IMAGERIE DE CONTRÔLE

La radiothérapie guidée par l’image
I.G.R.T
F.Lafay - Centre Léon Bérard - Lyon
Le service de radiothérapie (1)
• 2500 traitements par an
•
•
•
•
•
6 médecins + 6 vacataires
6 physiciens
2 techniciens de maintenance
1 chef manipulateur
12 manipulateurs
Le service de radiothérapie (2)
• 5 accélérateurs dont 4 équipés de
collimateurs multilames
• 5 systèmes d’imagerie portale
• 1 système d’imagerie embarquée type
Cone Beam CT-kV
• photons de 5,6,10 et 18 MV
• électrons de 4 à 20 MeV
Le service de radiothérapie (3)
• 1 scanner Philips Big Bore
– tunnel 85 cm
– 24 rangées de détecteurs solide permettant
l’acquisition simultanée de 16 coupes/rotation sur 24
mm
• 1 système de lasers mobiles Gammex
• 2 consoles de simulation dont 1 dédiée au
scanner + fusion d ’images
• 2 consoles de contourages
• 3 stations de calcul
Développements technologiques
• Techniques d’irradiation sophistiquées :
RTC , IMRT :
– Distribution de dose hautement conformée
aux volumes cibles
– Délivrance de la dose précise et exacte
– Localisation précise et exacte des volumes
cibles et des organes à risque
Besoins de précision et
d’exactitude
• Assouvis par une utilisation de plus en plus accrue de l’image
– Stadification
– Tracé des contours
– Simulation
– Planification
– Contrôle
Préparation
• Meilleure définition
des VC ET OàR
• Prise en compte et/ou
des déplacements:
– diminution des marges
– Meilleure protection
des tissus sains
– Augmentation de la
dose délivrée
contrôle
• Élimination
– D’erreurs
– D’incertitude
L’image et son information
en radiothérapie au cours du temps
4D CT
IRM
PET-CT
Imagerie de référence
2006
2000
Plan de Tt 3D
1990
Simulateur
1980
Cone beam
1970
Image portale
1960
Imagerie de contrôle
1960
• Image planaire 2D par transmission :
appareil de radiologie ou un simulateur
– Localisation des tumeurs
– dessin des champs d’irradiation
• Gammagraphies sous l’accélérateur
– Contrôle de la position des champs
1970
• Utilisation des scanners
– Contours externes des patients
– Reconstruction 3D
– Forme et taille des organes à risques
– Connaissance composition des tissus
traversés
– Introduction coupes dans les TPS
– Calculs informatisés des distribution de dose
1990
• Utilisation des scanners
– Vues depuis la source BEV
– Digital Reconstructed Radiography DRR
– Simulation classique -> simulation virtuelle
– Complexification des techniques d’irradiation
• Introduction de l’imagerie portale
BEV suivant faisceau latéral
Vessie
Rectum
V.S.
Prostate
e9
dos
Iso
5%
Les images de référence
Principe général:
Utilisateurs
Accélérateur
ordinateur
patient
signal
numérique
Table
Rayons X
détecteur
interface
signal physique
Les images portales
numériques (1)
• Réalisées sous l ’appareil de traitement
• contrôle et correction rapide de la position
des champs d ’irradiation avant le
traitement
• images numériques
• réalisation et exploitation facile
Image numérique
• Détecteurs
– Ecrans fluorescents : RX -> lumière
– Chambres d’ionisation : RX -> courant
– Détecteurs solides : RX -> lumière -> courant
• Lumière ou courant
iViewGT Elekta®
AS500 VARIAN®
Une limitation
• Quelle que soit le type d’image portale, mauvais
contraste lié
– à l’énergie des photons incidents
– Diffusion par le patient
• Diffusion compton indépendante des tissus
traversés
• Développement actuel s’oriente vers l’utilisation
de RX d’énergie plus basse
– Tube supplémentaire
– Dégradation de l’énergie
1995-2000
•
•
•
•
Réseaux informatiques
Normes DICOM
Échanges d’image dans l’hôpital
Imagerie multimodale :
– Image CT de référence
– IRM
– PET
DEFINITION
IGRT : Ensemble des techniques d’imagerie (et de traitement
d’image) permettant la quantification, la correction et/ ou la prise
en compte des écarts intervenant à chaque étape du traitement
en radiothérapie complexe (RTC, IMRT, stéréotaxie)
Plan de traitement
Traitement
PRINCIPES
Isodose
95%
cible
OAR
Erreur de repositionnement
Isodose
95%
