la radiochirurgie : principes

© Masson, Paris, 2004
Neurochirurgie, 2004, 50, n° 2-3, 265-269
L’expérience radiochirurgicale
Aspects techniques
LA RADIOCHIRURGIE : PRINCIPES
D. PORCHERON, J. RÉGIS
Unité de Radiochirurgie Gamma Knife, Service de Neurochirurgie Fonctionnelle et Stéréotaxique,
Hôpital d’Adulte de La Timone, Marseille.
SUMMARY: Radiosurgery: basic principles
D. PORCHERON, J. RÉGIS (Neurochirurgie, 2004, 50,
265-269)
Radiosurgery is a way of treating in-brain lesions which
uses convergence of very thin multiple ionisation beams
in a unique focus point coinciding with the target. This
enables obtaining a therapeutic effect without opening
the skull, and thus avoiding eventual complications or
contraindications of classical neurosurgery. In certain
cases irradiation can be delivered with submillimetric
precision. This particularly new approach is historically
essentially based on the work of the Swedish neurosurgeon Lars Leksell in the 50s. Since that time new
imaging techniques (e.g. digital imaging) have considerably widened indications.
Three ionisation beam sources are generally used in this
context: gamma rays emitted by radioactive cobalt 60
sources for the Gamma Knife, high energy LINAC Xrays modified in comparison to their classical use in external radiation therapy, and, more rarely, protons produced in cyclotrons.
Several teams world-wide are still perfecting and refining
this developing technique.
RÉSUMÉ
La radiochirurgie est une technique de traitement de
certaines lésions intracérébrales qui utilise la convergence de multiples faisceaux de rayonnements ionisants
très fins en un foyer unique coïncidant avec la cible
pour obtenir un effet thérapeutique, avec l’avantage
d’une opération à crâne fermé qui permet d’éviter les
éventuelles complications ou contre-indications de la
neurochirurgie classique. Cette irradiation se pratique
avec une précision parfois sub-millimétrique. Cette approche particulièrement novatrice est historiquement
et pour l’essentiel l’œuvre du neurochirurgien suédois,
Lars Leksell, dans les années 50, avec un essor considérable coïncidant avec l’apparition des techniques d’imagerie médicale moderne, c’est-à-dire numériques. Trois
sources de rayonnement sont principalement mises en
œuvre dans ce contexte : les gamma du cobalt 60 radioactif avec le Gamma Knife, les rayons X de haute
énergie des LINAC modifiés par rapport à leur usage
classique en radiothérapie externe, et, plus rarement,
les protons des cyclotrons. De nombreuses équipes de
par le monde s’emploient à perfectionner et affiner encore cette technique en plein essor.
Key-words: radiosurgery, Gamma Knife, Linac, cyclotron, synchrocyclotron,
protons, Bragg’s peak, stereotactic radiotherapy.
UN PEU D’HISTOIRE…
Historiquement, le concept de radiochirurgie
fait référence à une technique d’irradiation très
précise, utilisant de très fins faisceaux de rayonnements ionisants convergeant sur une cible intracérébrale dont la définition spatiale fait appel à un
repérage en conditions stéréotaxiques.
Ces rayonnements peuvent être :
— de nature électromagnétique : ce sont alors
soit les gamma (γ) émis par des sources radioacti-
ves de cobalt 60, soit les rayons X issus d’accélérateurs linéaires d’électrons ;
— de nature corpusculaire : ce sont les faisceaux de protons générés par un cyclotron.
La première idée de neurochirurgie alternative
à crâne fermé revient à Cornelius A. Tobias et
John H. Lawrence qui, au début des années 50, à
Berkeley, mirent au point une méthode d’hypophysectomie par irradiation multi-faisceaux d’ions
légers sur la selle turcique, au lieu d’une implantation de grains d’yttrium 90 radioactifs.
