Étude du potentiel clinique d’une sondeéchographique transadominale 3D pour son

utilisation au moment des traitements decuriethérapie du cancer du col utérin

Mémoire

Patricia St-Amant

Maîtrise en physique médicaleMaître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

© Patricia St-Amant, 2017

Étude du potentiel clinique d’une sondeéchographique transadominale 3D pour son

utilisation au moment des traitements decuriethérapie du cancer du col utérin

Mémoire

Patricia St-Amant

Sous la direction de:

Luc Beaulieu, directeur de recherche

Résumé

Dans le présent mémoire, le potentiel d’un prototype de la sonde Clariry AutoScan modifiéepour la curiethérapie gynécologique est évalué. Au terme du projet, le but est de déterminersi la sonde peut être intégrée au processus clinique et si la planification de traitement faitesur image par tomodensitométrie (TDM) peut être améliorée par l’ajout d’une échographietransabdominale tridimensionnelle (3DTAUS).

Pour ce faire, un total de 19 patientes ont été analysées au cours des différentes étapes duprojet. La première partie, l’analyse des contours, comprenant une analyse de faisabilité aété réalisée. Dans cette section, différents éléments devaient être jugés visibles ou non sur lestrois modalités d’imagerie (imagerie par résonnance magnétique (IRM), TDM et 3DTAUS)sur les images de 6 patientes. Par la suite, le volume cible clinique à hauts risque (High RiskClinical Target Volume, HR-CTV) de 8 patientes a été délimité et une analyse comparativede volume et de dimensions a été réalisée. La dernière étape a été d’évaluer les plans detraitements optimisés sur IRM, TDM et TDM-3DTAUS réalisés pour 5 patientes. Pour fin decomparaison, les plans faits sur IRM ont été également évalués sur TDM et TDM-3DTAUSet les plans TDM et TDM-3DTAUS, sur l’IRM.

L’analyse de faisabilité a montré que la sonde permet de voir le HR-CTV. Cependant, le rec-tum, le sigmoïde de même que les ovoïdes ne peuvent être visualisés sur le 3DTAUS. Pourles analyses de contours, en moyenne, les contours se rapprochant davantage du standard àatteindre, l’IRM, sont faits sur le 3DTAUS, mais avec une plus grande variation des contoursque le TDM. Pour la planification de traitement, l’ajout du 3DTAUS au TDM permet d’obte-nir une dosimétrie plus près de celle obtenue sur l’IRM comparativement au TDM seul.

L’utilisation clinique du 3DTAUS est plausible. L’ajout du 3DTAUS permet d’obtenir unedosimétrie plus près de celle sur IRM que le TDM seul, et dans le cas de l’Hôtel-Dieu, avecune charge clinique moindre que l’IRM.

iii

Abstract

The present work explores the clinical potential of the adapted prototype of the Clarity Au-toScan probe for gynecological brachytherapy use. The goal of this project is to determinewhether a 3D transabdominal ultrasound (3DTAUS) can improve treatment planning whencombine to computed tomography (CT) compared to CT-based treatment planning.

For the purpose of this work, 19 patients were analyzed along the various steps of the study.The two main parts are the contour analysis and the treatment planning analysis. In thefirst part, images set (magnetic resonance images (MRI), CT and 3DTAUS) of 6 patients wereanalyzed to determine the visibility of various structures. The comparative high-risk clinicaltarget volume (HR-CTV) contour analysis included 5 patients was performed with 4 imagessets (MRI, CT, 3DTAUS and CT-3DTAUS). The HR-CTV volume and lateral dimensions werecompared to the reference set, the MRI. Treatment plans optimized on MRI, CT and CT-3DTAUS were elaborated for 5 patients. MRI treatment plans were evaluated on CT andCT-3DTAUS, and CT and CT-3DTAUS were evaluated on MRI.

HR-CTV and tandem can be seen on 3DTAUS counter to rectum, sigmoid and ovoids. HR-CTV contour analysis shows that 3DTAUS contours, on average, are the ones closer to MRIbut with the higher variability. For treatment planning, the treatment plans optimized onCT-3DTAUS are the one closer to MRI, showing improvement to CT plans while combiningit to 3DTAUS.

For complete 3D treatment planning, 3DTAUS can be used alone. However, the CT-3DTAUSfusion allows treatment plans closer to MRI than CT alone. For the reason, 3DTAUS shouldbe added to the current clinical workflow when MRI is not available.

iv

Table des matières

Résumé iii

Abstract iv

Table des matières v

Liste des tableaux vii

Liste des figures viii

Liste des abéviations x

Remerciements xii

Avant-propos xiv

Introduction 1Le cancer du col utérin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Les traitements possibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3La problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1 Concepts théoriques 91.1 Traitements de curiethérapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.2 Techniques d’imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.3 Sonde Clarity AutoScan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2 Use of 3D-transadominal Ultrasound Imaging in Cervical Cancer Brachythe-rapy : HR-CTV delineation comparison to MRI and CT 272.1 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.4 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.8 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.9 Conflict of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

v

3 Investigational Use of 3D- transabdominal Ultrasound Imaging for Treat-ment Planning in Cervical Cancer Brachytherapy : Comparison to MagneticResonance and Computed Tomography 403.1 Résumé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.2 Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.4 Material and Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.8 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.9 Conflict of Interest . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Conclusion 53

Bibliographie 55

vi

Liste des tableaux

0.1 Descriptions des différents stades du cancer du col de l’utérus, une versiontraduite et simplifiée du tableau de classification du FIGO. . . . . . . . . . . . 4

1.1 Structures d’intérêts pour le traitement du cancer du col. . . . . . . . . . . . . 111.2 Doses maximales recommandées par l’ABS pour les OARs lors des traitements

de curiethérapie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3 Paramètres dosimétriques pour les traitements de radiothérapie, comprenant

la radiothérapie externe et la curiethérapie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141.4 Paramètres dosimétriques pour l’évaluation des plans de traitements . . . . . 141.5 Caractéristiques des sources utilisées pour les traitements de curiethérapie à

haut débit de dose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.6 Résumé des principes de fonctionnements des modalités d’imagerie présentées. 211.7 Résumé des principaux avantages et inconvénients de chaque modalité d’ima-

gerie présentée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1 Mean and standard deviation of the volume and dimension measurementscompared to MRI with and without the outliers. For each distribution contai-ning outliers, the number of outliers is given. The paired t-test p-value is alsopresented when compared to MRI and CT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.1 Mean and standard deviation of the dosimetry index to evaluate the treatmentplan optimized (A) and evaluated (B) on the imaging modalities (A/B). V100is normalized to planning-aim dose (7 Gy). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2 Mean and standard deviation of dose (Gy) to 2cc and 0.1cc bladder and rec-tum/sigmoid volume for treatment plan optimization made on imaging mo-dality A and evaluated on modality B (A/B). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

vii

Liste des figures

0.1 Les 10 plus importants types de cancers chez les femmes sont présentés enfonction de la localisation de la population. Les sous-figures a et b montrent lesstatistiques dans le monde en général, c et d, celles dans les pays développés(PD) et e et f, celles dans les pays sous-développés (PSD). . . . . . . . . . . . . 2

0.2 Schéma de l’appareil reproducteur féminin de la SCC (Reproduction permisepar la SCC). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

0.3 Les équipements utilisés pour la radiothérapie : un accélérateur linéaire (a)pour la radiothérapie externe et un projecteur de source (b) pour la curiethé-rapie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.1 Processus illustrant les différentes étapes comprises dans un traitement de cu-riethérapie pour le cancer du col utérin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 Schéma des applicateurs gynécologiques utilisés dans le cas du cancer du colutérin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 Schéma du positionnement des points H (équivalents aux points A) sur uneradiographie montrant une coupe coronale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.4 Schéma du positionnement des points H (équivalents aux points A) sur uneradiographie montrant une coupe coronale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.5 Schéma de la composition de la Flexisource, source d’Ir-192 se trouvant dansle Flexitron de la compagnie Elekta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.6 Schéma de la production d’une onde échographique à l’interface entre deuxmilieux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.7 Salle de curiethérapie comprenant l’équipement nécessaire à l’insertion del’applicateur, le TDM, le 3DTAUS et le projecteur de source pour le traitement. 22

1.8 Coupes sagittales (a), coronales (b) et transverses (c) pour un volume 3D re-construit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.9 Le système de localisation de la sonde Clarity est composé de marqueurs surla sonde et d’un système de localisation permettant de situer la sonde dansl’espace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.10 Alignement du fantôme sur les lasers de la salle afin de le localiser dans l’es-pace en fonction du référentiel du TDM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.11 Présentation des différentes étapes de l’utilisation clinique de la sonde. . . . . 251.12 Bras articulé permettant le positionnement de la sonde sur l’abdomen de la

patiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.1 The Clarity AutoScan probe is located within the brachy suite. This locationallows acquiring CT and ultrasound images in the same patient position, oneafter the other. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

viii

2.2 Images obtained by the imaging modalities used in the study. A) MRI, thereference set, B) CT, C) 3DTAUS and D) CT-3DTAUS. The MRI is made priorto brachytherapy, with no applicator in place. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.3 Structure’s visibility according to the imaging techniques. The ultrasound of-fers poor visibility for all structures behind the uterus and below vagina fun-dus. The applicator is not in place when MRI is performed. One patient had aprior colectomy with a permanent ileostomy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.4 Comparison of applicator visualization for a patient with normal amount ofgel (a), with additional gel improving ovoids visualization (b) and applicatorplaced using only 3DTAUS of the CT-3DTAUS and visualised on the CT view(c). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.1 MRI treatment plans evaluated on each imaging modality (MRI : first line, CT-3DTAUS : second line, CT : third line and 3DTAUS : fourth line) for a patientfor which the MRI allowed small improvements compared to CT plans.Isodose’sline are normalized to the planning-aim dose 7 Gy (purple-grey : 200% ; darkblue : 175% ; blue : 150% ; yellow : 125% ; red : 100% ; dark blue : 90% ; green :75%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2 MRI treatment plans evaluated on each imaging modality (MRI : first line, CT-3DTAUS : second line, CT : third line and 3DTAUS : fourth line) for a patientwith important contour variations between imaging modalities. The plan ba-sed on CT-3DTAUS imaging is closer to the MRI-based plan when comparedto CT. Isodose’s line are normalized to the planning-aim dose 7 Gy (purple-grey : 200% ; dark blue : 175% ; blue : 150% ; yellow : 125% ; red : 100% ; darkblue : 90% ; green : 75%). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3 Clinical workflows of MRI based and CT-3DTAUS-based treatment planning.* In the case of MRI is located outside the brachytherapy room or even theradiation oncolocy department, patient transportation across the departmentor hospital has to be planned. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

ix

Liste des abréviations

ABS American Brachytherapy SocietyAP AnteroposteriorBT BrachytherapyCT Computed TomographyCT-3DTAUS CT and 3DTAUS fusionCTV Clinical Target VolumeDR Diagnostic radiologistEBRT External bean radiotherapyEQD2 Equivalent total dose in 2-Gy fractionsFIGO International Federation of Gynaecology and ObstetricsGEC-ESTRO The Groupe Européen de Curiethérapie (GEC) and the European SocieTy for Ra-

diotherapy & Oncology (ESTRO)GYN GynecologyICRU International Commission on Radiation Units and MeasurementsIGABT Image Guided Adaptative BrachytherapyIRM Imagerie par résonnance magnétiqueHDD Haute débit de doseHDQ Hôtel-Dieu de QuébecHU Hounsfield units (nombre Hounsfield)MRI Magnetic Resonnance ImagingOCB Oncentra BrachyOAR Organe à risque - Organs at RiskRO Radiation OnclogistRT radiothérapieSCC Société Canadienne du CancerTDM Tomodensitométrique3DUS Ultrason tridimensionnel3DTAUS Ultrason tridimensionnel transabdominal3DTRUS Ultrason tridimensionnel transrectal

x

À ma famille

xi

Remerciements

La réalisation du présent projet n’aurait pu être possible sans le travail d’équipe colossal quise trouve derrière. Pour cette raison, j’aimerais remercier tous ceux qui y ont contribué etqui m’ont permis de produire le présent mémoire dans sa forme actuelle. Sans eux, le travailprésenté n’aurait pas été le même.

Premièrement, j’aimerais remercier Sylviane Aubin et Marie-Claude Lavallée, physiciennesmédicales à l’Hôtel-Dieu de Québec (HDQ). Elles ont pris le temps de m’apprendre diffé-rentes facettes de la curiethérapie, me donner leur opinion professionnelle sur plusieurs as-pects concernant mon projet de maîtrise, et bien plus encore. Sylviane s’est montrée patienteet attentive pour répondre à mes questions concernant des décisions cliniques entourantmon projet, mais également au sujet de toutes celles entourant le monde de la curiethérapie,et ce, malgré la charge de travail colossale qui reposait sur ses épaules. Les conseils et en-couragements de Marie-Claude m’ont grandement aidé au cours de cette maîtrise. Elle m’aété d’une aide précieuse pour finir cette aventure en beauté. J’aimerais également remercierLuc Beaulieu de m’avoir donné ma chance dans le monde de la physique médicale, en m’ac-ceptant tout d’abord comme stagiaire d’été, puis comme étudiante à la maîtrise. J’aimeraisle remercier pour les conseils donnés afin de garder un regard rigoureux face à la physiquedu projet alors qu’il est facile de se perdre dans les considérations cliniques.

J’aimerais également remercier plusieurs personnes également impliquées dans le projet, etdont le temps fût précieux pour la réalisation du projet. Premièrement, je remercie les radio-oncologues, Dr William Foster et Dre Marie-Anne Froment. Malgré leur horaire plus quesurchargé, ils ont été présents pour toutes les tâches et décisions. Leur avis médical concer-nant certaines de mes questions a été grandement apprécié tout au long du projet. J’aimeraiségalement remercier l’équipe de technologues en curiethérapie pour leur collaboration. Vousêtes une équipe formidable.

Toute cette aventure n’aurait pas été possible sans une présentation faite par le chef de ser-vice de physique médicale, Mario Chrétien, et à laquelle j’ai assisté en première année demon baccalauréat en génie physique. À ce moment, j’ai su que c’était ce dans quoi je voulaiseffectuer mes études graduées. J’aimerais également remercier Carl Côté de m’avoir donnéma chance en tant que stagiaire à l’HDQ. Cette expérience m’a permis de toucher à plusieurs

xii

autres facettes de la physique médicale en travaillant sur la maintenance des appareils detraitement et quelques tâches en curiethérapie. J’aimerais remercier l’équipe de physique engénéral pour leur collaboration formidable et leur disponibilité lorsque j’avais des questions.

Le GRPM a rendu les études graduées une expérience pleine de vie. C’est un groupe d’étu-diants formidable. Je suis contente d’avoir eu la chance de rencontrer chacun d’entre vous.Au cours des différentes activités de formations, j’ai eu la chance de découvrir des coéqui-piers et collègues drôles et attachants. Une salutation spéciale à ceux du bureau du Couillard ;les pique-niques du midi m’ont permis de découvrir des personnes passionnantes.

Et j’aimerais remercier ma famille pour son soutien tout au long de mes études. Et fina-lement, merci à Olivier, pour tous les encouragements et la compréhension dont tu as faitpreuve tout au long de cette aventure.

xiii

Avant-propos

Le projet présenté dans le présent mémoire se divise en deux parties : l’analyse de contourssur les différentes modalités d’imagerie et la planification de traitement sur ces images. Cesdeux éléments ont conduit à la rédaction d’un article. Ces papiers sont insérés dans le présentmémoire. Les deux papiers ont été soumis au Brachytherapy Journal le 1er novembre 2016.Le deuxième papier a été accepté avec corrections mineurs.

Pour le premier article, la version présentée dans le mémoire est celle soumise au BrachyJournal. La mise en page et la numérotation des figures sont modifiées pour l’insertion decet article au mémoire. Les éléments étant tous pertinents pour le présent mémoire, il a étédécidé de conserver l’article en entier. En ce qui concerne le deuxième article, tous les élé-ments de l’article sont également inclus puisque jugés pertinents au présent travail. La ver-sion présentée est celles comprenant les corrections apportées sur aux commentaires faitspar la pairs dans le processus d’évaluation d’articles.

