement ou/et analyse représentation
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IMAGERIE NUMERIQUE Rappels
Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :rapport Signal/Bruit (SNR)
SNR = (n-n ’)/(n+n ’)½
n : bruit de fond (µ, L) n ’ : structure anatomique (µx, Lx)
SNR = [A e-µL (1 + e- + 2F/(1-F)]½ * S/2 (Motz et Danos) A : aire de la structure anatomique : fluence de photons incidents : efficacité quantique du détecteur F : fraction de diffusé S : contraste objet = Lx (µx - µ)
modèle simplifié et optimiste!
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IMAGERIE NUMERIQUE Rappels
Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :rapport Signal/Bruit (SNR)
limitations de l ’imagerie à haute énergie exemple : 1 cm d ’os cortical
20 cm d ’eau
S varie de 0,4 à 0,5 pour un champ de 25 cm de diamètre
Contraste objet: 18,5% à 50 keV1,8% à 1,25 MeV1,4% à 2 MeV1% à 6 MeV
heureusement, un grand nombre de photons parviennent sur le détecteur
photons de haute énergie doses importantes pas de grille
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IMAGERIE NUMERIQUE Rappels
Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :résolution spatiale
caractérisée par la Fonction de Transfert de Modulation (MTF)
calculée à partir de la Fonction de Dispersion Linéique (LSF) par transformée de Fourier, en l ’absence de rayonnement diffusé
Bruit caractérisé par le spectre de puissance de bruit (NPS) la plus grande partie du bruit vient du détecteur lui-
même!
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IMAGERIE NUMERIQUE Rappels
Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :efficacité quantique de détection (DQE(f))
DQE(f) = [SNRout(f) / SNRin(f)]²
DQE(f) = [K² MTF²(f)] / [ NPS(f)] K : constante prenant en compte le gain du détecteur
DQE décroît quand : la résolution diminue,le bruit augmente,le rendement diminue.
Une image de qualité doit pouvoir être obtenue avec une dose relativement faible ( 1 cGy)
Efficacité de détection des rayons X pour des détecteurs à plaque de métal < 2%
conditionne l’efficacité quantique de détection de tous les systèmes (sauf 1)!
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IMAGERIE NUMERIQUE Rappels
Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :résolution de contraste
obtenue à partir des images produites grâce à un fantôme
exemple: plaque d ’aluminium de 1,3 cm d ’épaisseur percée de trous dont la profondeur varie entre 0,29 et 4,57 mm et le diamètre entre 1,19 et 12,8 mm
dérive des corrections appliquées: uniformité artefacts
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IMAGERIE DE CONTRÔLE NUMERIQUELes différents systèmes
Deux types de détecteurs:
les systèmes à balayage barrettes de diodes barreau scintillant
les systèmes à grand champ écrans photostimulables ouvertures codées matrices de chambres d ’ionisation système à base de caméra vidéo détecteurs au silicium amorphe
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DETECTEURSChambres d ’ionisation
Principe
2 plaques d ’électrodes (300 V) orientées à 90° séparées par un liquide diélectrique organique (2,2,4 trimethylpentane)
l ’irradiation du liquide crée des ionisations générant un courant collecté sur les électrodes
256x256 chambres d'ionisation 32,5x32,5 cm² - espacement de 1,27 mm électronique placée derrière les chambres dimensions extérieures : 60 x 60 x 5 cm3
(rétractable) ensemble contrôlé par un ordinateur
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DETECTEURSChambres d ’ionisation
Principe balayage des électrodes par application d ’une
haute tension, 1 par 1 (5,5 s) en mode haute résolution ou 2 par 2 en basse résolution (1,5 s)
la création de paires d ’ions est un processus rapide et la recombinaison un processus lent apparition d ’un équilibre après environ 0,5 s d ’irradiation création d ’une image « latente » sur toute la surface une irradiation de plus de 0,5 s n ’augmente pas le signal le signal est augmenté d ’un facteur 6 à 7 grâce à cette
intégration mais la durée de cette intégration est faible par rapport à
la durée de lecture une grande partie du signal produit n ’est pas mesurée il faut une quantité importante de rayonnement pour
produire une image
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DETECTEURSChambres d ’ionisation
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DETECTEURSChambres d ’ionisation
Avantages et inconvénients
peu encombrant et léger pas de distorsions géométriques pas de partie mobile
pureté absolue du liquide de remplissage nombreuses corrections nécessaires sensibilité aux RI de l'électronique temps d'irradiation importants sensibilité aux variations de débit de photons temps de stabilisation (environ 1 s) avant
acquisition
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DETECTEURSChambres d ’ionisation
Image d ’un fantôme de Rando à 8 MV avant (a) et après (b) correction des variations d ’offset et de sensibilité de
l ’électromètre, ainsi que de l ’épaisseur du fluide.
