RADIOTHERAPIE, RADIOPHYSIQUE ET RADIOTHERAPIE, RADIOPHYSIQUE ET RADIOBIOLOGIERADIOBIOLOGIE

Objectifs:

- Connaissance des effets des radiations ionisantes sur les principaux tissus

- Connaissance des matériels et des techniques employés en radiothérapie

- Connaissance de la dosimétrie des rayonnements

Destruction des tissus cancéreux en respectant les tissus sains

Nécessite Preuve histologique et bilan précis

TT loco régional

Situation Curatrice ou palliative

Modes d’action des rayonnements ionisantsModes d’action des rayonnements ionisants

1.1.1 Les rayonnements ionisants

Qu’est ce qu’un rayonnement ?

On entend par ce dernier la propagation d’énergie à travers l’espace

Qu’est ce qu’un rayonnement ionisant ?

Il s’agit d’un rayonnement capable de produire des ionisations et des excitations durant leur absorption par les tissus biologiques

C’est pourquoi ils sont si intéressant en radiothérapie

On distingue:

- Les rayonnements électromagnétiques de haute énergie (photons X et photons )

- Les rayonnements particulaires (chargés ou non)

Les rayonnements électromagnétiquesLes rayonnements électromagnétiques

Assimilables à des grains d’énergie de charge nulle et de masse nulle, se propageant dans le vide à la vitesse de la lumière.

Les photons X et ont la capacité de traverser aisément les tissus humains et de déposer leur énergie en profondeur. Ils ne diffèrent pas par leur nature mais par leur origine et leur mode de production.

Les rayonnements particulairesLes rayonnements particulaires

Peu utilisés en radiothérapie.

Seuls les électrons sont d’usage fréquents.

Les protons et les neutrons sont rarement employés (protonthérapie, neutronthérapie).

Autres particules au stade de l’étude: Particules , mésons , ions lourds.

Les particules chargées (électrons, protons, particules , mésons , ions lourds) sont rapidement arrêtées dans les tissus humains de façon proportionnelle à leur charge électrique.

Les particules non chargées (neutrons) ont une pénétration importante en profondeur, comme les photons.

Interactions rayonnement-matièreInteractions rayonnement-matière

Interaction photons-matières

Les photons X et sont des rayonnements indirectement ionisants.

Ils ne produisent pas par eux-mêmes de dommages chimiques ou biologiques.

Dénués de charges, ils sont insensibles aux champs électriques intenses régnant au sein des atomes et peuvent pénétrer profondément les couches atomiques successives de la matière avant de rencontrer de façon aléatoire leur premier obstacle, noyau ou électrons.

Interaction électrons-matièreInteraction électrons-matière

Ces interactions concernent aussi bien l’irradiation des tissus vivants par un flux d’électrons primaires que par des électrons secondaires mis en mouvement par un flux de photons.

Les électrons incidents hautement énergétiques sont des particules directement ionisantes:

l’interaction répulsive électron incident-électron orbital va aboutir soit à une excitation soit à une ionisation des atomes rencontrés.

Modes d’action des Radiations ionisantesModes d’action des Radiations ionisantes

Effets biologiques = chaîne de réactions Effets biologiques = chaîne de réactions

Quatre étapes :Quatre étapes :

PhysiquePhysique

Physico chimiquePhysico chimique

CellulaireCellulaire

TissulaireTissulaire

RadiobiologieRadiobiologie

Etape physiqueEtape physique

Ionisation et excitation des atomes du milieuIonisation et excitation des atomes du milieu

Durée très brève (10Durée très brève (10-16-16 s) s)

RadiobiologieRadiobiologie

Etape physico chimiqueEtape physico chimiqueCible principal : ADN chromosomesCible principal : ADN chromosomes

2 types d’actions :2 types d’actions :Direct ADNDirect ADNIndirect produits radiolyse eauIndirect produits radiolyse eau

Molécule ionisée: excédent énergie, instableMolécule ionisée: excédent énergie, instable

2 façons d’expulser cette énergie :2 façons d’expulser cette énergie :Photons de fluorescencePhotons de fluorescenceRupture d’une liaison covalente et scissionRupture d’une liaison covalente et scission

Rupture sur ADN ou sur l’eau : création de radicaux libres Rupture sur ADN ou sur l’eau : création de radicaux libres très réactifs OHtrès réactifs OH°°, H, H°°, électron -> H2O2 peroxydes ROOH , électron -> H2O2 peroxydes ROOH tétroxydes RO4H tétroxydes RO4H