cible
OAR
Objectifs de la RTC :
- Isodose 95% se
conforme à la forme du VC
- Escalade de dose au VC
- Contrôle tumoral +++
- Protection de l’OAR
Mouvement du VC
Intra-séance et inter-séance
Isodose
95%
cible
Risques :
- Mauvaise couverture de dose du VC
- Surdosage de l’OAR
OAR
Partie 1 :
Utilisation de l’IGRT dans le
définition des volumes cibles
PLAN
L’IGRT et ses principes
Définition des volumes
Imagerie de référence : imagerie 3D multimodale
Scanner 4D
Algorithmes de traitement d’image associés
Critères techniques à retenir pour le choix d’un
scanner 4D
DÉFINITION DES VOLUMES
IGRT permet la personnalisation des
marges de sécurité pour la prise en compte
des erreurs liées au traitement :
ICRU 50&62
• SI : marge d’invasion microscopique
• IM : marge interne
• SM : marge de repositionnement
• marge dosimétrique (pénombre du
faisceau)
IM
SI
SM
IMAGERIE DE RÉFÉRENCE
Elle est 3D, multimodale, et adaptée selon la localisation
but : obtenir une information anatomique et fonctionnelle pour une
définition de volume la plus précise possible
• Scanner 3D : support obligatoire pour pouvoir faire le plan de
Tt => conversion nombre CT/ densité électronique (calcul de
dose)
! attention aux paramètres d’acquisition (ép. cpe, pitch, rotation
du tube) qui peuvent être sources d’artéfacts
• Imagerie multimodale associée :
PET-CT
IRM
spectroIRM
etc….
• Scanner 4D : + dimension temporelle
Images anatomiques
• CT
• IRM : Tumeurs cérébrales, abdominales,
pelviennes
– Nouvelles séquences:
• IRM ciné ultra rapide pour visualiser les mouvements
respiratoires
• IRM fonctionnelle : différencier les zones actives / tumeur ->
meilleure protection
• IRM spectroscopique : analyse in vivo de la concentration de
certains marqueurs -> localisation de la tumeur
• IRM de perfusion -> activité cérébrale
• IRM de diffusion -> reflète la mobilité des molécules d’eau
• US : prostate
IMAGERIE MULTIMODALE : IRM
Délimitation
Fusion IRM/CT pour
le contourage de la prostate
Imagerie biologique
• Reflète l’activité biologique des cellules
• Utilisation de marqueurs spécifiques:
– PET FDG : taux de prolifération cellules
ex : poumons, œsophage
– FLT (fluorothymidine): sein, prostate
– FMISO : hypoxie ex : glioblastome
• Beaucoup de développements en cours à
ce sujet
IMAGERIE MULTIMODALE : PET- CT
CT
Recalage
PET/CT
PET
Contourage des
volumes sur le CT
Résolution spatiale = 4mm
durée de l’examen => flou
faux + et faux -
Détection,
stadification, choix
de stratégie de Tt,
évaluation du Tt
Fusion PET/CT
pour le contourage
d’une tumeur du
poumon
IMAGERIE MULTIMODALE : spectroIRM
Technique capable de détecter des métabolites et des composés
spécifiques des tissus étudiés à partir des protons (résonance)
Information sur le niveau d’altération des métabolites dans la
tumeur => différentiation TS / tumeur => contourage
Gliome : grade et évaluation de réponse à la radioT ou steréotaxie
Pic de Cho >Cr
et NAA dans
les tumeurs
cérébrales
[Chang, Med.Phys.06]
IMAGERIE MULTIMODALE : IRM ET spectroIRM
Prostate : forte concentration de choline => signature d’une tumeur
REF
Tumeur
Concept de Biological Conformal
Radiotherapy
• Prise en compte de l’activité biologique
inhomogène des cellules
• Production d’une distribution de dose non
uniforme
IMAGERIE MULTIMODALE : DÉFINITION DU BTV
Concept du Biological Target Volume, BTV
Aide à la stratégie de Tt et à la personnalisation de la répartition de
la dose (« dose sculpting » en IMRT) => 5ème dimension de la RTE
[Ling, IJROPB00]
ALGORITHMES DE TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIÉS
1. Recalage Rigide :
- Étape préalable à la fusion
- Monomodal (CT/CT) ou Multimodal (CT/IRM)
- Transformation : 3 translations + 3 rotations
(x,y)
ALGORITHMES DE TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIÉS
Fusion CT/CT : évaluation reproductibilité
GTVglobal = U [GTV1+GTV2+GTV3]
GTV scan1
GTVscan2
PTV
ALGORITHMES DE TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIÉS
2. Recalage déformable 3D : permet de relier la position d’un voxel x
avec sa position à l’instant t0 dans l’image suivante à l’instant t au
moyen d’un vecteur de déplacement u(x,t)
x’(x,t) = x+u(x,t)
Image référence - t0-
Image objet - t-
Info :
norme et direction
ALGORITHMES DE TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIÉS
Recalage rigide :
☺ superposer des images de nature différente pour un contourage
plus précis : anatomique et fonctionnelle
modalité d’acquisition : TEP en respiration libre / CT de ref en
blocage respiratoire
Recalage déformable :
☺ déformation automatique de la cible au cours du temps
=> simulation d’un scanner 4D (moins de dose au patient)
☺ définition d’une marge résiduelle de mouvement
☺ Dosimétrie dynamique, Atlas…
Validation encore à développer
2006
IMAGERIE DE RÉFERENCE : SCANNER 4D [1]
Historique : le scanner 4D a été rendu possible avec l’arrivée
des détecteurs matriciels, première application clinique le gating
cardiaque
Scanner 3D + t : acquisition de coupes transverses
synchronisées avec la respiration du patient
• Mode ciné : acquisition de plusieurs coupes à une
même position de table, sur un cycle respiratoire (4s)
• Mode spiralé : acquisition hélicoïdale des coupes
• grande barrette de détection + faible pitch
IMAGERIE DE RÉFERENCE : SCANNER 4D [1]
Types de synchronisation :
• Real Positionning Management (Varian)
• La ceinture avec capteur de pression (Anzai-Siemens) ou capteur
d’élasticité (Pneumochest-Bellows)
• Spiromètre (Dyn’R ou ABC)
IMAGERIE DE RÉFERENCE : SCANNER 4D [2]
Types d’acquisitions :
• Prospective : déclenchements de l’acquisition du CT3D dans
une zone du cycle respiratoire prédéterminée, ex: fin
d’expiration =>1 instant 3D
• Rétrospective : acquisition continue de coupes puis tri en n
instants respiratoires => obtention d’un CT3D correspondant à
chacun des instants respiratoires =>1 CT4D
Tri des coupes
IMAGERIE DE RÉFERENCE : SCANNER 4D [3]
f(t)
Cycle respiratoire
(~ 4 secondes)
Signal
respiratoire
t
1. Acquisition et
reconstruction
classique
de coupes 2D
2. Tri des coupes
Groupes
Fin
Milieu
d’inspiration d’expiration
Fin
d’expiration
Milieu
d’inspiration
3. Empilement
ITV= U [GTV1+GTV2+GTV3+…+GTVn]
IMAGERIE DE RÉFERENCE : SCANNER 4D [4]
Applications :
• Réduction des artéfacts dus au mouvement respiratoire
• Traitement classique : Définition de l’ITV =>information sur le
mouvement de la tumeur à chaque instant du cycle respiratoire
• Traitement Gating : choix d’un instant respiratoire et plan de
Tt
• « dosimétrie cumulée » ou dynamique : Information sur la
déformation du poumon au cours d’un cycle respiratoire : HDV
intégrant le temps
Obtention d’un MODÈLE de MOUVEMENT de la tumeur
en fonction de la respiration
CRITÈRES TECHNIQUES A RETENIR POUR LE SCANNER 4D
Critères d’ordre technique :
Diamètre du tunnel : varie entre 80 et 85cm selon les constructeurs
Tube : vitesse de refroidissement important
Dose patient faible (multicoupes)
Somatom : ∅ du tunnel, tube STRATON et logiciel de dose patient (Siemens)
CRITÈRES TECHNIQUES A RETENIR POUR LE SCANNER 4D
Critères liés au 4D
Résolution spatiale : large barrette d ’acquisistion
de 20 à 29 mm selon les constructeurs
Résolution temporelle : dépendant de la vitesse de rotation du tube qui
doit être de l’ordre de 0,5s/tour
Configuration des détecteurs du Big Bore (Philips)
Partie 2 :
Application de l ’IGRT dans la
localisation du volume cible
pendant les traitements
PLAN
Définitions des erreurs en radiothérapie externe
Les différents types d’imagerie de contrôle
Les logiciels associés
La redéfinition des volumes pour un processus
adaptatif
L’expérience du CLB avec le XVI (Elekta)
DÉFINITION DES ERREURS EN RTE
une erreur systématique correspond à tout écart entre le prévisionnel et le
réalisé qui va se reproduire de séance en séance
une erreur aléatoire intervient de manière tout à fait imprévisible lors de la
séance.