Tous les auteurs ont collaboré à la rédaction du premier article et quelques-uns sont restéspour le deuxième. Les auteurs ayant participé aux deux articles sont : Dr William Foster, DreMarie-Anne Froment, Sylviane Aubin, Marie-Claude Lavallée et Luc Beaulieu. Le Dr Fosterest radiooncologue pour le CHU de Québec – Université Laval à l’Hôtel-Dieu de Québec(HDQ) spécialisé gynécologie et urologie de même qu’en curiethérapie. La Dre Marie-AnneFroment est radiooncologue pour le CHU de Québec à l’HDQ. Sylviane Aubin, MSc., etMarie-Claude Lavallée, PhD Ing. Jr, sont physicienne médicale pour le CHU de Québec àl’Hôtel-Dieu de Québec au département de radio-oncologie. Elles travaillent toutes deuxdans la branche de curiethérapie. Luc Beaulieu, PhD est physicien médical et directeur duprogramme de physique médicale de l’Université Laval. Il est également mon directeur derecherche pour mon projet de maîtrise. Les auteurs suivants ont collaboré pour le début duprojet et ont collaboré pour le premier article uniquement. Dre Patricia Noël, radiologistespécialisée en gynécologie, travaille pour le CHU de Québec à l’HDQ. Nathalie Dufourd esttechnologue engagée pour la recherche au département au moment des expériences com-prises dans le premier article.

Dans le premier article, je suis deuxième auteure, le contenu touchant davantage aux défi-nitions médicales des différents volumes. Les médecins avaient pour tâches de définir les

xiv

régions à haut risque sur les différentes modalités d’imagerie. Mon rôle a été de faire l’ana-lyse de volume et de dimensions de ces contours faits et d’extraire les tendances entre lesdifférentes modalités d’imagerie. Les tableaux et figures contenus dans l’article résultent demon analyse. J’ai également rédigé la partie des matériels et méthodes portant sur l’analysedes contours ainsi que les résultats qui y sont associés. J’ai également participé activementà la correction de l’article et à l’élaboration de tous les éléments visuels s’y trouvant. Pourle deuxième article, je suis le premier auteur. Les principales manipulations de cette partieainsi que les analyses qui y sont rattachées résultent de mon travail. J’ai produits les élé-ments visuels ainsi que rédigé l’article en entier. Les coauteurs ont cependant fortement aidéà sa révision pour l’amener à la version soumise et présentée dans le présent mémoire.

xv

Introduction

Le cancer du col utérin

Étendu de la maladie

Le terme cancer désigne des cellules ayant subi des mutations et se divisant de façon incon-trôlable [1]. Elles représentent un danger pour la santé en raison de leur potentiel à envahird’autres tissus [2]. Le type de cancer d’intérêt dans le présent ouvrage est celui prenant nais-sance dans les cellules du col utérin et est désigné comme le cancer du col de l’utérus.

Au Canada, le cancer est la première cause de décès avec une proportion de 29,9% en 2011[3]. En 2015, le nombre de diagnostics de cancer est estimé à 196 000 au pays [4]. En raisonde la population vieillissante et de la croissance démographique, le fardeau du cancer necesse d’augmenter. Chez la femme, le cancer du col utérin représente 1,5% des cas de can-cer. La Société canadienne du cancer (SCC) estime que 1500 femmes ont reçu un diagnosticde cancer du col et que 380 en sont mortes en 2015. En 2010, les chances pour une femmecanadienne d’être atteinte du cancer du col était de 1 sur 152 et de 1 sur 475 d’en mourir [3].

Le cancer du col utérin est le 4e type de cancer chez la femme dans le monde en ce quiconcerne l’incidence et la mortalité (figures 0.1a et 0.1b). La proportion de cas de cancersvarie cependant en fonction de la situation géographique. En effet, les taux d’incidence et demortalité diffèrent entre les pays développés, dont fait partie le Canada, et ceux en voie dedéveloppement. Plus de 80% des cas de cancer du col se trouvent dans les pays en voie dedéveloppement (figures 0.1c et 0.1d). Pour ce qui est des pays industrialisés, l’incidence et lamortalité sont moindres (figures 0.1e et 0.1f). La différence provient principalement des pro-grammes de dépistages dans les pays industrialisés permettant de diagnostiquer des étatsprécancéreux et de les traiter avant même l’apparition de la maladie. Pour ces deux réalités,les ressources disponibles ne sont pas les mêmes, et par conséquent, les traitements pou-vant être offerts diffèrent. Pour les pays développés, l’importance est mise sur l’améliorationconstante des traitements et du diagnostic, alors que dans le cas des pays sous-développés,on mise davantage à rendre disponibles le diagnostic et le traitement au plus grand nombrede femmes possible [5].

1

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

FIGURE 0.1 – Les 10 plus importants types de cancers chez les femmes sont présentés enfonction de la localisation de la population. Les sous-figures a et b montrent les statistiquesdans le monde en général, c et d, celles dans les pays développés (PD) et e et f, celles dansles pays sous-développés (PSD). (Données statistiques tirées de [6].)

Anatomie de la maladie

Le col utérin est la partie de l’appareil reproducteur féminin reliant le vagin à l’utérus (figure0.2). Le cancer du col utérin est une tumeur maligne prenant naissance dans des cellules ducol utérin et ayant la capacité de se propager dans d’autres parties du corps [7]. Les tumeurspeuvent prendre principalement deux formes, soit celle d’un carcinome épidermoïde du col

2

de l’utérus, pour le cancer prenant naissance dans les cellules plates et minces formant lerevêtement extérieur du col, ou des adénocarcinomes, pour le cancer prenant naissance dansles cellules produisant le mucus se trouvant dans le col [7]. D’autres types de cancers, plusrares, sont également possibles.

FIGURE 0.2 – Schéma de l’appareil reproducteur féminin de la SCC (Reproduction permisepar la SCC).

Différentes caractéristiques permettent de déterminer le stade de la maladie soit la dimen-sion de la tumeur, l’extension aux tissus environnants et la présence de métastases secon-daires. Le système définissant les caractéristiques précises des différents stades est le systèmede classification de l’International Federation of Gynecology and Obstetrics (dont l’acro-nyme officiel est FIGO) [8]. Un résumé des éléments de classification est présenté au tableau0.1. Différents éléments affectent le pronostic d’une patiente soit le stade de la maladie, l’étatde santé général de la patiente ainsi que son âge. Dans tous les cas, plus la maladie est avan-cée et moins bon est le pronostic. Cependant, plus une patiente est jeune, plus celle-ci a dechance de guérir de la maladie en raison d’un meilleur état général [9].

Les traitements possibles

Au Canada et dans les pays développés, plusieurs types de traitements sont offerts : la chi-rurgie, la chimiothérapie et la radiothérapie et plusieurs combinaisons possibles de ces diffé-rents traitements. Les traitements offerts varient selon plusieurs critères : le stade du cancer,l’âge de la patiente, l’état de santé général, le désir de la patiente de tomber enceinte et lechoix personnel de la patiente [10, 11]. Un survol des différents traitements est présenté.D’une part, les traitements n’impliquant pas la radiation, soient la chirurgie et la chimio-

3

TABLE 0.1 – Descriptions des différents stades du cancer du col de l’utérus, une versiontraduite et simplifiée du tableau de classification du FIGO [8].

Stade DescriptionI Le carcinome est strictement confiné au col (extension au corps utérin non consi-

déré).IA L’invasion du cancer est identifiée macroscopiquement uniquement. (Toutes les

lésions macroscopiques, même avec une invasion superficielle, sont des cancersde Stade IB.) L’invasion est limitée à l’invasion du stroma mesurée avec une pro-fondeur maximale de 5 mm et pas plus large que 7 mm.

IB Lésions cliniques limitées au col, ou des lésions précliniques supérieures stade IA.II Le carcinome s’étend au-delà de l’utérus, mais ne possède pas d’extension dans la

paroi pelvienne ou dans le tiers inférieur du vagin.IIA Atteinte maximale du 2/3 supérieur du vagin sans atteinte paramétriale visible.IIB Atteinte paramétriale évidente, mais pas dans la paroi pelvienne.III Le carcinome est étendu dans la paroi pelvienne. À l’examen rectal, il n’y a pas

d’espace libre de cancer entre la tumeur et la paroi latérale du bassin. La tu-meur implique le tiers inférieur du vagin. Tous les cas d’hydronéphrose ou non-fonctionnement du rein devraient être inclus à moins qu’ils soient connus pourêtre dus à d’autres causes.

IIIA Atteinte de la partie inférieure du vagin, mais pas d’extension sur paroi pelvienne.IIIB Extension sur la paroi pelvienne, ou hydronéphrose / rein non fonctionnel.IV Le carcinome est étendu au-delà du petit bassin ou a envahi la muqueuse de la

vessie et/ou du rectum.IVA Propagation à des organes pelviens adjacents.IVB Propagations à des organes distants.

thérapie, et de l’autre, la radiothérapie se divisant en deux composantes, la radiothérapieexterne et la curiethérapie. La curiethérapie, le traitement d’intérêt dans le présent mémoire,est présentée de façon plus détaillée dans la section théorique.

Les différentes chirurgies, plus ou moins invasives, sont choisies en fonction du stade dela maladie allant de la biopsie conique, l’ablation de la tumeur se trouvant dans le col, àl’exentération pelvienne, le retrait complet de l’appareil reproducteur féminin ainsi que desganglions pelviens. La chirurgie est utilisée d’une part pour les états précancéreux où les cel-lules sont anormales, mais ne possèdent pas encore le potentiel de se propager. Les cellulespeuvent être gelées à l’aide d’azote liquide, brûlées par laser ou encore retirées par biopsieconique [11] . Les chirurgies plus importantes sont pour les patientes dont la maladie estpassée au stade de cancer. La chirurgie seule ne peut être suffisante lorsqu’une plus granderégion est atteinte et il est alors nécessaire de se tourner vers des traitements plus agressifscomme la chimiothérapie et la radiothérapie.

La chimiothérapie fait également partie des traitements possibles et est généralement uti-lisée en combinaison avec les traitements de radiothérapie. Le médicament généralement

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utilisé est le Cisplatin administré quatre heures avant les traitements de radiothérapie [12].La chimiothérapie vise à détruire les cellules cancéreuses, mais également à les rendre plusradiosensibles, augmentant ainsi l’efficacité des traitements de radiothérapie. Pour les cas decancer avancé ou de récidive, la chimiothérapie peut être administrée seule [11].

Le type de traitement qui nous intéresse plus particulièrement est la radiothérapie, soit l’uti-lisation de la radiation ionisante pour traiter le cancer. Deux techniques sont possibles : laradiothérapie externe (external beam radiotherapy - EBRT) et la curiethérapie (brachythe-rapy - BT). Dans le cas de la radiothérapie externe, la radiation provient d’une source setrouvant à l’extérieur du corps du patient. La radiation est produite par un accélérateur li-néaire (figure 0.3a). Cet appareil a pour but d’accélérer des électrons qui, lorsqu’ils frappentune cible en tungstène, produisent ainsi des photons. L’ancienne technique consistait à blin-der une source de cobalt 60 et laisser uniquement un petit trou par lequel la radiation n’étaitpas atténuée et pouvait atteindre le patient [13]. La radiothérapie externe demande des trai-tements devant s’étaler sur plusieurs semaines et irradie tous les tissus se trouvant sur leparcours de la radiation. Elle permet cependant de traiter une plus grande zone ; les gan-glions lymphatiques se trouvant dans le bassin en sont un exemple. Les traitements curatifspour le cancer du col utérin comprennent une première partie de radiothérapie externe puisdes traitements de curiethérapie afin d’augmenter la dose à la tumeur [14].

La curiethérapie diffère de la radiothérapie externe en administrant la dose de radiation dansla tumeur, ou à proximité, à l’aide d’une source radioactive. Les sources peuvent être dépo-sées de façon permanente, on parle alors d’implant permanent, ou de façon temporaire, im-plant temporaire, par l’entremise de cathéters ou d’applicateurs permettant le déplacementde la source radioactive se trouvant au bout d’un fil dans un projecteur de source (figure0.3b) jusqu’à la région d’intérêt. Les traitements de curiethérapie présentent de nombreusesdifférences par rapport à la radiothérapie externe, par exemple une dose très localisée dansla tumeur ou à proximité, réduisant la taille de la zone irradiée. Cette diminution est possibleen raison de la diminution de la dose en fonction de la distance suivant le facteur de 1/r2.Cependant, cela rend la technique moins robuste aux erreurs de positionnement de l’appli-cateur. Le gradient de dose étant plus prononcé, un mauvais positionnement peut entraînerun sous-dosage de la zone à risque et un surdosage des OARs. La durée des traitementsest également moins importante que pour la radiothérapie externe. En effet, ces dernierspeuvent s’étaler sur 5 à 7 semaines, 5 jours semaines, alors que pour la curiethérapie, onparle généralement de 4 à 5 fractions pour les cas gynécologiques. Cependant, ce ne sontpas tous les types de cancer qui se prêtent à la curiethérapie. En effet, la tumeur doit êtreaccessible à la source de radiation. Elle doit donc se trouver dans une cavité naturelle oudans un endroit dans lequel il est facile d’implanter les cathéters permettant le déplacementde la source ce qui représente une limitation de la technique. De plus, la curiethérapie peutêtre également plus invasive puisque la source doit parfois pénétrer le corps pour le traite-

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ment. Cependant, les bénéfices de la curiethérapie dépassent largement les inconvénients.En effet, le fort gradient permet d’augmenter la dose à la tumeur tout en diminuant celleaux tissus environnants. Gill et colal. a montré que la curiethérapie permet d’augmenter letaux de survie après 5 ans de l’ordre de 25% comparativement à la radiothérapie externe àintensité modulée [14]. L’amélioration des traitements de curiethérapie est accentuée lors-qu’une image 3D est utilisée à chaque fraction pour faire la planification de traitement avecune amélioration de la survie après 5 ans de 10% supplémentaires pour les traitements decuriethérapie optimisés sur des volume 3D comparativement à une prescription aux pointsA [15].

(a) (b)

FIGURE 0.3 – Les équipements utilisés pour la radiothérapie : un accélérateur linéaire (a)pour la radiothérapie externe et un projecteur de source (b) pour la curiethérapie.

La problématique

Les traitements disponibles varient grandement selon la localisation géographique des pa-tientes. En occident, les patientes ont accès à d’innombrables ressources. Si l’on se concentresur le traitement faisant l’objet du présent mémoire, soit la curiethérapie, l’imagerie parrésonnance magnétique est la modalité de référence pour le traitement en raison de soncontraste optimal des tissus mous. Avec cette modalité, il est ainsi possible de différencier latumeur macroscopique des tissus sains environnants. Cependant, l’imagerie par résonnancemagnétique (IRM) est dispendieuse en ressources et en temps, un luxe que ne peuvent se

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permettre tous les centres, même dans les pays développés. La tomodensitométrie (TDM)est généralement la modalité d’imagerie utilisée en clinique en raison de sa plus grande ac-cessibilité, de son coût moindre et de sa rapidité d’acquisition. Cependant, cette facilité aun coût. La TDM offre très peu de contraste des tissus mous entraînant une surestimationdes volumes à traiter [16], augmentant inutilement la dose de radiation administrée aux pa-tientes.

Afin de passer outre ces différentes lacunes, l’idée présentée par différents groupes de re-cherche, Schmid [17] et Van Dyk [18, 19], est l’utilisation de l’imagerie échographique. L’ul-trason est une technologie économique, portative et donnant un excellent contraste des tissusmous [20] la rendant ainsi intéressante pour passer par-dessus les difficultés du TDM et desradiographies. Van Dyk et al s’intéressent à une sonde échographique transabdominale bi-dimensionnelle (2D transabdominal ultrasound, 2DTAUS) pour obtenir les dimensions ducol de l’utérus ainsi que les extensions tumorales. Cependant, pour avoir ces informations,plusieurs plans doivent être acquis dans différents axes, rendant la compréhension tridimen-sionnelle ardue. Schmid et al, quant à eux, présentent une sonde échographique transrec-tale tridimensionnelle (3D transrectal ultrasound - 3DTRUS). Cette sonde présente plusieursavantages, la visualisation tridimensionnelle de la zone à risque par exemple. Cependant,le fundus utérin n’est pas toujours visible puisque, dans certains cas, la sonde n’a pu êtrepoussée au-delà de l’anneau de l’applicateur s’appuyant à la base du col ne permettant pasd’imager entièrement la zone à traiter. La solution proposée dans le présent mémoire est unecombinaison des deux techniques, soit l’utilisation d’une sonde transabdominale tridimen-sionnelle (3D transabdominal ultrasound - 3DTAUS).