Action secondaire sur ADN et sur membranesAction secondaire sur ADN et sur membranes

RadiobiologieRadiobiologie

Etape physico chimiqueEtape physico chimique

Action ADN : rupture mono ou Action ADN : rupture mono ou bicaténairesbicaténaires

Altération bases, destruction sucresAltération bases, destruction sucres

Enzymes de réparation : Enzymes de réparation :

ADN polymérase, exonucléase, ligase, ADN polymérase, exonucléase, ligase, topoisomérasestopoisomérases

Variation d’efficacité = différences de Variation d’efficacité = différences de radiosensibilitéradiosensibilité

RadiobiologieRadiobiologie

Etape cellulaireEtape cellulaire

3 types de lésions:3 types de lésions:

Létales : irréparables, mort après quelques Létales : irréparables, mort après quelques mitoses (mort différée)mitoses (mort différée)

Sub-létales : réparables, mortelle en cas Sub-létales : réparables, mortelle en cas d’accumulation d’accumulation

Potentiellement létales, mort cellulaire si mitose Potentiellement létales, mort cellulaire si mitose survenant rapidement survenant rapidement

Etape cellulaireEtape cellulaireREPARATIONS ADNREPARATIONS ADN

Impossibles : mort apoptoseImpossibles : mort apoptose

Complètes : cellules vivantes X normalesComplètes : cellules vivantes X normales

Incomplètes : mutations génétiques non mortelles Incomplètes : mutations génétiques non mortelles

RadiobiologieRadiobiologieEtape tissulaireEtape tissulaire

Tissus renouvellement courtTissus renouvellement courtRéactions précoces au cours et décours RxRéactions précoces au cours et décours RxRécupération complèteRécupération complèteORL Intestin Peau moelle hématopoïétiqueORL Intestin Peau moelle hématopoïétique

Tissus renouvellement longTissus renouvellement longRéactions tardives plusieurs mois ou ansRéactions tardives plusieurs mois ou ansLésions tardives irréversiblesLésions tardives irréversiblesFibrose et nécroseFibrose et nécroseEndartérite oblitéranteEndartérite oblitérantePerte potentiel mitose cellules souchesPerte potentiel mitose cellules souchesFavorisée par agression biopsie infection chimioFavorisée par agression biopsie infection chimio

Fractionnement étalementFractionnement étalement

Effet du fractionnement de l’irradiation est plus Effet du fractionnement de l’irradiation est plus marqué pour les tissus à réactions précoces que marqué pour les tissus à réactions précoces que pour les tissus à réaction tardivepour les tissus à réaction tardive

Rx classique 4 à 5 fractions par semaine de 2 GyRx classique 4 à 5 fractions par semaine de 2 Gy

Diminution du fractionnement (Flash) Diminution du fractionnement (Flash)

Accroît la toxicité tardiveAccroît la toxicité tardive

Utilisation de faible dose par séance Utilisation de faible dose par séance

Réduit les effest tardifs sans protéger les tissus à Réduit les effest tardifs sans protéger les tissus à réactions aiguës (cancer)réactions aiguës (cancer)

Probabilité de stérilisationProbabilité de stérilisation

But : stérilisation tumeur : destruction cellules clonogènes (0,1 à But : stérilisation tumeur : destruction cellules clonogènes (0,1 à 1 % des cellules Tumorales) sans altération des tissus sains 1 % des cellules Tumorales) sans altération des tissus sains voisinsvoisins

Probabilité de stérilisation dépend de :Probabilité de stérilisation dépend de :

1/ Facteur temps1/ Facteur temps : :Dose totale délivréeDose totale délivrée : dose seuil puis effet dose : dose seuil puis effet dose

FractionnementFractionnement : plusieurs séances : : plusieurs séances : réparation des lésions sub létalesréparation des lésions sub létalesRé oxygénation Ré oxygénation

Étalement Étalement : cellules survivantes se multiplient pdt l’irradiation : cellules survivantes se multiplient pdt l’irradiation favorisant les tissus de cinétique rapidefavorisant les tissus de cinétique rapide

Dose iso-effet augmente avec le nombre de séances et la durée Dose iso-effet augmente avec le nombre de séances et la durée total de l’irradiation total de l’irradiation