Position moyenne :
Erreur systématique
Mesures :
-IP
- Gammagraphie
- Cone Beam
- scanner
Isocentre prévu lors du
plan de traitement
cercle de rayon = écart type (σ):
Erreur aléatoire
IMAGERIE DE CONTRÔLE
Elle est :
• couplée ou non aux accélérateurs
• kV ou MV
• 2D ou 3D
But : fournir une image du patient sur la table de l’accélérateur
- mise en traitement
- mise en traitement +hebdomadaire
- avant chaque séance
IMAGERIE DE CONTRÔLE MV
1990
• Vérification de l ’isocentre /
structures osseuses
• comparaison avec image de
référence
• rapide et efficace
(10 s ; 2 mm)
• ne permet pas la gestion
des mvts
2000
2006
IMAGERIE DE CONTRÔLE kV : C-arm
1990
2000
- Scopie dissociée de l’accélérateur
Dose patient : 1-3cGy/acquisition
2006
IMAGERIE DE CTRL kV : marqueurs implantés et imagerie kV
1990
2006
2000
- appareil de tracking infra rouge
Ampli de luminance
-marqueurs réfléchissants placés à
la peau -> contrôle des mvts et de
la table
-marqueurs internes (billes d’or de
2mm) -> suivi de la cible
-difficile en imagerie tps réel
-plus facilement en gating avec
suivi marqueurs cutanés:
irradiation qd marqueur est dans
une certaine zone de tolérance
sinon arrêt
Tube RX
Études poumon, foie
[Shirato, IJROPB00]
IMAGERIE DE CONTRÔLE kV : SCANNER EN SALLE
1990
2006
2000
1/ Acquisition CTref =>
marquage de l’isocentre
2/ CT pré-traitement
3/ comparaison avec
l’isocentre du plan de Tt
4/ ajustement ou non de
l’isocentre
5/ rotation de la table
6/ traitement LINAC
Dose patient : 2cGy/séance
Étude mvt inter-séance prostate
[Uematsu, IJROPB96,98,00]
[Wong, IJROPB05]
IMAGERIE DE CONTRÔLE kV : OBI (Varian)
1990
2006
2000
J1
t0
J2
T+2min
- Utilisation 2D (scopie) et 3D
1/ Acquisition des projections
2/ reconstruction 3D
3/ recalage avec le CTref
Étude mvt inter et intra-séance
prostate / billes or
4/ évaluation du déplacement à corriger ou non
[Sorcini, CancerRad06]
IMAGERIE DE CONTRÔLE kV : CONE BEAM CT (Elekta)
1990
2000
- Utilisation 2D (scopie) et 3D
1/ Acquisition des projections
2/ reconstruction 3D
3/ recalage avec le CTref
4/ évaluation du déplacement
à corriger ou non
Cf exp CLB
2006
Image 4D Cone Beam
Simon RIT CLB
• Synchronisation de l’irradiation avec le
cycle respiratoire
– Tracking : suivi de la cible
– Gating :
• respiration libre
• Respiration bloquée
IMAGERIE DE CONTRÔLE MV : MVCT
1990
2006
2000
1/ acquisition de projections (IP) sur
200°
2/ reconstruction de l’image CBCT
3/ recalage et fusion avec le CTref
4/ affichages des déplacements
calculés
5/ correction ou non
du positionnement de
la table à distance
[Pouliot, CancerRad,06]
Dose reçue /acquisition 3D :
1-10 cGy
Études poumon, ORL,
prostate, T. paraspinale
IMAGERIE DE CONTRÔLE : TOMOTHÉRAPIE
1990
2000
2006
- scanner couplé à un accélérateur
-rotation continue + translation longitudinale
table -> tt en hélice
-fx collimaté en fx étroit
- IMRT – 6MV – 64 beamlets qui s’activent ou
pas
- image MVCT
[Langen, AAPM06]
Dose reçue /acquisition 3D : 1 cGy
Études ORL, prostate
IMAGERIE DE CONTRÔLE : ARTISTE
1990
2006
2000
MV
kV
Flat panel
Solution ARTISTE de Siemens en cours de développement
IMAGERIE DE CONTRÔLE : autres
Ultrasons transabdominaux
Cyberknife – Tracking de la tumeur
avec marqueurs + imagerie kV on line
Varian US localization system
IMAGERIE DE CONTRÔLE
Critères de choix :
• Intérêt clinique +++
• Facilité d’utilisation
• Qualité de l’image
• dose supplémentaire patient faible
• Technique invasive +/• Encombrement minimal / coût
• DICOM RT
• Stockage des images
OBJECTIFS DE L’IMAGERIE DE CONTRÔLE
Estimation et correction des erreurs
• on line
• off line
Radiothérapie adaptative :
• personnalisation des marges IM et SM au moment du Tt
• redéfinition du volume cible : régression de tumeur en cours de Tt,
amaigrissement du patient
=> nouveau plan de traitement ?