La situation diffère dans les pays sous-développés où le diagnostic et l’accessibilité aux soinssont davantage des préoccupations que l’optimisation parfaite des traitements. En raison dufaible taux de dépistage, les cancers sont diagnostiqués à des stades plus avancés, dimi-nuant ainsi le pronostic des patientes. L’accessibilité aux traitements est un enjeu, et lors-qu’elles peuvent les suivre, ils sont planifiés au point A, technique discutée dans la sectionthéorique, à partir de radiographies illustrant le positionnement des applicateurs. Une sta-tion d’imagerie échographique 3D est beaucoup plus accessible qu’un TDM ou une IRM etpermettrait des traitements plus personnalisés. La mobilité du système peut également fa-voriser l’implantation d’un plus grand nombre de cliniques et dans les lieux plus éloignés.Si un projecteur de source peut être installé, alors le système d’imagerie échographique lepeut également.

Objectifs

L’objectif du projet est d’évaluer le potentiel clinique d’une sonde à ultrasons pour les trai-tements de curiethérapie du cancer du col de l’utérus. Le 3DTAUS est donc étudié seul et

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combiné au TDM afin de déterminer si les contours obtenus sur ces images s’approchentdavantage des contours faits sur IRM, la modalité de référence, comparativement au TDMseul, la technique que l’on souhaite améliorer. Le projet vise donc, dans un premier temps,à faire l’étude des contours sur les différentes modalités, puis une analyse dosimétrique desplans de traitements résultants de ces différentes modalités dans le but de déterminer le gainclinique de l’utilisation d’une sonde à ultrason 3D.

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Chapitre 1

Concepts théoriques

La curiethérapie par implant temporaire est un élément important dans le traitement à viséecurative pour le cancer du col utérin [21, 22]. Dans le présent chapitre, les éléments com-posant les différentes étapes du processus de traitement seront présentés. Les traitementssuivent tous le même processus (figure 1.1). Une séance d’imagerie, généralement un IRM,précède le début des traitements. L’image acquise vise à déterminer la taille de la tumeur ré-siduelle suite à la radiothérapie externe ainsi que de déterminer le type d’applicateur qui serautilisé et la nécessité, ou non, l’utilisation d’aiguilles. La journée du traitement, la premièreétape correspond à l’insertion de l’applicateur permettant le déplacement de la source dansla région à traiter. Par la suite, le patient est imagé selon la modalité choisie et les images sontexportées vers le système de planification de traitement. Le médecin utilise alors les imagespour délimiter la région à traiter ainsi que les organes à risque. Par la suite, le physicien faitl’optimisation des temps d’arrêt de la source aux différentes positions. Une fois le plan detraitement terminé et approuvé par le médecin, le patient est traité. Le but du présent projetétant de comparer les différentes modalités d’imagerie entre elles, une attention particulièresera portée aux différentes modalités d’imagerie possibles. Un résumé de leur fonctionne-ment ainsi que de leurs avantages et inconvénients sont présentés. De plus, le système àultrasons utilisés étant un prototype à l’essai dans le cadre du présent projet, une sectionsera dédiée à son fonctionnement et son utilité clinique.

FIGURE 1.1 – Processus illustrant les différentes étapes comprises dans un traitement de cu-riethérapie pour le cancer du col utérin.

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1.1 Traitements de curiethérapie

1.1.1 Insertion des applicateurs

Pour les traitements, un applicateur gynécologique est mis en place par le médecin. Celui-cipeut prendre plusieurs formes. Dans la majorité des cas, une tige est passée au travers du colpour être placée dans l’utérus. La partie se trouvant dans le vagin est celle pouvant prendreplusieurs formes, soit un anneau, des ovoïdes ou encore un cylindre [23]. L’applicateur uti-lisé dans le présent projet est composé d’une tige et d’ovoïdes (figure 1.2), La tige est inséréeau travers du col, préalablement dilaté, dans l’utérus. Les ovoïdes, quant à eux, s’appuientdans le fond du vagin, sur le col utérin. Pour les traitements à haut débit de dose, la sourced’Iridium 192 (Ir-192) circule dans un cathéter le long de la tige et à l’intérieur des ovoïdesafin de bien traiter la zone tumorale et les extensions microscopiques.

FIGURE 1.2 – Schéma des applicateurs gynécologiques utilisés dans le cas du cancer du colutérin.

1.1.2 Délimitation des structures d’intérêts

Dans le cas du cancer du col, et des cancers gynécologiques en général, la tumeur est compo-sée de tissus mous, de même que les régions avoisinantes. Pour ce faire, l’utilisation d’unemodalité d’imagerie permettant un excellent contraste des tissus mous s’avère nécessaire.La modalité d’imagerie de prédilection est l’IRM en raison de l’excellent contraste des tis-sus mous offerts par cette modalité d’imagerie [24]. Cependant, cette technique, coûteuseet chronophage, n’est pas la seule utilisée puisque d’autres considérations, telles que l’ac-cessibilité et les coûts engendrés, sont des facteurs pris en considération lors du choix dela méthode d’imagerie pour la planification de traitement. Les différents types d’imageriesutilisées dans le présent projet sont présentés à la prochaine section.

Une fois l’image acquise, le médecin délimite les différentes structures nécessaires à la pla-nification de traitement (tableau 1.1). La définition de la zone à risque dépend du type detraitement réalisé [23]. Dans le cas présent, les patientes ont un traitement combiné de radio-thérapie externe et de curiethérapie. La première structure d’intérêt est celle que le médecinsouhaite traiter, la cible clinique à haut risques (High-Risk Clinical Target Volume, HR-CTV).

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Cette zone comprend les tissus pathologiques résiduels (CTVres) suite à la radiothérapie ex-terne, le col utérin en entier, ainsi que les tissus pathologiques adjacents le cas échéant [23].

Les principaux organes à risque (OAR), le rectum, sigmoïde et la vessie sont également déli-mités. Les organes à proximité de la zone à traiter doivent être pris en considération puisqu’ilexiste toujours une probabilité que la radiation entraîne des mutations dans les cellules quipeuvent éventuellement mener au développement d’un cancer induit. Ces effets sont deseffets probabilistes. Cependant, lors de la planification, on s’intéresse principalement auxeffets déterministes. Ces effets sont directement liés à la dose donnée aux patientes et leurgravité augmente avec la dose administrée. Une trop grande dose aux OARs peut entraînerde graves conséquences pour les patientes, allant de l’inflammation à la nécrose en passantpar les fistules [23]. Le but des protocoles est de limiter l’apparition de ces effets secondairesnéfastes pour le patient. Les doses limites sont fixées en fonction des recommandations desdifférents groupes d’experts dans le domaine qui découle des études rétrospectives sur dif-férents protocoles. Ainsi, pour la curiethérapie, les doses limites sont présentées à tableau1.2. La notation EQD2 est la notation pour rapporter la dose si elle avait été administrée uni-quement en fonction de fraction de 2 Gy. Cette équivalence est calculée à l’aide de l’équation1.1 qui donne la dose équivalente si elle avait été administrée avec un fractionnement de 2Gy par fraction. La dose de comparaison est de 2 Gy puisque le fractionnement est géné-ralement fait sous cette forme dans la littérature. Le facteur α/β utilisé est de 3 Gy, tel querecommandé par l’ICRU 89 [23]. Cette notation est une notation standard afin que la façonde documenter la dose soit le plus semblable possible entre les différents protocoles [24].

EQD2 =

(α/β + dα/β + 2

)(1.1)

TABLE 1.1 – Structures d’intérêts pour le traitement du cancer du col.

Abbréviation Nom completCTV Clinical Target VolumeCTVres Residual Clinical Target VolumeHR-CTV High Risk Clinical Target VolumeOAR Organ at risk

1.1.3 Planification de traitement

Historiquement, la planification de traitement se faisant par planification aux points A selonle protocole présenté par le rapport 38 de l’International Commission on Radiation Unitsand Measurements (ICRU) publié en 1985 [25]. Cette planification se faisait à l’aide de ra-diographies coronales. La dose était prescrite aux points A, soit à 2 cm de la tige et 2 cm dela base du col. Ce type de planification vise à obtenir des doses précises à des points précis,

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TABLE 1.2 – Doses maximales recommandées par l’ABS pour les OARs lors des traitementsde curiethérapie.

Structure Dose(Gy)

Vessie D2cc ≤ 90 Gy EQD2Rectum D2cc ≤ 75 Gy EQD2Sigmoïde D2cc ≤ 75 Gy EQD2

sans considération pour l’anatomie de la patiente. Celles ayant une zone à traiter plus largepouvaient avoir le HR-CTV sous-dosé et celles avec zone à traiter plus petite pouvaient voirla dose s’étendre au-delà du du HR-CTV. Il existe une deuxième nomenclature, plus facile àdéterminer, celle des points H (figure 1.3), la nomenclature utilisée dans le présent mémoire.La différence réside dans le fait que les points H sont à 2 cm des ovoïdes et non de la base ducol. Cette deuxième définition provient du fait que, sur les radiographies, il est plus facile devisualiser les ovoïdes que la base du col. Cliniquement, ces points sont équivalents. La doseaux organes à risque, pour ce type de planification, est uniquement documentée par le posi-tionnement des points vessie et rectum (figure 1.4). Sur une radiographie antéro-postérieuremontrant une coupe sagittale, le point vessie est défini comme le milieu du ballonnet se trou-vant dans la vessie, sur la face la plus postérieure. Pour le point rectum, le point se trouvedans sur l’axe médian des ovoïdes à 0,5 cm derrière la paroi vaginale. Ces points sont définisainsi en raison du manque de visibilité des tissus mous sur les radiographies. Le ballonnetdans la vessie est visible grâce à l’ajout d’un agent de contraste. La visibilité de la cavitévaginale peut être améliorée par l’ajout de gazes radio-opaques. Cette gaze, en plus de tenirl’appareillage en place, permet de visualiser la limite entre la paroi vaginale et les gazes etainsi définir le point rectum [13].

L’amélioration des techniques d’imagerie a entraîné un changement dans les méthodes deplanification. En effet, la planification de traitement, régie par l’ICRU 89 publié en 2016 [23],est basée sur l’optimisation volumétrique à partir d’images 3D. Les plans de traitementsprennent en considération les fractions de radiothérapie externe précédant celles de curie-thérapie. Le fractionnement utilisé pour le cancer du col est présenté au tableau 1.3. Pour lestraitements de curiethérapie, les volumes, décrits précédemment, sont utilisés pour l’opti-misation. Différents objectifs sont fixés pour les différents éléments d’intérêts (tableau 1.4).Lorsque les contours, ainsi que l’optimisation du plan de traitement, sont faits à chacunedes fractions, on parle alors de curiethérapie adaptative guidée par imagerie (Image-guidedadaptative brachytherapy – IGABT). Pour ce qui est de la couverture V100, l’optimisationvise à obtenir 100% de couverture avec la dose de prescription visée. Idéalement, le HR-CTV serait recouvert par cette dose. Cependant, l’optimisation est un compromis entre lacouverture et la dose aux OARs, qui ont également leur limite de dose à respecter, comme

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FIGURE 1.3 – Schéma du positionnement des points H (équivalents aux points A) sur uneradiographie montrant une coupe coronale.

FIGURE 1.4 – Schéma du positionnement des points H (équivalents aux points A) sur uneradiographie montrant une coupe coronale.

mentionné précédemment. À l’Hôtel-Dieu de Québec, les doses aux OARs tolérées pourchaque fraction de curiethérapie sont de 6,3 Gy pour la vessie et 4,5 Gy pour le rectum etle sigmoïde pour des fractions de 7 Gy [24]. En cas de dépassement de ces doses, les effetssecondaires peuvent être importants influençant la qualité de vie des patientes et peuventégalement avoir un impact sur leur survie à long terme. Les effets secondaires peuvent allerde l’œdème à la nécrose en passant par l’incontinence pour la vessie et des fistules pour le

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rectum [23].

TABLE 1.3 – Paramètres dosimétriques pour les traitements de radiothérapie, comprenant laradiothérapie externe et la curiethérapie

Modalité DoseRadiothérapie externe 25 x 1.8 GyCuriethérapie 4 x 7 Gy

TABLE 1.4 – Paramètres dosimétriques pour l’évaluation des plans de traitements

Paramètres Appellationcourante

Description

V100 Couverture Volume du HR-CTV recevant 100% de la dose de pres-cription visée

D90 Dose de pres-cription

Dose en Gy, reçue par 90% du volume du HR-CTV, aumoment de l’approbation du plan de traitement par lemédecin.

Point H Point H Point de référence de l’ancienne nomenclature permet-tant de documenter la dose. Ce point se trouve à 2 cm dela tige et à 2 cm au-dessus des ovoïdes dans une coupecoronal.

D2cc Dose aux OARs Dose reçue par les 2 cm3 d’un OAR recevant le plus dedose

Pour que le traitement désiré concorde avec ce qui sera donné à la patiente, il doit y avoirune relation entre la source et le système de planification. Ce lien se fait à l’aide de mesurespermettant de connaître l’activité exacte de la source à un moment précis, afin de calculeradéquatement la décroissance de la source. La géométrie de la source est le second élémentqui doit être pris en considération dans le calcul de dose puisque le débit est anisotrope. Cecalcul de dose se base sur le protocole du Task Group 43 (TG-43) [26] spécifiant les para-mètres à considérer. La dose est calculée dans un milieu homogène fait d’eau. Le protocolepermet de faire le calcul de dose à n’importe quelle position autour de la source. Ces élé-ments, spécifiques à la source utilisée, se trouvent dans le logiciel de traitement afin que lelogiciel de planification puisse calculer la dose.

1.1.4 Méthodes d’optimisation

Plusieurs techniques d’optimisation sont possibles pour arriver au plan de traitement final.Ces techniques ont pour but d’optimiser les temps d’arrêt de la source aux différentes posi-tions afin d’obtenir le meilleur compromis entre la couverture et la dose aux OARs. L’ICRU38, présentant la prescription de dose aux points H, utilise l’optimisation géométrique. Dansce type d’optimisation, uniquement les paramètres de l’implant sont considérés. L’ICRU 89,

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nouvelle référence dans le domaine, s’intéresse davantage à l’optimisation anatomique. La-quelle considère les variations anatomiques individuelles. Ces optimisations se basent surles contours faits par les médecins, et prennent en considération les extensions tumorales,le cas échéant, les OARs et autres particularités des patientes. Pour ce type d’optimisation,les deux principales techniques utilisées dans le présent projet sont la planification inverse,à l’aide de l’algorithme IPSA [27], et l’optimisation graphique [28].

L’algorithme de calcul de dose utilisé dans le système de planification Oncentra Brachy estIPSA (Inverse Planning by Simulated Annealing) [27]. Cet algorithme correspond à unefonction de coûts où différents objectifs sont définis et possèdent sa pénalité. En fonctiondes critères et de la pénalité de chacun, l’algorithme trouve le minimum global de la fonc-tion, la meilleure solution mathématique avec les contraintes et pondérations données. Cescontraintes touchent la couverture de la zone à risque et la dose aux OARs, pour ne nom-mer que ceux-ci. L’avantage de ce type d’optimisation est une plus grande indépendanceentre le résultat final et le planificateur, contrairement à l’optimisation géométrique, et saplus grande reproductibilité.