Probabilité de stérilisation dépend de :Probabilité de stérilisation dépend de :Type histologique Type histologique capacité de réparationcapacité de réparation

Volume tumoralVolume tumoral volume dosevolume dose

Degré d’oxygénation tumoraleDegré d’oxygénation tumorale hypoxie=RxRhypoxie=RxR

Cinétique de prolifération cellules tumoralesCinétique de prolifération cellules tumoralesProlifération T entre 2 séancesProlifération T entre 2 séances

Qualité rayonsQualité rayons

Cycle cellulaireCycle cellulaire RXsensibilité maximale phase G2 et MRXsensibilité maximale phase G2 et M

Débit de doseDébit de dose : : protection tissus sains à réactions tardives protection tissus sains à réactions tardives fort taux de réparationfort taux de réparation

TempératureTempérature : : chaleur inhibe réparaseschaleur inhibe réparases

Machine de radiothérapieMachine de radiothérapie

Principe, description et fonctionnement des appareils de télécobalthérapie.

Source de cobalt 60 cobalt 59 naturel dans un flux de neutrons.

Noyau du cobalt 60 instable, se désintègre naturellement en atome de nickel stable en émettant successivement un électron, un photon gamma d’énergie 1,17 MeV et un second d’1,33 MeV. Energie moyenne du cobalt 60 est d’ 1,25 MeV (moyenne arithmétique)

1 1,17 MeV

2 1,33 MeV

0,31 MeV

Ni60

Co60

La période radioactive du cobalt 60 = 5,27 ans.

Activité d’une source de cobalt 60 décroît de 1% par mois

=> suivant le débit initial, la source ne sera changée que tous les 5 à 8 ans.

La source = grains ou disques radioactifs (1mm d’épaisseur, 2 cm de diamètre et de hauteur)

Source dans une enceinte de protection (uranium appauvri, Pb ou tungstène)

dispositif d’obturation qui peut prendre 2 positions:

- Une position de sécurité : un système optique permet de visualiser le faisceau sur la peau du patient.

- Une position de traitement : une ouverture pyramidale est ménagée pour la sortie du faisceau.

Un système de collimation 2 paires d’épaisses mâchoires de plomb bougeant de façon symétrique champs de dimensions allant de 4cm x 4cm à 33cm x 33cm.

Principe, description et fonctionnement des accélérateurs de particules

Principe de l’accélérateur linéaire (AL) = champ électrique alternatif de haute fréquence.

développement des générateurs de micro-ondes (ondes radars)

Ces micro-ondes sont capables d’influencer le mouvement des particules chargées.

Les AL opèrent en utilisant des micro-ondes de l’ordre du GHz et de 10 cm de longueur d’onde produites par des tubes électroniques appelés magnétrons ou klystrons.

Mouvement des appareilsMouvement des appareils

Ils sont constitués d’un statif vertical supportant la tête de l’appareil = source des rayons (photons ou électrons).

Le statif est rotatif, la source peut ainsi décrire un cercle complet de 360° autour de son axe de rotation. L’intersection de l’axe du faisceau et de l’axe du statif représente un point fixe de l’espace appelé isocentre.

ABREGES Oncologie radiothérapique, édition Masson

Schéma de fonctionnement d’un accélérateur linéaireSchéma de fonctionnement d’un accélérateur linéaire

A l’extrémité proximale d’un AL se trouve le canon à électron et une première section ou injecteur, les électrons passent ensuite dans la section accélératrice. A la sortie du tube d’accélération le faisceau d’électron émerge sous forme d’un très fin pinceau de 2 à 3 mm de diamètre, il va être dévié par de puissantes lentilles magnétiques vers la tête de l’accélérateur. En mode photon le pinceau d’électrons est projeté sur une cible en tungstène pour obtenir des RX de hautes énergies.