Dosimétrie dynamique : cumul des doses réellement reçue par le
patient
• par l’imagerie 3D quotidienne MV ou CT (conversion densité
électronique)
• par la dose transite issue de l’IP ou du MVCT
DOSIMÉTRIE ADAPTATIVE
[Wong, AAPM05]
DOSIMÉTRIE ADAPTATIVE
- Calcul de la dose sur
l’imagerie Cone Beam
nécessite la corrélation du
niveau de gris CB avec la
densité électronique du
matériau
- Erreur < 3% pour des
acquisitions type prostate et
ORL mais plus importante
dans les cas de poumon
en cours d’étude au CLB
[Xing, Med. Dosi06]
DOSIMÉTRIE DYNAMIQUE
Cumuler des cartographies de dose 3D sur le CRref
J1
CT1
Carte de dose
J2
CT2
Carte de dose
Vecteurs de
déplacements
UTILISATION DU XVI AU CLB : POUMON [1]
Patient atteint d’un adénocarcinome du LSD
Traité en stéréotaxie extracrâniale avec le SBF®
48Gy délivrés en 4 fractions
Étapes :
1/ Acquisition des images CTref au scanner Big Bore (avec le SBF),
ép. de cpe 3mm, mode axial
2/ Plan de Tt, TPS Xio (CMS), algorithme de Superposition
3/ Transfert des données (DRR et CT3D) à l’accélérateur Synergy
4/ MET : acquisition 3D CBCT avec le collimateur adapté
5/ Recalage rigide automatique avec le CTref => estimation du
vecteur de déplacement en X,Y et Z + rotations
6/ acquisition Image portale de contrôle
7/ A chaque séance : Acquisition 3D CBCT et estimation des
déplacements => correction ou non en fonction de l’amplitude
UTILISATION DU XVI AU CLB : POUMON [2]
UTILISATION DU XVI AU CLB : POUMON [3]
Coupe
Coupe
transverse
sagittale
Image
passant
passant
parl’isocentre
l’isocentre
CB par
Image
CTref
Coupe coronale avec le
GTVglobal et le PTV
UTILISATION DU XVI AU CLB : PROSTATE
Acquisition :
FOV Médium
Collimateur 20
CT/CB
M20
Qualité de l’image CB
Acquisition :
FOV Médium
Collimateur 10
M10
UTILISATION DU XVI AU CLB : PROSTATE
Acquisition : M10
Images CB
UTILISATION DU XVI AU CLB : CRÂNE
Patient atteint d’un cancer du sinus maxillaire
UTILISATION DU XVI AU CLB : ETAPES
CONCLUSION
Plus la technique est complexe (hypofractionnée) et les
marges réduites => imagerie de contrôle plus fréquente,
incontournable
Fait partie d’une stratégie de Tt, est personnalisée à la
technique de Tt
Attention à la calibration des imageurs (panneaux de
détecteurs) sinon risque d’introduire des erreurs
=> QUALITÉ IMAGE +++
SYNTHESE
Acqui. Donn.
Anat.
Plan de
traitement
Quantification des
mouvements
internes
Scopie
Scanner 3D
Associé à
BH
expiration et
inspiration
recalage
rigide
Scanner 4D
= Scanner
3D corrélé à
la respiration
Scanners
3D +
recalage
déformable
Mise en
traitement
Quantification des erreurs
de repositionnement
Validation des erreurs de
mouvements internes
Modalité
statique
ITV = excursion
maximale du GTV
ITV = GTVinspiGTVexpi
Marges
Spécifiques et
personnalisées
Dosimétrie
statique
intégrant les
erreurs
moyennes
ITV = U GTV4D
Modalité
dynamique
ITV = U GTV4D
déformés
Dosimétrie
dynamique
intégrant la
variation du
dépôt de dose
avec le
mouvement
respiratoire
Séance en
séance
Image
Portale 2D
Évaluation du
repositionnment/DRR
Erreurs
systématiques
Dose transite
Cône beam
3D
recalage
rigide
recalage
déformable
Évaluation du
repositionnment
GTVMET
Validation des
marges de sécurité
Cône beam
4D
corrélé à la
respiration
recalage
rigide
Évaluation du
repositionnment
ITVMET
Validation des
marges de sécurité
Évaluation
des erreurs
aléatoires
Évaluation
des erreurs
aléatoires
Correction en
temps réel ?
Nouveau plan
de
traitement ?

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