Une autre méthode d’optimisation sur les volumes est l’optimisation graphique : le dépla-cement manuel des isodoses. Pour une optimisation graphique complète, des temps égauxsont d’abord mis à chaque position d’arrêt de la source. L’utilisateur utilise alors la sourispour modeler manuellement la forme des isodoses aux contours désirés. Cette variation desisodoses se traduit par une modification des temps d’arrêt de la source aux différentes posi-tions. L’utilisateur peut alors augmenter les temps à proximité d’une extension tumorale ouencore les diminuer près des OARs. Cette méthode peut également être utilisée comme com-plément à l’optimisation faite à l’aide de l’algorithme IPSA pour de petites modifications auplan de traitement obtenu. Dans le cadre de ce projet, les structures ne variant que légère-ment pour une même patiente entre les différentes modalités d’imagerie, cette optimisationa été utilisée comme outil pour peaufiner les plans cliniques obtenus lors du traitement àl’aide d’IPSA.

1.1.5 Le Traitement

La source radioactive est l’élément permettant d’administrer la dose de radiation afin detraiter la patiente. Les traitements utilisées pour le traitement du cancer du col est un traite-ment à haut débit de dose (HDD) défini par un débit supérieur à 20 cGy/min [25]. Plusieurssources entrent dans cette catégorie dont le coblat 60 (Co-60), le césium 137 (Cs-137) et l’iri-dium 192 (Ir-192). La source utilisée à l’Hôtel-Dieu de Québec est une source d’Ir-192. Cettesource est généralement celle privilégiée en raison de son activité spécifique élevée, inverse-ment proportionnel à la demi-vie [13], (tableau 1.5) et de son énergie spectrale moyenne plusbasse demandant ainsi moins de blindage [13] . Les sources à HDD sont contenues dans unprojecteur de source. Ce dispositif permet de blinder la source lorsque celle-ci n’est pas uti-

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lisée pour le traitement et de la déployer par chargement différé, limitant ainsi l’expositiondu personnel médical. La source est fixée à l’extrémité d’un câble qui se déploie au momentdu traitement afin de positionner la source aux différentes positions déterminées au momentde la planification. À l’Hôtel-Dieu de Québec, le projecteur de source est un Flexitron, de lacompagnie Elekta, et contient la Flexisource d’Ir-192, dont le schéma est présenté à la figure1.5.

TABLE 1.5 – Caractéristiques des sources utilisées pour les traitements de curiethérapie àhaut débit de dose.

Radionucléide Demie-vie Énergie moyenne du photon(MeV))

Ir-192 73,8 j 0,38Cs-137 30,0 a 0,662Co-60 5,26 a 1,17, 1,33

FIGURE 1.5 – Schéma de la composition de la Flexisource, source d’Ir-192 se trouvant dans leFlexitron de la compagnie Elekta [29].

1.2 Techniques d’imagerie

L’imagerie est la seconde étape dans le processus de traitement de curiethérapie, suivantl’insertion de l’applicateur. L’imagerie permet de déterminer son positionnement dans l’ana-tomie de la patiente. Pour la planification 2D, une simple visualisation est possible. Avec lestechniques 3D, il est possible également de déterminer si l’utérus a été perforé au momentde l’insertion du tandem. Pour une prescription de dose aux points H, deux radiographiesperpendiculaires, en sagittale et en coronale, permettent de localiser l’applicateur. Pour unplan de traitement optimisé sur l’anatomie de la patiente, une imagerie 3D est nécessaire.Dans ces images, les différentes structures d’intérêts sont délimitées par le médecin. Le ré-sultat final de l’optimisation varie en fonction des contours, et ceux-ci varient en fonction de

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la modalité d’imagerie utilisée. La modalité d’imagerie de prédilection pour le cancer du colest l’IRM en raison de son excellent contraste des tissus mous. La TDM est également répan-due en raison de son accès plus facile et une technique d’imagerie plus rapide. Une nouvelletechnique est présentée dans le présent projet, soit l’imagerie 3D par échographie transab-dominale. Ces différentes techniques donnent de l’information différente en fonction despropriétés physiques illustrées lors de l’acquisition et chacune d’elles possède ses avantageset ses inconvénients. Un résumé du fonctionnement des différentes modalités d’imageriesera présenté ainsi qu’un tableau récapitulatif des avantages et inconvénients de chacun.

1.2.1 Imagerie par résonnance magnétique

L’imagerie par résonnance magnétique est la modalité offrant le meilleur contraste des tis-sus mous. Le cancer du col se trouvant dans une région composée principalement de ce typede tissus, cela rend l’IRM la modalité de prédilection. En effet, l’IRM permet de distinguerchaque type de tissus en raison de leur composition distincte. Il est possible de différen-cier les tissus adipeux, des tissus conjonctifs, mais également les tissus cancéreux. En effet,chaque molécule réagit différemment au signal de l’IRM. Les tissus possèdent des moléculesdifférentes ou encore des proportions de chaque molécule différentes ce qui permet de lesdifférencier les uns des autres.

L’IRM se base sur la susceptibilité magnétique des molécules pour imager les patients. Enappliquant un fort champ magnétique, un alignement des molécules polaires dans le tissu seproduit. Lorsqu’une radiofréquence stimule la molécule, celle-ci fait dévier le moment ma-gnétique de la molécule. La vitesse selon laquelle elle se réaligne avec le premier champ dé-pend de sa susceptibilité magnétique [30]. Cette susceptibilité dépend de la composition desmatériaux, plus précisément du noyau des atomes. Les spins et la distribution des chargesdans les noyaux sont les éléments responsables de ses propriétés magnétiques.

L’IRM est la modalité d’imagerie de référence pour plusieurs techniques, dont la curiethéra-pie du cancer du col en raison de son excellent contraste et de sa facilité d’interprétation desimages. Cependant, cette technique est coûteuse et demande un plus grand déploiement desressources, ce qui rend cette modalité d’imagerie beaucoup moins accessible pour un plusgrand nombre de centres traitant le cancer.

1.2.2 Radiographie et Tomodensitométrie

Les principes physiques utilisés pour la radiographie (R-X) et la tomodensitométrie (TDM)sont les mêmes. Les deux techniques imagent le patient à l’aide de photons de basse énergie.Ceux-ci traversent le patient dans lequel ils sont atténués puis détectés à leur sortie. Dansle cas de la R-X, le faisceau est dirigé vers la région à imager et le signal est détecté par unpanneau de détecteurs, ou encore un film radiographique, se trouvant derrière le patient,formant une image bidimensionnelle (2D). Pour ce qui est de la TDM, l’image résultante

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est une image tridimensionnelle (3D). Pour imager une tranche du corps, plusieurs anglesd’incidence sont nécessaires. Une fois toutes ces incidences acquises, les projections sontcombinées pour former une tranche. Plusieurs tranches sont acquises et mises bout à boutafin de produire le volume 3D.

Ces modalités d’imagerie utilisent le signal des photons non atténués pour former les imagesà la sortie du corps. Le faisceau produit par le tube à rayons X forme le faisceau primaire.Les photons ayant interagi ne se trouvent plus dans la trajectoire du faisceau primaire res-ponsable du signal. La relation entre le signal d’entrée et de sortie du corps est donnée parl’équation 1.2 [30].

It = I0e−µt (1.2)

où l’intensité initiale du signal est I0, l’intensité finale It, l’épaisseur du patient t (cm) et lecoefficient d’atténuation linéaire µ(cm1). Dans cette relation, l’élément permettant de carac-tériser les tissus est donc le coefficient d’atténuation linéaire puisque chaque type de tissupossède un coefficient différent. Ainsi, lorsque le faisceau atteint les détecteurs, il a traversédifférents milieux atténuants possédant différents coefficients. L’atténuation totale corres-pond à la sommation de toutes les atténuations individuelles de tous les milieux traversés.Le signal perçu par les détecteurs correspond donc au faisceau primaire ayant subi une atté-nuation représentant la somme de tous les coefficients d’atténuations traversés combinée àl’épaisseur de chacun, comme présenté à l’équation 1.3.

µt = µ1t1 + µ2t2 + . . . + µntn (1.3)

Où µn est le coefficient d’atténuation du milieu n et tn est l’épaisseur du milieu n. La relationextrapolée présentée à l’équation 1.4 permet d’extraire le coefficient d’atténuation linéaire,et de le normaliser à celui de l’eau pour obtenir le nombre de Hounsfield (Hounsfield Units,HU) selon la relation présentée à l’équation 1.5 [30]

ln(

I0

It

)= µt (1.4)

CT(x, y) = 1000µ(x, y)− µeau

µeau(1.5)

Où µ(x, y) est l’atténuation au pixel à la position (x, y) et µeau est l’atténuation pour l’eau.Les nombres HU des différents tissus mous possèdent des valeurs similaires les rendantdifficilement distinguables les uns des autres.

18

Aux énergies utilisées pour les R-X et TDM, la principale interaction ayant lieu dans l’imageest la diffusion Compton [30] et c’est le coefficient d’atténuation de l’effet Compton qui do-mine. Lors de la diffusion Compton, le photon incident interagit avec un électron sur lacouche de valence. Une partie de l’énergie est donnée à l’électron qui est éjecté de son orbiteet à un photon de plus faible énergie. L’effet Compton dépend de la densité électronique[30]. L’élément principal influençant la densité électronique est la densité des matériaux etla densité dépend de la composition des tissus. Cependant, les tissus mous possèdent tous,environ, la même densité et densité électronique. Le signal mesuré entre les différents typesde tissus mous, sains ou cancéreux, est donc environ le même [30].

Dans le cas du cancer du col, le faible contraste entre les différents types de tissus est un in-convénient majeur pour une différenciation des différents tissus. En effet, le faible contrastelimite la détermination précise de la zone à risque et des extensions tumorales. Ces élémentsconduisent à une surestimation de la zone à traiter [16]. L’IRM, pour la différenciation destissus mous, reste donc la modalité de référence. L’avantage du TDM provient de la rapiditéd’acquisition et de son accessibilité plus étendue que l’IRM, en raison de son coût moindre.

1.2.3 Ultrasons

L’imagerie par ultrasons est formée par les échos du signal initial envoyé dans le tissu. Lesultrasons sont des ondes mécaniques de compression se propageant dans le milieu. En sepropageant dans un milieu, elles sont atténuées, réfléchies et réfractées, comme pour la phy-sique optique. Les échos se produisent lorsque l’onde arrive à l’interface entre deux tissus.Ceux-ci n’ayant pas les mêmes propriétés physiques, une partie du signal est réfléchie etl’autre est transmise au milieu suivant (figure 1.6). La proportion de l’intensité entre le si-gnal recueilli et celui envoyé, RI est présentée à l’équation 1.6

RI =Ir

Ii=

(Z2 − Z1

Z2 + Z1

)2

(1.6)

où Ii et Ir représentent, respectivement, l’intensité incidente et réfléchie et Z1 et Z2 l’impé-dance acoustique des milieux 1 et 2. L’impédance acoustique représente la résistance d’unmatériau au passage de l’onde mécanique. Cette relation en est fonction de la densité dumatériau, mais également de la vitesse de l’onde, telle que montrée à l’équation 1.7

Z = ρc (1.7)

.

La densité varie entre les différents composants du corps humain, mais également en fonc-tion de la vitesse de propagation de l’onde dans les différents tissus. Cette vitesse varie en

19

FIGURE 1.6 – Schéma de la production d’une onde échographique à l’interface entre deuxmilieux.

fonction des milieux biologiques. Les systèmes médicaux approximent, généralement, la vi-tesse des ondes à 1540m/s, soit la vitesse de propagation dans les tissus mous [30]. La varia-tion de densité entre les différents tissus est donc ce qui permet de les différencier.

L’écho a pour avantage d’être économique, sans radiation ionisante, rapide et transportable.En effet, une station mobile pour prendre des échos peut être transportée partout et facile-ment. Cependant, l’obtention de bonnes images et la lecture de celles-ci demandent une im-portante courbe d’apprentissage, ce qui peut rendre les professionnels de la santé retissant àson utilisation. En effet, comme plusieurs auteurs le mentionnent [31] [20], l’utilisation d’unesonde échographique demande une grande courbe d’apprentissage, ce qui rend son utilisa-tion épeurant pour plusieurs professionnels de la santé. Cependant, l’écho peut représenterune alternative aux modalités d’imagerie beaucoup plus coûteuses et longues.

1.2.4 Résumé des différentes modalités d’imagerie

Chaque modalité fonctionne selon différents principes physiques, ce qui permet d’illustrerdifférentes propriétés des tissus (tableau 1.6). Ils présentent tous leurs avantages et incon-vénients propres, résumés au tableau 1.7. Les symboles «+» désignent les faiblesses, «++»les fonctionnalités dans la moyenne et les «+++» les avantages de chacune des techniquesd’imagerie. Le choix de ces symboles est arbitraire et vise à simplifier la compréhension dulecteur.

20

TABLE 1.6 – Résumé des principes de fonctionnements des modalités d’imagerie présentées.

Propriétés IRM TDM 3DTAUS R-XDimensions 3D 3D 3D 2DSignal Relaxation des

noyauxPhotons non at-ténués

Écho de l’ondemécanique (ul-trasons)

Photons non at-ténués

Illustrent La compositiondes tissus

La densité élec-tronique destissus

L’interfaceentre les diffé-rents tissus

La densité élec-tronique destissus

Propriété phy-sique exploitée

Susceptibilitémagnétique

Densité électro-nique (ou pou-voir d’arrêt destissus)

Impédanceacoustique desdifférents tissus

Densité électro-nique (ou pou-voir d’arrêt destissus)

TABLE 1.7 – Résumé des principaux avantages et inconvénients de chaque modalité d’ima-gerie présentée.

Propriétés IRM TDM 3DTAUS R-XAccessibilité + ++ +++ +++Coûts +++ ++ +* +Facilité d’interprétation +++ + ++** +Localisation de la tige +++ +++ +++ +++Localisation des ovoïdes +++ +++ - +++Visualisation du HR-CTV +++ + ++ -Visualisation des OARs +++ +++ + -+++ : points forts ; ++ : acceptable, + : points faibles ; - : points impossibles au moment dela rédaction du mémoire.* Le 3DTAUS est plus coûteux qu’un TAUS standard, cependant, il reste tout de mêmeplus abordable que l’IRM.** Technique demandant une grande courbe d’apprentissage pour arriver à des résultatssatisfaisants.

1.3 Sonde Clarity AutoScan

Dans cette section, les principes entourant le fonctionnement de la sonde Clarity AutoScanseront présentés. La sonde est un prototype de recherche visant à modifier la sonde Clarityconçue pour l’imagerie en temps réel de la prostate relié à l’appareil de traitement et détermi-ner si elle peut être utilisée dans les cas de cancer gynécologiques. Pour le projet, la sonde estinstallée dans l’unité de curiethérapie à l’Hôtel-Dieu de Québec (figure 1.7). L’unité de curie-thérapie sert à la fois de bloc opératoire pour l’insertion de l’applicateur, de salle d’imagerieavec la présence du TDM et de la sonde, ainsi que de salle de traitement avec le projecteurde source et les murs blindés. Ce type de salle permet de limiter le déplacement des patients

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pour les différentes étapes du traitement. Placer la sonde dans la salle permet de l’utiliserpendant la procédure, mais également permet de ne pas déplacer la patiente une fois l’ap-plicateur en place afin de garder la même position entre l’image TDM et le 3DTAUS.

FIGURE 1.7 – Salle de curiethérapie comprenant l’équipement nécessaire à l’insertion de l’ap-plicateur, le TDM, le 3DTAUS et le projecteur de source pour le traitement.

1.3.1 Fonctionnement de la sonde

Le signal est produit par un cristal piézoélectrique. Ce type de matériau a la propriété de sedéformer, se contracter ou se détendre, sous l’application d’un courant électrique. Ce mouve-ment produit l’onde mécanique à l’origine du signal, le cristal joue alors le rôle d’émetteur.Le cristal peut également être utilisé comme récepteur, en convertissant les modificationsmécaniques appliquées au cristal par l’onde échographique en signal électrique.