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DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra
Principe
plaque métallique associée à un écran fluorescent (oxysulfide de gadolinium)
miroir à 45° + caméra SIT ou CCD (balayage lent) numérisation du signal vidéo
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DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra
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DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra
Problème de l ’efficacité de collecte : importante diffusion de
la lumière dans l’écran émission de lumière
isotropique angle de solide de
détection très faible 0,1 à 0,01% des
photons sont détectés
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DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra
Un compromis! écran phosphorescent épais (400 mg/cm²)
bon rendement de conversion perte de résolution apparition de taches
optiques à large ouverture meilleure collecte des photons lumineux aberrations sphériques dégradation de la résolution sur les bords vignetage
nombreuses corrections en temps réel non uniformité de réponse distorsions
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DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra
Avantages et inconvénients
couverture de l ’ensemble du champ pas d'électronique dans le champ d ’irradiation acquisition rapide de l'image bonne résolution spatiale mais distorsions légères
système volumineux caméra de très haute qualité de durée de vie
limitée sensibilité de la caméra à l'irradiation directe
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DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra
Image d ’une région pelvienne à 6 MV avant (a) et après (b) fenêtrage pour améliorer le contraste. Les corrections de
distorsion et de sensibilité ont été appliquées durant l'acquisition. La raquette est visible sur l'image.
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DETECTEURS
Écran fluorescent + fibres optiques+ caméra CCD 256 x 256 FO, 40x40 cm²
Matrice linéaire de diodes 256 diodes espacées de 2 mm + balayage
mécanique
Double rangée de cristaux scintillantes 2x64 cristaux décalés
Chambre à fils en théorie, le meilleur système…et le plus cher!
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Principe faible épaisseur (2mm) dépôt d'une couche semi-conductrice sur un
substrat de verre de 1 mm surfaces de 30 x 30 cm² (bientôt 60 x 60 cm²) association à un couple plaque métallique-écran
fluorescent chaque pixel correspond à un couple photodiode-
transistor à effet de champ accumulation de charge dans la photodiode lecture par application d'une tension ligne par ligne pour
rendre conducteur le transistor à effet de champ (rôle d'interrupteur)
chaque photodiode dans une ligne de lecture est associée à une ligne de données
DETECTEURSA base de silicium amorphe
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DETECTEURSA base de silicium amorphe
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Avantages : rapidité de lecture (50 images / seconde) faible épaisseur + grande surface de détection 30 % de lumière convertie en signal radio-résistance élevée actuellement, pixels de 0,45 x 0,45 mm²
Inconvénients : artefacts dus à l'électronique variations de réponses dues à des courants de fuite
et des variations de sensibilité entre les éléments le bruit augmente avec la dimension du détecteur probablement le futur, mais toujours WIP...
DETECTEURSA base de silicium amorphe
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DETECTEURSA base de silicium amorphe
Image d ’un fantôme de Rando à 6 MV réalisée
avec 7,5 UM. Les données brutes sont
visibles en (A), corrigées des défauts d'uniformité
en (B), l'image finale après application d'un filtre médian se trouve en (C) . L'image en (D) montre la même région visualisée grâce à un film dédié à l'imagerie
haute énergie.