Avantages et inconvénients des différents types d’appareilsAvantages et inconvénients des différents types d’appareils

TélécobaltTélécobalt AccélérateurAccélérateur

AvantagesAvantages FiableFiable

Très simpleTrès simple

Maintenance réduiteMaintenance réduite

Coût modéréCoût modéré

2 types de rayonnement2 types de rayonnement

Multi-énergieMulti-énergie

Durée constante de la Durée constante de la séanceséance

Pas de déchet radio-Pas de déchet radio-actif actif

Pénombre étroitePénombre étroite

InconvénientsInconvénients Mono-rayonnementMono-rayonnement

Mono-énergieMono-énergie

Débit décroissantDébit décroissant

Pénombre largePénombre large

Coût du remplacement Coût du remplacement de la sourcede la source

Déchet radioactifDéchet radioactif

Maintenance lourde et Maintenance lourde et coûteusecoûteuse

Prix d’achatPrix d’achat

Taux de panneTaux de panne

SIMULATEURSIMULATEUR

Principe, description et fonctionnement des Principe, description et fonctionnement des simulateurssimulateurs

La simulation ou le centrage est l’étape préalable indispensable au démarrage « classique » de toute irradiation.

C’est une étape de traitement « à blanc » effectué avec un appareil de radiodiagnostic, le simulateur, qui possède toutes les caractéristiques géométriques des machines de traitement.

Le radiothérapeute détermine les limites des faisceaux d’irradiation par rapport aux structures anatomiques profondes (scopie et clichés radiographiques)

Les paramètres d’irradiation (dimension des champs, nombre de faisceaux, DSP, HT, angle du bras…) sont transmis vers la physique pour la dosimétrie.

contentionscontentions

Limite les mouvements durant la séanceLimite les mouvements durant la séance

Augmente la dose en respectant les tissus Augmente la dose en respectant les tissus sainssains

Reproductibilité de la positionReproductibilité de la position

Repose bras et repose jambesRepose bras et repose jambes

Masques thermoformés souplesMasques thermoformés souples

Matelas de contentionMatelas de contention

Quelques exemples de contentionsQuelques exemples de contentions

Le repose bras + plan incliné Gouttière

Exemple d’utilisation des lasersExemple d’utilisation des lasers

Le collimateur multilame (MLC)Le collimateur multilame (MLC)

Mâchoires subdivisées en nombreuses lames indépendantes. Le mouvement de chaque lame est gouverné par un petit moteur piloté par ordinateur, permettant ainsi la réalisation de caches de formes complexes.

Caractéristiques techniques du MLC:

- focalisation de la lame,

- nombres de lames (40, 60…),

- largeur de la lame (projection à l’isocentre),

- champ maximum,

- dépassement de l’axe (projection à l’isocentre) => réalisation de champs asymétriques,

- vitesse de déplacement des lames (modulation d’intensité),

- précision du positionnement des lames,

DosimétrieDosimétrie

Dose la plus homogène possible dans Dose la plus homogène possible dans le volume cible tout en limitant la dose le volume cible tout en limitant la dose reçue par les tissus sains voisinsreçue par les tissus sains voisins

Prescription : définition de volumes Prescription : définition de volumes affectés de niveaux de doseaffectés de niveaux de dose

3 volumes : cliniques, géométriques 3 volumes : cliniques, géométriques et techniqueset techniques

DOSEDOSE

But : curatif ou palliatifBut : curatif ou palliatif

Point de prescription : zone homogène et définie Point de prescription : zone homogène et définie /dose/dose

Situé dans le volume cibleSitué dans le volume cible

Fractionnement étalementFractionnement étalement

Représentation de la dose en 3 D :Représentation de la dose en 3 D :

Histogrammes Dose/Volume (DVH) répartition de Histogrammes Dose/Volume (DVH) répartition de dose dans chaque tissudose dans chaque tissu

PTV et organes à risquePTV et organes à risque

Radiothérapie conformationnelle

Imagerie scanner

Caches personnalisés et multilames =

Enveloppe isodose de valeur élevée à la forme exacte du volume cible (PTV)

Augmentation de la dose reçue au volume cible donc le contrôle local

Diminuer la dose aux tissus sains donc la toxicité

Utilise des faisceaux fixes distribution de dose dans un plan perpendiculaire à l’axe du faisceau homogène

Utilisateur s’adapte aux caractéristiques figées des faisceaux

Irradiation poumonIrradiation poumon

POUMON 3 DPOUMON 3 D

DVH POUMONDVH POUMON

RECTUM 3 DRECTUM 3 D

Rectum 3 DRectum 3 D

DVH RECTUMDVH RECTUM

DDR rectum ant et postDDR rectum ant et post

DDR Rectum LatérauxDDR Rectum Latéraux

Prostate 3 D DVHProstate 3 D DVH

POUMON 3 D DVHPOUMON 3 D DVH

Poumon 3 DPoumon 3 D