La sonde Clarity permet l’acquisition de volume tridimensionnel grâce à son mécanisme àbalayage. Pour ce type d’acquisition 3D, le bloc d’acquisition pivote autour de son axe derotation afin d’acquérir plusieurs coupes permettant d’obtenir un volume 3D par la somma-

22

tion des plans acquis. Toutes ces images bidimensionnelles sont par la suite reconstruites etassemblées afin d’obtenir le volume 3D (figure 1.8).

FIGURE 1.8 – Coupes sagittales (a), coronales (b) et transverses (c) pour un volume 3D re-construit.

La sonde possède un système de détection de la position (figure 1.9). Ce système permetd’orienter l’ultrason dans l’espace et de faire la fusion avec une image TDM. Pour le cancerde la prostate, la sonde était utilisée pour les échograhpies au moment de faire le TDM. Pourl’utilisation dans l’unité de curiethérapie, les détecteurs de mouvements étant placés du côtéopposé ceux d’une salle de TDM, les capteurs sur la sonde ont dû être inversés. Le modèlede capteurs se trouvant sur la sonde a été modifié également en cours de route. En effet, lesanciens capteurs étaient parfois cachés par la patiente. La nouvelle configuration, en formede croix, permet d’augmenter la visibilité de la sonde pour le système de détection (1.9).

Pour que la sonde puisse se repérer dans l’espace, par rapport au TDM, un contrôle de qua-lité journalier doit être effectué. Lors de cette calibration de la position, un fantôme est po-sitionné sur la table de traitement, aligner avec les lasers de la salle à une position précisedu TDM (figure 1.10). Un ultrason est acquis à cette position permettant au système de cali-brer son référentiel de position en fonction de la position du TDM. Lorsque cette acquisitionest prise et réussite, l’ultrason connaît alors sa position de référence et peut s’orienter dansl’espace. Cette connaissance de la position permet de fusionner automatiquement le TDM

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FIGURE 1.9 – Le système de localisation de la sonde Clarity est composé de marqueurs surla sonde et d’un système de localisation permettant de situer la sonde dans l’espace.

et l’ultrason dans le logiciel du Clarity. Ce test n’est cependant pas un prérequis pour l’uti-lisation clinique de la sonde. En effet, la fusion manuelle entre le TDM et le 3DTAUS estpossible, mais demande une plus grande expérience pour obtenir une bonne fusion.

FIGURE 1.10 – Alignement du fantôme sur les lasers de la salle afin de le localiser dansl’espace en fonction du référentiel du TDM.

24

1.3.2 Utilisation clinique de la sonde

La sonde comporte deux modes d’acquisition, celui en temps réel (2D) et celui pour l’ac-quisition 3D (figure 1.11). Dans un premier temps, la sonde est utilisée en temps réel pourguider l’insertion de la tige dans l’utérus. Le guidage par ultrasons durant l’insertion permetde réduire la perforation utérine, diminuant les effets secondaires liés au traitement[32]. Unefois l’applicateur mis en place, la patiente est allongée sur la table de traitement. Un TDMest acquis, puis le 3DTAUS sans bouger la patiente entre les deux modalités. Afin d’obte-nir de meilleurs résultats lors de la fusion automatique, la hauteur de table ne doit pas êtrechangée. Pour l’acquisition du 3DTAUS, un bras articulé a été conçu afin de faciliter son utili-sation. En effet, la sonde étant lourde et devant être tenue sur l’abdomen de la patiente sanspour autant appuyer sur celui-ci, un bras a été conçu afin de supporter la sonde pouvantainsi libérer les technologues (figure 1.12) de ce poids. Cependant, afin d’obtenir l’image laplus adéquate possible, un faible déplacement de la sonde peut s’avérer nécessaire, et le brasarticulé ne semble pas permettre des mouvements aussi fins.

FIGURE 1.11 – Présentation des différentes étapes de l’utilisation clinique de la sonde.

FIGURE 1.12 – Bras articulé permettant le positionnement de la sonde sur l’abdomen de lapatiente

Dans l’interface de la console se trouvant dans la salle de traitement, l’enchaînement des

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étapes proposées à l’utilisateur suit l’ordre logique de la procédure d’insertion et d’imagerie.Lorsque le dossier de la patiente est ouvert, la sonde se met en mode d’acquisition en tempsréel. Une fois l’insertion terminée, il est possible de passer directement de l’acquisition entemps réel à l’acquisition des images 3D. Dans une version antérieure du logiciel, un premiervolume était acquis pour confirmer l’emplacement de la sonde et du volume 3D acquis. Cetteoption a été retirée puisqu’elle a été jugée superflue et nuisait à la fluidité clinique.

À la fin de l’acquisition des images, celles-ci sont enregistrées sur serveur du Clarity lorsquele bouton «done» est cliqué. Il est alors possible de l’ouvrir à la console se trouvant à l’ex-térieur de la salle de traitement. Le volume est reconstruit à partir des différentes coupesacquises et est prêt à être utilisé seul ou fusionné au TDM qui a été transféré au systèmeune fois acquis. Les deux modalités peuvent alors être fusionnées l’une à l’autre, grâce à lafusion automatique ou suite à la fusion manuelle. Une fois les images fusionnées, il est alorspossible de les transmettre au système de planification OCB en envoyant les deux modalitésséparément, mais avec leur référentiel de position afin que le système de planification detraitement puisse les superposer correctement.

26

Chapitre 2

Use of 3D-transadominal UltrasoundImaging in Cervical CancerBrachytherapy : HR-CTV delineationcomparison to MRI and CT

2.1 Résumé

La planification volumétrique 3D est maintenant le nouveau standard pour les traitementsde curiethérapie du cancer du col utérin. L’imagerie par résonnance magnétique (IRM) estla modalité de prédilection en raison de son excellent contraste des tissus mous. Cepen-dant, l’acquisition d’une IRM est dispendieuse et chronophage. La solution choisie par plu-sieurs est la tomodensitométrie (CT), modalité plus abordable et plus rapide, mais avec uncontraste des tissus mou qualité moindre. Cette diminution de contraste entraîne une sures-timation de la zone à traiter (HR-CTV). La solution étudiée dans le présent article est l’utili-sation d’une sonde échographique transabdominale 3D pour l’imagerie lors des traitementsde curiethérapie. L’objectif du présent article est de déterminer si la sonde à ultrasons, seule(3DTAUS) ou fusionnée avec le CT (CT-3DTAUS), peut améliorer la visibilité du HR-CTVcomparativement au CT seul.

Dans un premier temps, une analyse qualitative est réalisée. Pour se faire, une IRM précédantles traitements de curiethérapie est acquise. Le jour du traitement, un CT et un 3DTAUSsont acquis suite à l’insertion de l’applicateur gynécologique, puis une fusion entre le CTet le 3DTAUS, CT-3DTAUS, est réalisée. Les images IRM, CT et 3DTAUS sont évalués par 3médecins (2 radio-oncologues et 1 radiologiste) pour une analyse. Dans un deuxième temps,le HR-CTV de 8 patientes consécutives a été délimité par les mêmes médecins. Le volume duHR-CTV ainsi que les dimensions transverses sont comparés au contour fait sur IRM pour

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chaque modalité d’imagerie.

L’analyse qualitative montre que le rectum, les intestins, la vessie ainsi que les ovoïdes nesont pas visibles sur le 3DTAUS seul. Pour ce qui est de l’analyse quantitative, les volumessur le CT, le 3DTAUS et le CT-3DTAUS sont, en moyenne, plus grands que ceux sur IRMavec une augmentation de HR-CTV (43 ± 36)% pour le CT, (27 ± 52)% pour le 3DTAUS et(28 ± 39)% pour le CT-3DTAUS. Pour ce qui est des dimensions transverses, les différencesmoyennes sont de (4 ± 14)% pour le CT, (3 ± 22)% pour le 3DTAUS et (0 ± 24)% pourle CT-3DTAUS en AP. En latéral, les différences moyennes sont de (16 ± 23)% pour le CT,(−3 ± 22)% pour le 3DTAUS et (0 ± 19)%pour le CT-3DTAUS.

Le CT-3DTAUS permet de produire des contours plus près de ceux obtenus sur IRM compa-rativement au CT ou au 3DTAUS seul. Cette conclusion ouvre la porte vers la planificationde traitement pouvant se rapprocher davantage de ce qui peut être fait sur IRM comparati-vement au CT seul.

2.2 Abstract

Background and Purpose : To determine if 3D transabdominal ultrasonography (3DTAUS)can be used for volume delineation in cervical cancer brachytherapy.

Material and Methods : Patients underwent MRI before brachytherapy. CT-based planningwas used and a 3DTAUS was acquired at the time of planning. A registration was madeusing 3DTAUS and CT images (CT-3DTAUS). A qualitative analysis was performed on 6 pa-tients to determine if structures could be identified for 3D planning on these image sets. Aquantitative analysis was then performed on 8 patients. HR-CTV was delineated by 3 phy-sicians on MRI, CT, 3DTAUS and CT-3DTAUS. HR-CTV volumes and dimensions obtainedon CT, 3DTAUS and CT-3DTAUS were compared to MRI volumes.

Results : On 3DTAUS, HR-CTV and bladder were visible but the rectum, bowel and applica-tors could not be delineated precisely. When compared to MRI, mean increases in HR-CTVvolumes were (43 ± 36)%CT, (27 ± 52)%3DTAUS and (28 ± 39)%CT−3DTAUS. For HR-CTV di-mensions, mean differences were (4± 14)%CT, (3± 22)%− 3DTAUS, and (0± 24)%CT−3DTAUS

in AP and (16± 23)%CT, (−3± 22)%3DTAUS, and (0± 19)%CT−3DTAUS in lateral dimensions.

Conclusions : 3DTAUS can be used to delineate HR-CTV but not the rectum and sigmoid. Itsuse reduces the overestimation of HR-CTV volume when compared to CT. CT-3DTAUS com-bination could enable fast and efficient volume delineation in cervical cancer brachytherapy,potentially closer to MRI-based volumes than CT alone.

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2.3 Introduction

A combination of brachytherapy and chemoradiation is the standard treatment of locallyadvanced cervical cancer in women [33, 34]. In the last decade, the use of volumetric 3D-planned HDR brachytherapy has steadily increased [34]. Efforts have thus been made toimprove imaging at the time of brachytherapy, moving away from orthogonal films andtoward the use of CT and MRI to help with treatment planning.

When using 3D planning, MRI is currently considered the gold standard to delineate thehigh-risk clinical target volume (HR-CTV) as its definition was developed based on MR ima-ging [21]. However, MR is expensive and time-consuming and is not easily available at thetime of brachytherapy in a great number of facilities. For all these reasons, CT is often usedfor clinical target volume (CTV) and organs at risk (OAR) delineation [35]. However, softtissue contrast is not as good on CT as it is on MRI.

Ultrasound is an economical and easily available imaging method. It shows improved softtissue contrast when compared to CT and is currently used in brachytherapy to facilitatetandem insertion [32, 36]. Transabdominal ultrasound (TAUS) has been used for treatmentplanning using measurements of the cervix with excellent clinical results [19] and there wasa recent publication looking at the use of transrectal ultrasound (TRUS) for volume delinea-tion in cervical cancer brachytherapy [17]. The same group just published a workflow wherea combination of TRUS and CT is used to perform 3D planning in cervical cancer brachy-therapy [37]. Our objective was to evaluate if a 3D transabdominal ultrasound (3DTAUS)system could be used to delineate CTV and OARs in cervical cancer brachytherapy, in viewto eventually perform a full US-based 3D image guided adaptive brachytherapy of the cervix(IGABT). 3DTAUS was evaluated using two different methods : as a sole imaging modalityand in addition to the standard CT performed at the time of brachytherapy. We comparedvolume delineation of the CTV and OAR using different imaging modalities ; 3D Transab-dominal Ultrasound (3DTAUS), Computed Tomography (CT), Magnetic Resonance imaging(MRI) and a registration of the 3DTAUS and CT (CT-3DTAUS).

2.4 Material and Methods

2.4.1 Patients Description

Between November 2013 and March 2014, 8 consecutive patients with cervical cancer un-dergoing intracavitary brachytherapy were included in a study using 3DTAUS under IRBapproval. Median age was 60 (43-70) and all patients were diagnosed with a Cervical Squa-mous Cell Carcinoma. 6 out of 8 patients showed stage IIB disease at diagnosis while theother 2 had stage IIIB disease according to FIGO staging [8]. One patient had macroscopicnodal disease on MR imaging. There was no selection of cases based on other patient charac-

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teristics. Therefore, some patients had suboptimal anatomic features but none were excludedfrom the study to reflect the possible breadth of clinical cases. One patient had a prior co-lectomy with a permanent ileostomy and another showed a wide fibroma in the anteriorportion of the uterus, which made 3DTAUS imaging difficult.

All patients were treated with External Beam Radiation Therapy (EBRT) to the pelvis withconcomitant DDP-based chemotherapy. Median radiation dose was 45 Grays in 25 fractions.They all underwent multiplanar T2WI weighted Magnetic Resonance Imaging (MRI - SignaExcite, GE Healthcare, Milwaukee, United States) with 5 mm slice thickness after EBRT andprior to brachytherapy to evaluate the response and assist with subsequent treatment plan-ning. A standard brachytherapy insertion using tandem and ovoids was scheduled for everypatient. All procedures were performed under general anesthesia. A 3DTAUS research pro-totype based on Clarity AutoScanTM, modified for brachytherapy (Elekta, Montreal, Canada)was used in the operating room (OR) to aid with tandem insertion. A 3D-CT (Brilliance CTBig Bore, Philips Healthcare, Cleveland, United States) based planning was performed todeliver 4 fractions of 7 Gy to CTV using helical 2 mm slice thickness, 120 kVp, 217 mA and230 mAs scan parameters. Each patient underwent 2 separate insertions, with 2 fractions de-livered on consecutive days (once daily) for each insertion. Brachytherapy was performedafter EBRT was completed and a standard delay of 1 week was typically used between in-sertions. A second trans-abdominal ultrasound was acquired just after CT without movingthe patient. 3DTAUS image of the cervix and OAR was acquired to be used in the currentstudy, 0.65mm slice thickness. The CT-3DTAUS fusion was made afterward with the ClarityWorkstation 4.0 (Elekta, Montreal, Canada).

2.4.2 Clarity AutoScan and Images

The 3DTAUS Clarity research prototype, presented in Figure 2.1, has two modes : live modeand 3D scanning mode. The first assists the physician at the time of tandem insertion, asany 2D ultrasound transducer, and the second acquires the 3D scan required for volumetrictreatment planning. The transducer acquires ultrasound images in a few seconds and thetilting mechanism located inside the housing allows the user to acquire a 3D scan withoutmoving the transducer [38]. Focus depth and sector size of the ultrasound image can beadjusted to include the HR-CTV and surrounding organs at risk (OAR). Other parameterscan be fixed as the scan depth and gain preset, who can also be changed manually [38].The 3DTAUS is located within the brachy suite in order to help the physician during tandeminsertion and acquire the CT and 3DTAUS images consecutively without moving the patient.The two image sets are imported in the probe station to be registered (CT-3DTAUS) andexported to the planning system Oncentra Brachy Treatment Planning System 4.3 (OCB)(Elekta, Veenendaal, The Netherlands). The images were compared to the pre-BT MRI whichwas used as the reference set. Images obtained with each modality are presented on Figure

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2.2. Each physician had to delineate the HR-CTV on every imaging modality independently.

FIGURE 2.1 – The Clarity AutoScan probe is located within the brachy suite. This locationallows acquiring CT and ultrasound images in the same patient position, one after the other.

2.4.3 HR-CTV Definition

Standard CT planning was performed for every patient. In order to improve image qualityat the time of 3DTAUS, the bladder was filled with saline water. As previously stated, theMR image was acquired before the procedure without the applicators in place.

For the quantitative analysis on the first 8 patients, 4 separate sets of images were presen-ted to 3 physicians (2 radiation oncologists (RO) and 1 diagnostic radiologist (DR)) : 3 in-dependent image sets (MRI, CT, 3DTAUS) and also a registration of the 3DTAUS and CT(CT-3DTAUS), leading to 24 HR-CTV contours for each imaging modalities. Physicians hadto identify the HR-CTV on the MR image based on the GEC-ESTRO guidelines [21].