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DETECTEURSA base de silicium amorphe
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SYSTEMES COMMERCIALISES
ELEKTA
GEMS (VARIAN)
SIEMENS
VARIAN
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SYSTEMES COMMERCIALISES
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DETECTEURS
Conclusion : pour tous les systèmes commercialisés, le champ de
vue est limité le paramètre important n'est pas forcément la qualité
de l'image, mais plutôt le temps nécessaire pour réaliser une image possibilité de correction en temps réel acquisition dynamique d'images durant l'irradiation réduction de la dose, surtout dans le cas de double
exposition
la technologie utilisée tend à s'uniformiser, seuls les concepts diffèrent
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Schéma simplifié du traitement de l'image
Traitement zone claire
Traitement zone sombre
Image Initiale Image Traitée
TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIE
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TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIE
AVANT TRAITEMENT APRES TRAITEMENT
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IMAGE DE CONTRÔLESa place
Le but d'un cliché de contrôle n'est pas de réaliser une jolie image, mais de vérifier la balistique du traitement
Il est donc important de disposer d'informations permettant de se repérer spatialement marqueurs externes ou repères internes recalage et fusion avec des images
morphométriques (anatomiques) nécessité de l'établissement d'une image de
référence cliché de simulation DRR image de contrôle
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RECALAGE ET FUSION
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Image de contrôle Image de simulation Image de superposition
RECALAGE ET FUSION
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RECALAGE ET FUSION
DRR Portal Fusion
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RECALAGE ET FUSION
Technique de recalage de Chamfer. Les lignes de repères anatomiques sont créées à partir des images de simulation
(a), l'image de contrôle (b) est traitée pour
donner l'image d'extraction. Sa
transformation donne l'image de fonction de
coût (d), qui est utilisée pour déterminer le meilleur recalage.
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RECALAGE ET FUSION
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RECALAGE ET FUSION
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RECALAGE ET FUSION
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Simulation
Image de contrôle
TDM
Première mise en traitement
Poursuite du traitement
Dosimétrie
Détermination du volume à irradier
Définition du plan de traitement
Choix de la machine
incorrect
correct
perthérapeutique
Décision de traitement radiothérapique
Cliché de simulation
DRRBEV
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Image de contrôle
TDM
Première mise en traitement
Poursuite du traitement
Simulation virtuelle et dosimétrie
Détermination du volume à irradier
Définition du plan de traitement
Choix de la machine
incorrect
correct
perthérapeutique
Décision de traitement radiothérapique
Cliché de simulation
DRRBEV
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Image de contrôle
TDM
Première mise en traitement
Poursuite du traitement
Simulation virtuelle
Détermination du volume à irradier
Définition du plan de traitement
Choix de lamachine
incorrect
correct
perthérapeutique
Décision de traitement radiothérapique
DRRBEV
Dosimétrie
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Image de contrôle
TDM, IRM, TEP, MN, Écho
Première mise en traitement
Poursuite du traitement
Simulation virtuelle
Fusion et détermination du volume à irradier
Définition du plan de traitement
Choix de lamachine
incorrect
correct
perthérapeutique
Décision de traitement radiothérapique
DRRBEV
Dosimétrie
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Pour faire débat…
Des questions que tout le monde se pose…Combien de clichés?A quels moments?Images statiques ou dynamiques?Qui contrôle?Que faire en cas de décalage?Quelle est la tolérance?
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Et pour l'alimenter…
Une bibliographie abondanteDes points de vue divers, mais des mots clés…
"A new approach to off-line setup corrections : combining safety with minimum workload",
J.C.J. Boer and B.J.M. Heijmen,Medical Physics, 29, n°9, 1998-2012, septembre 2002.
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IMAGERIE DE CONTRÔLE NUMERIQUE
Avantages : amélioration des clichés de contrôle automatisation du traitement de l'image numérisation des clichés de référence aide à la comparaison des images intégration dans le dossier informatisé liaison à un système de vérification des
paramètres?
Inconvénients : prix unitaire et global (1 système / machine) dégradation progressive des performances dose (surtout si double exposition) interprétation?
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IMAGERIE NUMERIQUERappels
Un paramètre important : la visualisation!
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IMAGERIE DE CONTRÔLEL’avenir?
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IMAGERIE DE CONTRÔLEL’avenir?
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IMAGERIE DE CONTRÔLEL’avenir?
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IMAGERIE DE CONTRÔLEL’avenir?
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IMAGERIE DE CONTRÔLEL’avenir?
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Sous contrôle?…
J ’espère qu ’ils savent ce qu'ils font...
Je dirais même plus : j ’espère qu’ils font ce qu'ils savent...
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Gardez l'œil!