Tirés à part : D. PORCHERON, Unité de Radiochirurgie Gamma Knife, Service de Neurochirurgie Fonctionnelle et Stéréotaxique, Hôpital d’Adulte de la Timone, 264, boulevard Saint-Pierre, 13385 Marseille Cedex 05.
e-mail : [email protected]
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D. PORCHERON, J. RÉGIS
C’est en 1951 que Lars Leksell proposa le terme
de « radiochirurgie stéréotaxique » avec l’idée de
développer un concept de traitement guidé par
l’image, susceptible d’être utilisé pour de multiples structures cérébrales. Son premier traitement
utilisant une instrumentation stéréotaxique pour
une irradiation multi-faisceaux après repérage par
l’image fût publié, en Suède, quatre ans plus tard :
il s’agissait d’une indication fonctionnelle pour laquelle il utilisa des rayons X de 200 kV.
Cette première tentative de concevoir une
nouvelle radiothérapie de précision constitue une
part des considérables efforts déployés dans le
champ de l’utilisation thérapeutique des rayonnements ionisants pendant toute la première moitié
du XXe siècle, après les découvertes fondamentales de Röntgen, de Becquerel et des Curie.
En 1950, au point de départ de cette aventure,
les rayons X étaient d’un usage courant en radiologie, et le niveau de tolérance des tissus cérébraux vis-à-vis des doses de rayons X délivrés en
radiothérapie commençaient à être connu ; surtout, on découvrit que ce niveau pouvait être
d’autant plus élevé qu’on utilisait des faisceaux de
petites dimensions. Bien sûr, le champ de la radiochirurgie stéréotaxique s’est considérablement
élargi avec l’apparition des nouvelles techniques
d’imagerie numérique : le scanner tout d’abord,
puis l’IRM, l’angiographie numérique, et le PET
enfin. De nos jours, les nouveaux développements
de la radiochirurgie ne sont plus envisageables
sans l’utilisation massive conjointe de toutes ces
modalités d’imagerie.
En 1954, à l’Université d’Uppsala, débutèrent
les premiers essais d’utilisation médicale du faisceau de protons de 185 MeV du synchrocyclotron.
On démontra alors que l’utilisation de telles particules en radiothérapie pouvait être avantageuse
pour certaines tumeurs cancéreuses à cause de la
répartition particulière du dépôt d’énergie des
protons dans la matière ; connue sous le nom de
pic de Bragg. On pensa aussi que de telles propriétés pourraient être mises à profit pour traiter
en conditions stéréotaxiques par des mini-faisceaux des cibles intra-cérébrales. Le premier traitement d’un cancer dans de telles conditions eut
lieu en 1957, année où débuta aussi l’expérimentation animale visant à étudier les radiolésions induites par la radiochirurgie.
C’est en 1958, sur ce même synchrocylotron
d’Uppsala, que purent alors débuter les premiers
essais cliniques radiochirurgicaux sur l’homme : ils
concernèrent une vingtaine de patients, pour la
plupart atteints d’une maladie de Parkinson à un
stade avancé.
Dès 1961, une équipe de l’Université d’Harvard, utilisant un synchrocyclotron générant des
protons de 165 MeV, débuta des traitements de
Neurochirurgie
radiochirurgie sur diverses localisations intracrâniennes et, en particulier, des pathologies hypophysaires. En 1970, 460 patients avaient bénéficié
de cette nouvelle technique, dont la première malformation artério-veineuse le 21 février 1965. Ces
premières médicales furent conduites sur des machines qui, à l’origine, avaient été conçues pour
des besoins de recherche fondamentale en sciences physiques, et petit à petit le cyclotron d’Harvard devint complètement dédié à la recherche
clinique et biomédicale ce qui permit à ses équipes et à celles de l’hôpital de Boston de jouer un
rôle tout à fait prépondérant dans l’utilisation des
faisceaux de protons en radiothérapie conformationnelle et en radiochirurgie pour les lésions cérébrales et les tumeurs de la base du crâne.