On CT imaging, the current recommendations of the ABS for CTV delineation [16, 39] swereused. Since the cervix is not easily identifiable on CT, the standard volume started at the levelof the ovoids (with inclusion of adjacent vaginal tissue if involved at the time of brachythe-rapy) and extended superiorly to the level where the uterus indents. The minimal height

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had to be 3 cm. Laterally, the parametrial tissue had to be included if there was a suspicionof invasion (“gray/white” tissue).

On 3DTAUS imaging, the adequate identification of the superior portion of the cervix wasimpossible. Therefore, the same guidelines that were used for CT were applied. The CTVextended from the applicators to the indented portion of the uterus, with a typical minimalheight of 3 cm. In our experience, laterally, the differentiation between the cervix and tumor,in most cases, was impossible. Therefore, the gray/white interface was used to identify thelateral borders of the CTV.

In the final set of images using a CT-3DTAUS registration, physicians could use the infor-mation from both imaging modalities to delineate the CTV using the previously describedguidelines. They could either move from one image set to the other or use a combined view(Figure 2.2).

FIGURE 2.2 – Images obtained by the imaging modalities used in the study. A) MRI, the refe-rence set, B) CT, C) 3DTAUS and D) CT-3DTAUS. The MRI is made prior to brachytherapy,with no applicator in place.

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2.4.4 Structure Visibility Analysis

A second analysis was performed on 6 additional patients who were recruited betweenMarch and May 2014. The same 3 physicians who participated in the quantitative analy-sis had to look at the MR, CT, 3DTAUS and CT-3DTAUS of these patients and determine byconsensus if the following structures of interest could be identified with enough precisionto allow 3D treatment planning : cervix, uterus, bladder, rectum, vagina, bowel, tandem andovoids.

2.4.5 HR-CTV Analysis

The HR-CTV volume analysis included the contours made by each physician on every ima-ging modalities (MRI, CT, 3DTAUS and CT-3DTAUS) in the treatment planning softwareOCB. The volumes delineated by the contours were measured using OCB tools. Volumesfor each modality were compared to MR volumes which were considered the reference setof images. Results for every physician were analyzed separately, in order to perform an in-traobserver variation analysis only. The HR-CTV volumes on other imaging modalities (CT,3DTAUS and CT-3DTAUS) Vx, were compared to the reference VMRI using the followingequation :

V∆ = (Vx − VMRI)/VMRI × 100% (2.1)

where Vδ represent the average difference to MRI contours. For each imaging modality com-parison, a paired t-test was produced with the PSPP software (GNU Operating System, opensource).

The HR-CTV anteroposterior (AP) and lateral dimensions were measured perpendicularlyto the tandem orientation. In order to obtain those measurements, the views were alignedwith the tandem axis. For each modality, maximum dimensions were measured, using OCBmeasurement tools. The MRI was once again used as the reference set. Since there was notandem on MRI, the widest AP and lateral measurements were used as a reference. The sameratio, as for the volumes, was used to compare the dimensions measured in each imagingmodality to the measures made on MRI. The cephalocaudal (CC) measure was not analyzedfor two reasons. First, the cervix cannot be differentiated on CT and 3DTAUS from the rest ofthe uterus (that explains the required minimal height of 3 cm when delineating the HR-CTVon these imaging modalities). A comparison with the MRI was therefore suboptimal. Secondand most importantly, we did not feel it would be clinically relevant. Our standard clinicalpractice is to load the tandem to treat the uterus at the time of brachytherapy. The superiorborder of the CTV was therefore less of an issue since the radiation dose is not limited to theHR-CTV.

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The mean and standard deviations were calculated with the Excel 2010 software (Microsoft,Richmond, Washington). The various distributions were analyzed using paired t-test withthe PSPP software.

2.5 Results

2.5.1 Structures visibility

MRI imaging allowed physicians to clearly identify the cervix, uterus, HR-CTV and organsat risk (OAR) in every patient. However, since the image acquisition was performed beforethe implant, the applicators could not be seen on MR. CT scanning at the time of planningallowed for the delineation of both the applicators and the various structures. Althoughsoft tissue contrast is not as well-defined on CT as it is on MRI, physicians felt comfortableenough to draw a CTV on CT images as it is currently done clinically.

Physicians involved in the current study were able to identify the cervix, uterus, and bladderon 3DTAUS. Although the cervix and CTV could not be clearly differentiated, the imagequality was considered adequate to identify a clinical CTV that could be used for treatmentplanning purpose. However, the bowel, rectum and sigmoid were not sharply seen in allbut a single patient (2.3). Even though the tip of the tandem was identified in all cases, aprecise identification of the position of the ovoids on 3DTAUS remained challenging. For onepatient, additional lubricant was put on the ovoids in order to reduce artefacts and increasevisibility (Figure 2.4a - 2.4b). To determine the reproducibility of applicator placement ina dosimetry context, the applicator was placed on CT-3DTAUS using 3DTAUS only, andcompared to the CT view 10 times by the same person (Figure 2.4c). 10 copies of the CT-3DTAUS were made and applicator was placed on the 10 3DTAUS views and comparedto the CT views. The average and standard deviation of displacement measurements are0.9 ± 0.2 mm for the tandem tip, 0.7 ± 0.2 mm for the tandem ring and 4.0 ±◦ 0.5◦ for ovoidsrotation.

2.5.2 Contour Analysis

When compared with MRI, all other imaging modalities overestimated the HR-CTV volumeas seen in Table 2.1. The use of CT resulted in an average (43± 36)% increase in HR-CTV vo-lume when compared to MRI. In comparison, the use of 3DTAUS resulted in an average vo-lume increase of (27± 52)% of the HR-CTV when compared to MRI. The use of CT-3DTAUSresulted in a volume increase of (38 ± 50)% when compared to MRI. However, two out-liers were present out of 24 contours. These outliers were observed in the contour sets ofa patient with a hip prosthesis (artefacts) and one with a wide fibroma. Without these twooutliers, the mean volume increases relative to MRI with CT-3DTAUS is (28 ± 39)%. Thesedifferences in volume were statistically significant with p-values of 0.000 (CT vs MR), 0.019

34

FIGURE 2.3 – Structure’s visibility according to the imaging techniques. The ultrasound offerspoor visibility for all structures behind the uterus and below vagina fundus. The applicatoris not in place when MRI is performed. One patient had a prior colectomy with a permanentileostomy.

(a) (b) (c)

FIGURE 2.4 – Comparison of applicator visualization for a patient with normal amount ofgel (a), with additional gel improving ovoids visualization (b) and applicator placed usingonly 3DTAUS of the CT-3DTAUS and visualised on the CT view (c).

(3DTAUS vs MR), and 0.001 (CT-3DTAUS vs MR). We also compared the volumes obtainedwith 3DTAUS and CT-3DTAUS to CT volumes as a reference and obtained p-values of 0.124with and without the outliers for 3DTAUS, and 0.424 and 0.168 with and without the outliersof the CT-3DTAUS (Table 2.1).

The anteroposterior (AP) and lateral (Lat) dimensions were also considered in the study(Table 2.1). The AP dimension was similar between all imaging modalities. In fact, there wasno significant difference in AP dimension between MRI and CT, 3DTAUS and CT-3DTAUS

35

with mean differences of (4 ± 21)%, (3 ± 22)%, and (0 ± 24)%, respectively. However, si-gnificant differences were observed in the lateral dimensions of the HR-CTV. The largestdifference was observed when CT was used to delineate the HR-CTV, with an increaseof (20 ± 29)% when compared to MR. The differences were smaller with both 3DTAUS,(2 ± 31)%, and CT-3DAUS, (10 ± 31)%. When outliers are excluded, the results for the late-ral dimensions are (16 ± 23)% for 23/24 patients on CT, (−3 ± 22)% for 23/24 patients on3DTAUS and (0 ± 19)% for 21/24 patients on CT-3DTAUS. The outliers were observed onthe patient with a wide fibroma. When compared to CT imaging, there was a significant dif-ference in the lateral dimensions of the contours made on 3DTAUS, with a p-value of 0.000with and without the outliers. When CT-3DTAUS was compared to CT, p-values of 0.004and 0.003 with and without outliers were obtained.

TABLE 2.1 – Mean and standard deviation of the volume and dimension measurements com-pared to MRI with and without the outliers. For each distribution containing outliers, thenumber of outliers is given. The paired t-test p-value is also presented when compared toMRI and CT.

Average Number Average p-value p-value CTa

difference of outliers excl. Outliers CTa excl. Ouliters(p-value) (out of 24) (p-value)

VolumeCT 43 ± 36(< 10−6) * - - - -3DTAUS 27 ± 52(0.019)∗ - - 0.124 -CT-3DTAUS 38 ± 50(0.001)∗ 2 28 ± 39(0.003)∗ 0.424 0.168Dimensions(AP)CT 4 ± 21(0.413) 4 4 ± 14(0.205) - -3DTAUS 3 ± 22(0.442) - - 0.974 -CT-3DTAUS 0 ± 24(0.969) - - 0.174 -Dimensions(Lat)CT 20 ± 29(0.003)∗ 1 16 ± 23(0.003)∗ - -3DTAUS 2 ± 31(0.800) 1 −3 ± 22(0.527) < 10−6 < 10−6

CT-3DTAUS 10 ± 31(0.142) 3 0 ± 19(0.936) 0.004 0.004* Distributions are statistically different from the MRI distribution.a p-value when compared to CT distribution.

2.6 Discussion

On average, the HR-CTV volume was larger on all imaging modalities (CT, 3DTAUS, andCT-3DTAUS) when compared to MRI. The increase associated with the use of CT for HR-CTV delineation (43± 36)% was expected as it has been previously reported [16]. The use of

36

3DTAUS, alone or as additional information to CT, was also associated with an increase inHR-CTV volume, but to a lesser extent (27± 52)% and (38± 50)%, respectively. On average,the delineated volumes on 3DTAUS and CT-3DTAUS were closer to MRI volumes. However,a higher variability was noticed using 3DTAUS as demonstrated by standard deviations.

In order to explain these differences in volumes, the widest Antero-Posterior (AP) and La-teral (Lat) HR-CTV measurements were analyzed for each patient and every imaging mo-dality. All measurements were made on axial slices, perpendicular to the tandem. Mean APmeasurements were not statistically different between imaging modalities. It can probablybe explained by the fact that the bladder and rectum can be distinguished from the HR-CTVin the AP dimension. Physicians could use these organs to guide HR-CTV delineation. Ho-wever, lateral measurements were significantly wider on CT than on MRI. The lack of softtissue contrast on CT explains this observation and can also explain, at least partially, thelarger volumes of HR-CTV with CT.

3DTAUS allows for better soft tissue contrast than CT and as a result, smaller differences inHR-CTV lateral measurements are observed using that imaging modality. The biggest im-pact was seen with the use of 3DTAUS alone. Interestingly, our results are in line with thoseof a recent publication who used TRUS imaging instead of 3DTAUS for cervix delineation[17]. On the fused CT-3DTAUS images, the HR-CTV volumes were, on average, smaller thanthe ones on CT, but wider than the ones on 3DTAUS. Physicians were free to decide how touse the information of the 3DTAUS and CT images and ended up using both sets of imagesto delineate HR-CTV volumes, using partial information from both imaging modalities. The-refore, it is not surprising that the resulting volume is somewhere between the 3DTAUS andCT volumes. Once again, differences in lateral extensions of the HR-CTV seem to explain theobserved differences in volumes (Table 2.1).

Many groups have reported their experience with ultrasound for treatment planning in cer-vical cancer brachytherapy [40, 41, 42, 43] with excellent clinical outcomes. Treatment plan-ning is typically based on measurements made with the transabdominal ultrasound at thetime of brachytherapy, with the applicators in place. The dose is then optimized to treatthe uterus and cervix and the OAR doses are reported using the ICRU38 bladder and rectalpoints [25]. The use of TAUS alone therefore constitutes a significant improvement over 2Dfilm-only dosimetry. However, those prior works do not allow for full 3D planning (moreakin of a 2.5D approach) and the OAR D2ccs are not reported.

3DTAUS is very helpful to help guide tandem insertion, but could it be used for CTV andOAR delineation to allow for full 3D treatment planning in cervical cancer brachytherapy ?Our experience tells us that it is not possible at this point. The first obstacle encounteredwas the reconstruction of the applicators. Although the tandem tip could be seen precisely, itremained challenging to identify precisely the surface of the ovoids on 3DTAUS. However,

37

the increased amount of lubricant, tested on the last patient included in this study, appears toimprove ovoids visibility suggesting that this difficulty could potentially be overcome. Theresults show a good reproducibility for the patient with submillimeter placement error. Thesecond and most important limitation comes from the OAR delineation. The bladder wasfilled with liquid to improve image quality in order to visualize the uterus and cervix andwas therefore easily delineated on 3DTAUS. However, it was not possible for the physiciansto precisely delineate the rectum, sigmoid and bowels in 3DTAUS alone, rendering full 3Dtreatment planning impossible.

For these reasons, we believed that the CT-3DTAUS image registration could be a good alter-native ; 3DTAUS could be helpful for HR-CTV delineation, while CT would be used for theapplicator reconstruction and OAR delineation. Our results seem to confirm this. In fact, theuse of CT-3DTAUS allowed clinicians to delineate the OAR required for 3D planning, preci-sely identify the applicators and obtain HR-CTV volumes closer to MR-based than CT-basedvolumes. Whether this could be used to improve treatment planning remains to be seen andis currently under investigation.

Some limitations might have had an impact on the results of our work. First, the MRI wasperformed without the applicators in place. When our study was performed, MRI was notavailable at the time of the implant. Therefore, some of the observed differences in the HR-CTV volumes might be caused by the applicator itself. However, although the introductionof the tandem changes the orientation of the uterus, we do not believe that it can explain thedifferences we observed in the AP and lateral measurements of the HR-CTV. Since the MRIwas performed a few days prior to the procedure, a reduction in HR-CTV volume shouldeven be expected because of tumor shrinkage prior to the implant. Second, since there wasno selection of cases, patients with a suboptimal anatomy were included. One patient had awide anterior fibroma that made visualization difficult on both CT and 3DTAUS. Therefore,it was difficult to differentiate the fibroma from the cervix and uterus on both imaging mo-dalities. Some outliers in our results came from that patient. Another patient had had priorcolectomy. Her cervix and uterus were moved posteriorly and it made 3DTAUS imagingand volume delineation more difficult for the physicians. These constraints might explainthe wide standard deviations in volume delineation we observed in this study. Furthermore,the 3 physicians did not have prior experience with the 3DTAUS equipment used in thisstudy. We believe that there was a learning curve effect [20] on both image acquisition andvolume delineation.

2.7 Conclusions

3DTAUS can be used to guide tandem insertion and identify the HR-CTV in cervical cancerbrachytherapy. When compared to or combined with CT, it results in volumes closer to MR-

38

based volumes. Its use can help reduce the overestimation of the CTV currently seen withCT while still covering adequately the MR-based HR-CTV. However, 3DTAUS alone doesnot allow for the rectum and sigmoid delineation. Therefore, at this point, 3DTAUS alonecannot be used to delineate the volumes required for a complete 3D treatment planning incervical cancer brachytherapy. The use of a registration of 3DTAUS and CT images mightimprove the delineation of both the OAR and HR-CTV for treatment planning when MRI isnot readily available.

2.8 Acknowledgements

This work was supported in part by a research grant from Elekta and from The NationalSciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada via the NSERC-Elekta In-dustrial Research Chair. We wish to acknowledge Martin Lachaine, Fabienne Lathuilière andMichelle Boyce from Elekta Canada and Jan de Becker, Paul Krechting and Cor van de Wardtfrom Elekta Netherlands for technical and engineering support during this project.

2.9 Conflict of Interest

This study was supported by Elekta.

39

Chapitre 3

Investigational Use of 3D-transabdominal Ultrasound Imagingfor Treatment Planning in CervicalCancer Brachytherapy : Comparison toMagnetic Resonance and ComputedTomography

3.1 Résumé

Le but du présent article est de déterminer si les plans de traitement faits sur TDM avecl’ajout du 3DTAUS permettent d’améliorer la planification de traitement se rapprochant da-vantage des plans faits sur IRM que ceux sur TDM uniquement.

Cinq patientes avec un diagnostic de cancer du col ont reçu des traitements de curiethérapie.Les structures pour le traitement (HR-CTV, vessie et rectum-sigmoïde) ont été délimitéessur des images IRM, TDM et TDM-3DTAUS. Les plans de traitement ont été optimisés surchaque modalité d’imagerie. Afin de comparer les différents plans de traitement entre eux,les plans faits sur IRM sont évalués sur le TDM et le TDM-3DTAUS et ceux optimisés sur leTDM et le TDM-3DTAUS sont évalués sur l’IRM.

Tous les plans de traitements optimisés sur chaque modalité d’imagerie sont cliniquementacceptables, bien que statistiquement différents (p < 0,05). L’IRM est la modalité d’imageriepermettant la plus grande couverture de la cible avec une couverture moyenne de 98 % etle TDM, la plus faible avec 93 %. Pour tous les plans de traitement évalués sur l’IRM, la

40

couverture est équivalente. La couverture de plan optimisé sur IRM chute lorsque les planssont copiés sur le TDM (13 %) et le TDM-3DTAUS (6 %) avec une valeur p < 0,05. La dose àla vessie reste constante et la dose rectale augmente lorsque les plans IRM sont copiés sur leTDM et le TDM-3DTAUS.

L’ajout du 3DTAUS au TDM permet d’obtenir des dosimétries se rapprochant davantage decelles obtenues sur IRM comparativement au TDM seul. La fusion entre les deux modalitésd’imagerie est un excellent compromis entre la surestimation du HR-CTV et l’efficacité duTDM et la précision de l’IRM et des coûts qu’il engendre.

3.2 Abstract

Purpose : To evaluate if the addition of 3D transabdominal ultrasound (3DTAUS) imagingto CT can improve treatment planning in 3D adaptative brachytherapy when compared toCT-based planning alone, resulting in treatment plans closer to the ones obtained using MRI-based planning.

Methods : 5 patients with cervical cancer undergoing brachytherapy underwent 3 imagingmodalities : MRI, CT and CT-3DTAUS. Volumes were delineated by a radiation oncologistand treatment plans were optimized on each imaging modality. To compare treatment plans,the dwell times optimized on MRI were transfered on CT and CT-3DTAUS images and doseparameters were reported on volumes of the receiving imaging modality. The plans optimi-zed on CT and CT-3DTAUS were also copied and evaluated on MRI images.

Results : Treatment plans optimized and evaluated on the same imaging modalities wereclinically acceptable but statistically different (p<0.05) from one another. MR-based planshad the highest target coverage (98%) and CT-based plans the lowest (93%). For all treatmentplans evaluated on MRI, the target coverage was equivalent. However, a decrease in targetcoverage (V100) was observed when MR-based plans were applied on CT-3DTAUS (6%)and CT (13%) with p<0.05. An increase in the rectum/sigmoid dose (D2cc) was observedwith both CT-3DTAUS-based (0.6 Gy) and CT-based planning (1 Gy) when compared toMR-based plans while bladder dose stayed similar.

Conclusion : When compared to CT-based planning, the addition of 3DTAUS to CT resultsin treatment plans closer to MR-based planning. Its use reduces the HR-CTV overestimationtypically observed on CT, improving coverage of the target volume while reducing dose tothe OARs.

41

3.3 Introduction

Over the last decade, brachytherapy treatment for cervical cancer has evolved, progressingfrom 2D to 3D treatment planning. Improvements in imaging have allowed treatment plan-ning to move from radiograph point dose prescription to image-guided adaptive brachythe-rapy (IGABT) on magnetic resonance imaging (MRI). Volumetric prescription dose is nowformalized by the ICRU 89 [23], which was preceded by GEC-ESTRO [21, 44] and ABS re-commendations [34, 22]. Those changes allow personalized treatment plans adapted to thepatient anatomy and a better control on dose delivery, with the possibility to improve bothtarget coverage and the dose to the organs at risk (OARs).

MRI is considered the gold standard in IGABT due to its excellent soft tissue contrast [44].However, this imaging technique is expensive and time consuming, especially if the deviceis not located within the radiotherapy department. To overcome the cost and delays of MRI,many clinics use computed tomography (CT) images to delineate the high-risk clinical targetvolume (HR-CTV) and the organs at risk (OARs) [45] for brachytherapy treatment planning.However, CT overestimates the HR-CTV volume [16]. This overestimation increases the de-livered dose to healthy tissues as well as the dose given to OARs.

Over the last few years, ultrasound has been evaluated for use as a real-time applicatorinsertion guidance modality [32] as well as for volume definition in GYN brachytherapy[17, 18, 19, 20]. Ultrasound acquisition and interpretation are associated with a steep learningcurve [20]. However, once all professionals are comfortable with the technique, ultrasound isan interesting imaging modality to explore. VanDyk et al.[18, 19] have proven that the accu-racy of 2D transabdominal ultrasound (2DTAUS) is comparable to MRI for cervix and uterusanteroposterior measurements. Schmid et al. [17] have studied a 3D transrectal ultrasound(3DTRUS) and has also shown that the HR-CTV can be measured accurately. A treatmentworkflow including a CT-3DTRUS has been recently presented by Nesvacil et al [37], as wellas a first patient planned with CT-3DTRUS images. However, they reported some limita-tions to its usefulness. First, the uterus fundus can hardly be seen on 3DTRUS due to rectumlength. Also, they reported being unable to insert the probe beyond the applicator ring forone of their patients. To date, no one has studied the impact of adding 3D transabdominalultrasound to CT to determine if it improves planning quality.

Thus, the goal of this work is to determine if 3D transabdominal ultrasound (3DTAUS) ima-ging combined with CT (CT-3DTAUS) can improve treatment planning over CT alone.

42

3.4 Material and Methods

3.4.1 Patients

Between August 2015 and June 2016, all patients diagnosed with cervical squamous cell car-cinoma who underwent MRI at the time of brachytherapy and did not require interstitialimplant were included in this study ; because of the limited access to MRI, only five patientsmet all these criterias. All patients underwent EBRT treatment of 45 Gy in 25 fractions priorto brachytherapy, followed by 4 brachytherapy fractions of 7 Gy planning-aim dose each. Pa-tients, with median age of 49 (30-55) and staged from IB-IIB according to FIGO guidelines [8],were treated with intracavitary brachytherapy. For the first fraction, tandem insertion wasperformed within the brachysuite, under general anaesthesia. CT and 3DTAUS were acqui-red while patients were still asleep. Patients were then awaken and brought to the imagingdepartment for MRI acquisition. They were brought back to the brachysuite to be treated..All patients were treated with 3D-CT-based plans, using MRI images with the applicator inplace for image fusion to help for volume definition. Treatment plans involving 3DTAUSwere created offline and were not used to treat patients.

3.4.2 Patient Imaging

After applicator insertion (Cervix Rotterdam Applicator, Elekta Brachytherapy, Veenendaal,The Netherlands), a 3D-CT (Brilliance CT Big Bore, Philips Healthcare, Cleveland, UnitedStates) using helical 2 mm slice thickness, 120 kVp, 217 mA and 230 mAs scan parametersand a 3DTAUS system (research prototype based on Clarity AutoScanTM , modified for GYNbrachytherapy - Elekta Clarity, Montreal, Canada) with 0.65 mm continuous slice thicknesswere acquired in the same treatment position in the brachytherapy unit. The patient was thentransferred to the imaging department and underwent multiplanar T2WI weighted Magne-tic Resonance Imaging (MRI - Signa Excite, GE Healthcare, Milwaukee, United States) with5 mm slice thickness. Fusion between CT and 3DTAUS was made (CT-3DTAUS) using theClarity AFC Workstation 4.0 (Elekta, Montreal, Canada). Before each image acquisition, thebladder was filled with 198 cc of saline water NaCl 0.9% and 2 cc of VisipaqueTM contrastagent. All image sets were exported using DICOM-RT protocol to the Oncentra Brachy Treat-ment Planning System 4.3 (OCB) (Elekta Brachy, Veenendaal, The Netherlands). The high-risk clinical target volume (HR-CTV) and the OARs (bladder and rectum/sigmoid) werecontoured on all imaging modalities by one radiation oncologist based on GEC-ESTRO defi-nition [21]. Since no HR-CTV definition is given for 3DTAUS, the ABS recommendation forCTV delineation on CT were used with slight modifications : : the HR-CTV extended fromthe cervical stopper to the indented portion of the uterus, with a typical minimal height of3 cm. In our experience, laterally, the differentiation between the cervix and tumor was notpossible. Therefore, the gray/white interface was used to identify the lateral borders of theCTV [16, 39]. As the rectum and sigmoid could not be distinguished on 3DTAUS, it was de-

43

cided that they could be contoured together. The D2cc of the rectum/sigmoid contour limittolerated for the optimization is 4.5 Gy instead of 4.5 Gy for both. This choice lead to moresevere dose limits for this OARs.

3.4.3 Treatment Planning

The applicators were reconstructed on each imaging modality (MRI, CT and CT-3DTAUS)using the TPS applicator library in OCB. Treatment plans were optimized using IPSA andgraphical optimization was used for fine tuning when required. Since the contours delinea-ted on each imaging modality are different, new graphical optimizations were made. Allgraphical optimizations had to respect the optimization criteria presented below :

1. The isodose surface volume V100%, normalized to planning-aim dose (7 Gy) had tocover at least 90% of the HR-CTV ;

2. The D2cc dose of the OARs had to be below the tolerance dose. For the bladder, thetolerance is 6.3 Gy and for the rectum/sigmoid, 4.5 Gy ;

3. High dose volumes were finally looked at to ensure that the absolute V150 and V200were similar or as low as possible.

4. Dwell times were always present within the tandem to treat the whole uterus. Thedecision to use the tandem in every patient was made when we started to use 3D-based planning at our institution in 2010. It allowed us to maintain a classical pear-shape inspired dose distribution and felt safer because of the lack of contrast betweenthe cervix and corpus on CT. The same reasoning was applied in this study since wecould not differentiate the cervix and corpus on both US and CT.

Treatment plans optimized on CT and CT-3DTAUS were reported on MRI images (CT/MRIand CT-3DTAUS/MRI). Similarly, treatment plans optimized on MRI were also reported onCT and on CT-3DTAUS (MRI/CT and MRI/CT-3DTAUS). Copying the treatment plans onthe other imaging modalities allowed a comparison between the optimizations by applyingthe isodoses planned on an imaging modality on the volumes of another imaging modality.This comparison of the plans was performed using the following dosimetry parameters :V100, D90, D98 and D50. For V100 evaluation, all treatment plans were normalized to theplanning aim dose of 7 Gy as suggested for reporting by the ICRU 89. Those parametersallow the evaluation of dose distributions within the HR-CTVs. For the OARs, the evaluatedparameters were D2cc and D0.1cc for both the bladder and the rectum/sigmoid. In order tocompare the treatment plans to the literature, doses to points H were evaluated for each plan(MRI, CT and CT-3DTAUS).

44

3.4.4 Statistical Analysis

For all datasets, the mean and standard deviation were calculated with Excel 2010 software(Microsoft, Richmond, Washington). In order to compare the distribution to the referencemodality (MRI), a paired t-test was performed for each dosimetry parameter and each ima-ging modality optimization/evaluation group relative to the MRI dataset. This was doneusing the Gnu PSPP statistical software (version 0.10.2, Free Software Foundation).

3.5 Results

At first, a plan optimization was performed on every imaging modality (MRI, CT-3DTAUSand CT). MRI plans have the highest V100 coverage (Table 3.1), and CT plans, the lowest.Since the first optimization rule specifies that V100 has to be above 90%, all optimizationsobtained this minimum target coverage. V100 values obtained for CT-3DTAUS treatmentplans were between the values obtaines with MRI and CT. The prescribed dose, D90, showeda tendency similar to that of V100, being 1 Gy lower for CT-3DTAUS and 1.2 Gy lower forCT plans compared to MRI. Point H doses, normalized to planning-aim dose, were higherof 6.5% for CT plans and 3.2% for CT-3DTAUS plans when compared to the ones on MRI.

TABLE 3.1 – Mean and standard deviation of the dosimetry index to evaluate the treatmentplan optimized (A) and evaluated (B) on the imaging modalities (A/B). V100 is normalizedto planning-aim dose (7 Gy).

Optimized/Evaluated V100 D90 D98 D50 Point H(%) (Gy) (Gy) Gy (%)

MRI 98.7 ± 1.4 8.5 ± 0.5 7.3 ± 0.5 12.8 ± 1.1 82.9 ± 18.9[97 − 100]1 [7.9 − 9.0] [6.7 − 7.9] [11.7 − 14.0] [64 − 111]

CT-3DTAUS 95.0 ± 2.3∗∗∗ 7.5 ± 0.3∗∗∗ 6.6 ± 0.3∗ 10.9 ± 0.6∗ 86.0 ± 15.0[92 − 97] [7.2 − 7.9] [6.2 − 6.9] [10.3 − 11.7] [69 − 107]

CT 92.9 ± 3.5∗ 7.3 ± 0.4∗∗∗ 6.4 ± 0.3∗ 10.8 ± 0.6 89.3 ± 11.5[90 − 97] [7.0 − 7.8] [6.1 − 6.8] [10.2 − 11.7] [84 − 104]

CT-3DTAUS / MRI 97.7 ± 1.7 8.7 ± 1.3 7.3 ± 1.1 12.8 ± 1.4 -[96 − 100] [7.7 − 10.9] [6.5 − 9.2] [11.4 − 14.8]

CT / MRI 98.8 ± 2.2 9.5 ± 1.4 8.0 ± 1.1 14.0 ± 1.7 -[95 − 100] [7.8 − 10.8] [6.3 − 9.4] [12.2 − 16.4]

MRI / CT-3DTAUS 92.7 ± 7.8 7.5 ± 0.∗∗ 6.6 ± 0.9 11.0 ± 1.2∗∗∗ -[80 − 100] [6.2 − 8.8] [5.3 − 7.8] [9.2 − 12.6]

MRI / CT 85.1 ± 7.9∗ 6.7 ± 0.6∗∗ 5.8 ± 0.6∗ 9.9 ± 0.9 -[77 − 95] [6.0 − 7.5] [5.1 − 6.7] [8.8 − 11.0]

∗p ≤ 0.05∗∗p ≤ 0.01∗∗∗p ≤ 0.0051 Range has been added for the master report.

45

CT/MRI and CT-3DTAUS/MRI V100 values were comparable to MRI V100 (Table 3.1) witha variation of less than 1% for CT and CT-3DTAUS (p-value of 0.978 and 0.274 respectively).Mean prescribed dose varied up to 1 Gy for treatment plan optimized on CT compared to0.2 Gy for treatment plans optimized on CT-3DTAUS. However, neither distribution wasstatistically different from the treatment plans optimized on MRI with a p-value of 0.123 forCT and 0.789 for CT-3DTAUS.

MRI treatment plans were also reported on the other imaging modalities. A typical caseand an extreme one are presented on Figure 3.1 and Figure 3.2. MRI copied treatment plansshowed a decreased V100 when they were evaluated on CT-3DTAUS (6%) and CT (13%). Thedecrease was twice as large on CT than on CT-3DTAUS. Only 2 out of 5 MRI/CT treatmentplans were above the 90% V100 guideline. For CT-3DTAUS/MRI 4 out of 5 were above thatthreshold. Prescribed dose decreased by 1.8 Gy on average when MRI optimized treatmentplans were evaluated on CT and 1 Gy on CT-3DTAUS.

OARs doses were also looked at (Table 3.2). Bladder doses were all statistically equivalent,except for CT/MRI (p<0.05). Considering the bladder dose for treatment plans reported onMRI, 3 out of 5 CT plans had D2cc bladder dose above dose tolerance (6.3 Gy) compared to1 out of 5 for CT-3DTAUS plans. For rectum/sigmoid doses, all distributions were statisti-cally equivalent. However, when considering the average D2cc, these are clinically different.When treatment plans are evaluated on the same imaging modality then the one on whichthe optimizatation was performed, only 1 out of 5 patients on CT had D2cc above tolerance(4.5 Gy). However when the same plans were reported on MRI, the average D2cc remainedthe same, but 1 out of 5 patient had a D2cc above tolerance for the CT-3DTAUS plans, increa-sing to 2 out of 5 for CT plans. An increase on the average rectum/sigmoid D2cc was alsoobserved when the MRI plans were reported on CT (+0.6 Gy) and CT-3DTAUS (+1 Gy).

3.6 Discussion

Considering the V100 isodose surface volume and OARs doses, all treatment plans opti-mized independently on their own imaging modalities lead to acceptable clinical plans, asexpected. However, MR-based planning allows for improved coverage of the target volumewhile reducing dose to the OARs when compared to other optimizations. Viswanathan etal. [16] reached the same conclusions while comparing treatment plans optimized on MRIand on CT. However, CT remains the most widely used clinical imaging modality in 3D cer-vical cancer brachytherapy. This work shows that the addition of ultrasound imaging canimprove CT treatment plan optimization. When compared to CT-based planning, treatmentplans obtained by combining 3DTAUS and CT (CT-3DTAUS) are closer to the plans obtai-ned using MRI. The fusion of 3DTAUS with CT improves target definition over CT alone.The improvement of target definition using a different US technology, namely 3DTRUS, was

46

FIGURE 3.1 – MRI treatment plans evaluated on each imaging modality (MRI : first line, CT-3DTAUS : second line, CT : third line and 3DTAUS : fourth line) for a patient for which theMRI allowed small improvements compared to CT plans.Isodose’s line are normalized tothe planning-aim dose 7 Gy (purple-grey : 200% ; dark blue : 175% ; blue : 150% ; yellow :125% ; red : 100% ; dark blue : 90% ; green : 75%).

47

TABLE 3.2 – Mean and standard deviation of dose (Gy) to 2cc and 0.1cc bladder and rec-tum/sigmoid volume for treatment plan optimization made on imaging modality A andevaluated on modality B (A/B).

Optimized/Evaluated Bladder Rectum/SigmoidD2cc D0.1cc D2cc D1cc(Gy) (Gy) (Gy) (Gy)

MRI 5.4 ± 0.9 7.1 ± 1.0 3.5 ± 1.2 4.2 ± 1.5[4.3 − 6.3] [6.0 − 8.6] [1.4 − 4.5] [1.8 − 5.9]

CT-3DTAUS 5.7 ± 0.9 7.0 ± 1.7 4.0 ± 0.5 5.2 ± 1.0[4.3 − 6.3] [4.3 − 8.6] [3.8 − 4.5] [4.6 − 7.0]

CT 5.9 ± 0.5∗ 7.9 ± 1.1 4.5 ± 0.7 5.9 ± 1.6[5.1 − 6.3] [6.2 − 8.8] [3.7 − 5.7] [4.6 − 8.6]

CT-3DTAUS / MRI 5.5 ± 1.3 7.1 ± 1.5 3.5 ± 1.2 4.6 ± 1.5[3.6 − 6.2] [4.9 − 8.6] [1.5 − 4.6] [2.0 − 6.0]

CT / MRI 5.9 ± 1.0∗ 7.8 ± 1.1∗ 3.8 ± 1.2 5.0 ± 1.8[4.7 − 6.8] [6.9 − 9.4] [1.8 − 4.8] [2.4 − 6.8]

MRI / CT-3DTAUS 5.2 ± 1.3 7.2 ± 1.2 4.4 ± 0.7 5.3 ± 1.7[3.1 − 6.6] [6.0 − 8.5] [3.5 − 5.1] [3.9 − 8.3]

MRI / CT 5.4 ± 0.7 7.1 ± 1.1 4.1 ± 0.7 5.3 ± 1.3[4.9 − 6.6] [5.9 − 8.4] [3.3 − 5.1] [4.1 − 7.5]

∗p ≤ 0.05

previously demonstrated by Schmid et al. [17]. When compared to MRI, 3DTRUS shows si-milar cervix dimensions while CT tends to overestimate them. Van Dyk et al. [19] has alsoillustrated the similarity between MRI and 2DTAUS cervix measurements. Due to acous-tic impedance variations, 3DTAUS imaging improves soft tissue interface visualization, aninformation difficult to obtain from CT. In our experience, CT provides key anatomical infor-mation regarding organs at risk localization and eases applicator placement, while 3DTAUSimaging improves HR-CTV definition.

Since 3D planning is based on volumes, the variations in delineated volumes between ima-ging modalities resulted in variations in dose distributions. HR-CTV contours on MRI (19 ±7cc) are smaller than the ones on CT-3DTAUS (27 ± 11cc) and CT (35 ± 6cc). Target coverageis therefore increased for those smaller volumes while doses to point H are lower. MRI-delineated smaller volumes allow an average V100 coverage of 98% regardless of the ima-ging modality used for dose optimization. However, the D90 values and doses to point Hare quite different between treatment plans. CT and CT-3DTAUS optimization were madeon larger volumes. When these plans were reevaluated based on MRI, more dose was givento smaller volumes resulting in higher prescribed dose. Point H, normalized to planning-aim dose, and prescription dose D90, for treatment plans copied on MRI, are smaller onMR-based plan than on CT-based or CT-3DTAUS-based plans. This indicates that a lowerabsolute dose is given to the patient when MR-based planning is used.

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The impact of the absolute dose reduction in MRI treatment plans is observed on the MRI/CT-3DTAUS and MRI/CT plans. A significant decrease of the V100 when MR-based planningis reported on CT (13%) demonstrates the impact of HR-CTV overestimation on CT. Whenthe information provided by the 3DTAUS was added to CT for volume delineation, the V100decrease was reduced to 6% because of a target volume closer to the one delineated on MRI.Therefore, the use of CT-3DTAUS can achieve treatment plans closer to MR-based planningwhen compared to CT.

For OARs, optimizing on CT contours with larger HR-CTVs results in increased absolutedose delivered and thus higher dose given to the OARs. Clinically, there is a relation bet-ween the dose given to those organs and the incidence of side effects [39]. For all treatmentplans optimized on the various imaging modality but evaluated on MRI, the MR-based planis the one with the lowest dose to the OARs and the CT-based plan is the one with the hi-ghest dose. OARs sparing is easier on MRI because of the smaller target volumes. Indeed,rectum/sigmoid D2cc increases for CT-3DTAUS-based (+0.6 Gy) and CT-based (+1 Gy) treat-ment plans compared to MRI-based plans. Conversely, for MR-based plans evaluated onthe 3 imaging modalities, bladder and rectum/sigmoid D2cc are not statistically different(p>0.05). However, the reported mean dose to the rectum/sigmoid increases with the MRItreatment plan evaluated on CT-3DTAUS (+0.9 Gy) and CT (+0.6 Gy). The filling of the blad-der is controlled for each imaging modality, and is partly reproducible between all imagingmodalities, which is not the case for the rectum. MRI is usually acquired 1–2 hours after CTand 3DTAUS since the patient has to be awakened and moved to the imaging departmentfor access to the MRI. In this case, a systematic variation of the rectum and sigmoid fillingcould explain some of the dose variation. In addition, rectum/sigmoid contours were wi-der on CT and CT-3DTAUS relative to the MRI ones, and thus bring the contours closer tothe target, leading to higher D2cc. The various imaging modalities used in this study havedifferent resolution and this might partly explain some of the observed differences in vo-lumes. Considering the HR-CTV improved coverage, due to reduced overestimation, andreduction of the OARs dose, the CT-3DTAUS seems to be the perfect compromise betweenthe MRI-based and CT–based treatment planning.

Another possible benefit of CT-3DTAUS-based treatment planning could be its efficiency.A CT-3DTAUS-based treatment planning workflow was developed and tested in parallel ofMRI-based treatment planning. The final workflow using the 3DTAUS is presented in Figure3.3. Since the MRI isn’t located within our radiotherapy department, the workflow using theMRI is more complicated for the clinic staff and for the patient. Without MRI, the scheduleis not influenced by imaging department constraints. With the CT-3DTAUS workflow, thepatient stays on the treatment table throughout the whole procedure, from insertion to dosedelivery, and is not moved accros the hospital to the imaging department Furthermore, theimage acquisition is shorter with 3DTAUS and CT when compared to MRI. A significant

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gain in total procedural time, which still needs to be quantified, can be expected from sucha workflow. A shorter lapse of time between imaging and dose delivery could theoreticallymean less movement of the OARs (bladder and rectum filling). This might result in a morereliable evaluation of the dose delivered to the OARs.

The number of patients (n=5) in the case report is a known limitation of this exploratory do-simetry study. While the addition of 3DTAUS to CT appears to lead to improved treatmentplans, the cohort size is too small to draw definitive conclusions. Nonetheless, we believethat our work is in line with previously reported clinical data confirming the clinical use-fulness of ultrasound, in particular this state-of-the-art 3D transabdominal technology, fortreatment planning in cervical cancer brachytherapy [18, 19]. Further investigation is neededto confirm the usefulness of 3DUS in GYN brachytherapy, not only for real-time guidance,but also as an additional imaging modality to supplement MRI and/or CT imaging in an ef-fort to improve volumetric treatment planning. Also of interest is the more general questionof pros and cons of using 3DTAUS, as in this study, vs. TRUS used in the recent study by theVienna group.

3.7 Conclusion

The use 3DTAUS combined with CT images in 3D-IGABT results in improved treatmentplans when compared to those obtained on CT alone. CT-3DTAUS-based plans are closerto MRI-based plans when compared to CT-based plans. Even though further studies areneeded, CT-3DTAUS could be an alternative to MRI-based planning with a fluent clinicalworkflow.

3.8 Acknowledgements

This work was supported in part by a research grant from Elekta and from The NationalSciences and Engineering Research Council (NSERC) of Canada via the NSERC-Elekta In-dustrial Research Chair. We wish to acknowledge Martin Lachaine, Fabienne Lathuilière andMichelle Boyce from Elekta Canada and Jan de Becker, Paul Krechting and Cor van de Wardtfrom Elekta Netherlands for technical and engineering support during this project.

3.9 Conflict of Interest

This study was supported in part by Elekta.

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FIGURE 3.2 – MRI treatment plans evaluated on each imaging modality (MRI : first line, CT-3DTAUS : second line, CT : third line and 3DTAUS : fourth line) for a patient with importantcontour variations between imaging modalities. The plan based on CT-3DTAUS imaging iscloser to the MRI-based plan when compared to CT. Isodose’s line are normalized to theplanning-aim dose 7 Gy (purple-grey : 200% ; dark blue : 175% ; blue : 150% ; yellow : 125% ;red : 100% ; dark blue : 90% ; green : 75%).

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FIGURE 3.3 – Clinical workflows of MRI based and CT-3DTAUS-based treatment planning. *In the case of MRI is located outside the brachytherapy room or even the radiation oncolocydepartment, patient transportation across the department or hospital has to be planned.

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Conclusion

L’objectif du présent projet était de déterminer le potentiel clinique du prototype de la sondeClarity AutoScan pour son utilisation lors des traitements de curiethérapie pour le cancerdu col utérin. Plusieurs éléments devaient être étudiés afin d’évaluer l’efficacité et la perti-nence de l’utilisation de la sonde en milieu clinique. Le premier élément avait pour but dedéterminer si la sonde pouvait être utilisée seule ou si elle devait être combinée à un TDM.Le premier élément était l’analyse des contours, sur 3DTAUS. Le but de cette analyse était dedéterminer si le HR-CTV pouvait être adéquatement délimité sur cette modalité et s’il per-mettait des contours se rapprochant de ceux faits sur IRM comparativement au TDM seul.La deuxième étape était de déterminer si le 3DTAUS permettait de faire de la planification detraitement. Le dernier élément, ressorti au fil des analyses, est l’utilisation seule ou combinéeau TDM selon les circonstances d’utilisation.

L’étude des contours a permis de montrer la courbe d’apprentissage requise pour l’utilisa-tion de la sonde. Une fois cette courbe d’apprentissage surmontée, la sonde offre une bonnevisualisation du HR-CTV ainsi que de la tige se trouvant dans l’utérus. L’étude a montré quele 3DTAUS permet, en moyenne, de délimiter un HR-CTV se rapprochant davantage de ce-lui sur IRM que celui sur TDM, bien que la variation de la différence de volume du HR-CTVentre le 3DTAUS et l’IRM soit plus importante que celle entre le TDM et l’IRM. Cependant,la visibilité réduite de la limite postérieure et le manque d’information sur les OARs ont per-mis de conclure que, pour une planification complète sur volumes 3D, le 3DTAUS doit êtrecombiné au TDM.

Pour un plan de traitement 3D complet, le HR-CTV et les OARs (vessie, rectum et sigmoïde)doivent être délimités afin de mesurer la dose dans ces contours. En raison du manque devisibilité du rectum et du sigmoïde, le 3DTAUS ne peut être utilisé seul. Ces organes setrouvant en postérieur du col utérin, la quantité de signaux échographiques provenant decette région est trop faible pour une visualisation adéquate de ces structures. Pour ce typede dosimétrie, la combinaison au TDM est nécessaire. Le TDM permet d’obtenir l’informa-tion sur les OARs et le 3DTAUS sur le HR-CTV. De plus, le positionnement de la tige estplus aisé sur les images TDM que 3DTAUS en raison du manque de visibilité des ovoïdes.Cependant, l’utilisation du 3DTAUS seul peut être considérée dans le cas où la dosimétrie

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ne serait basée, pour des raisons d’accessibilité à des technologies plus dispendieuses, quesur des radiographies orthogonales. La sonde permet alors de mieux visualiser le HR-CTVet d’adapter la dose en conséquence. Les OARs seront alors uniquement documentés et neserviront pas à contraindre la distribution de dose.

L’ajout du 3DTAUS permet d’améliorer la planification faite sur TDM. En effet, le 3DTAUSpermet une meilleure délimitation du HR-CTV alors que le TDM permet la délimitation desOARs et facilite le positionnement de la tige. Les avantages de ces deux modalités combinéesont permis d’obtenir des plans de traitements plus près de la planification considérée idéale,soit celle sur IRM. Les plans faits sur le CT-3DTAUS avaient une meilleure couverture et unedose aux OARs moindre comparativement aux plans optimisés sur TDM, se rapprochantainsi de la planification sur IRM. Cette modalité pourrait donc améliorer la dosimétrie faitesur TDM uniquement et ainsi réduire la dose donnée au HR-CTV et aux OARs.

Suite à l’étude clinique de la technologie approuvée par le comité d’éthique, la sonde peutêtre utilisée en milieu clinique. Cependant, en raison du faible nombre de patientes analyséesau cours de cette étude, principalement par le faible nombre de cas durant la période del’étude, une étude à plus grande échelle serait requise. La routine établie permet tout demême de conclure que la sonde peut être utilisée sans alourdir le processus comparativementaux ressources requises pour obtenir une IRM. En effet, l’appareil se trouvant dans un autredépartement de l’Hôtel-Dieu, une plus grande logistique est nécessaire pour l’acquisition del’image idéale. L’ajout du 3DTAUS, se trouvant dans l’unité de curiethérapie de même que leTDM, est une solution rapide, efficace et économique pour tendre vers une dosimétrie faitesur IRM sans toutefois avoir tous ses inconvénients. Suite aux différentes analyses, la sondepourrait être intégrée aux protocoles cliniques.

La prochaine étape de ce projet serait, dans un premier temps, d’augmenter le nombre depatientes dans l’étude afin d’obtenir des conclusions et non de simples tendances. De plus,la sonde ayant montré son potentiel et l’équipe ayant acquis de l’expérience avec la sonde,l’utilisation de la sonde pourrait être envisagée. Cette possibilité avait été écartée au début duprojet ; cependant, en raison l’expérience acquise et l’amélioration de la visibilité par l’ajoutde gel autour des ovoïdes, cette possibilité devrait être explorée de nouveau. Pour commen-cer, les cas avec peu d’aiguilles (une ou deux) pourraient être testés de nouveau. L’utilisationde la sonde dans les cas de traitements interstitiels augmenterait ainsi sa polyvalence.

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