Toutefois, ces machines, de part la lourdeur de
l’environnement technique nécessaire à leur mise
en œuvre, induisaient une limitation importante
dans l’offre de soin disponible, et ce, malgré les
résultats très prometteurs des premiers essais pilotes. Cette difficulté favorisa l’émergence d’une
autre solution, plus facile à utiliser dans un milieu
hospitalier habituel. Conçue par Leksell et ses collaborateurs, dont le biophysicien Börje Larsson,
cette nouvelle machine fût nommée « Gamma
Knife I », et fût installée au Sofiahemmet de Stockholm, en décembre 1967. Ce premier prototype
contenait 179 sources de cobalt 60 radioactif délivrant autant de faisceaux de rayonnements γ, tous
concourant en un isocentre unique et répartis selon un secteur hémisphérique de 70° de latitude et
de 160° de longitude. L’idée directrice était d’offrir une méthodologie de traitement de mise en
œuvre aisée au quotidien en milieu hospitalier,
tout en garantissant un degré élevé de précision et
de reproductibilité. À cette époque, d’autres qualités de faisceaux ont été envisagées : électrons ou
photons X de haute énergie produits par des accélérateurs linéaires d’électrons, ou même encore
neutrons rapides, mais les matériels commercialement disponibles alors ne permettaient pas d’envisager le haut degré de précision retenu comme
spécification de base. Leksell avait besoin d’un
appareil d’usage commode pour pouvoir continuer ses recherches cliniques. C’est ainsi que l’expérimentation continua, de 1968 à 1975, avec le
« Gamma Knife I », essentiellement pour des indications fonctionnelles, mais aussi pour 16 tumeurs
bénignes, 5 tumeurs malignes et 1 MAV dès avant
1971.
À la lumière de la première importante expérience ainsi acquise, une seconde machine
« Gamma Knife II » fût installée en 1975 au Karolinska Sjukhuset de Stockholm, à égale distance du
service de Neurochirurgie et de celui d’OncologieRadiothérapie. Cet appareil était conçu pour utiliser 201 sources de cobalt 60 avec une répartition
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hémisphérique modifiée pour procurer à l’isocentre une répartition de dose plus sphérique (96° de
latitude pour 160° de longitude et une inclinaison
du casque de collimation de 55° sur l’horizontale).
Une troisième version vit ensuite le jour, et fut
commercialisée, sous le nom de « Leksell Gamma
Knife », en hommage à son génial concepteur, décédé en 1986 à l’âge de 78 ans. Il s’agit du modèle
U, qui fut installé à Buenos Aires (1984), puis
dans divers sites hospitaliers en Europe (Sheffield, 1985) et aux États-Unis (Pittsburgh, 1987).
Ce modèle U, livré avec 4 collimateurs de 4, 8 14
et 18 mm, est conçu comme l’élément essentiel
d’un ensemble de radiochirurgie stéréotaxique
complet et livré « clés en main ».
On assista ensuite à une véritable explosion
d’installations de par le monde, avec le modèle B
qui propose une distribution des 201 sources de
cobalt 60 toujours sur un hémisphère mais en
5 couronnes sur 360° dans le plan transverse et 30°
dans le plan sagittal, avec, en outre, une suppression de l’angle du casque de collimation qui,
maintenant, est orthogonal par rapport à l’horizontale. Le Gamma Knife installé en 1992 à Marseille, grâce à l’opiniâtreté du Professeur Robert
Sedan est le 34e dans le monde.
La dernière évolution de cette machine est le
modèle C, distribué à partir de l’an 2000, et qui
ajoute au modèle B des fonctionnalités très importantes d’automatisation des procédures de
traitement grâce à une robotique informatisée.
Les centres déjà équipés du modèle B peuvent le
faire évoluer vers le modèle C. C’est le choix qui
a été fait pour l’appareil de Marseille. Celui de
Lille, installé en 2003, est un modèle C d’origine.
En même temps que la propagation de la technique Gamma Knife s’effectuait de par le monde,
d’autres équipes ont exploré d’autre voies basées
sur l’utilisation d’accélérateurs linéaires pour la
radiothérapie externe. C’est ainsi qu’en 1980-1981
à Buenos Aires, O.O. Betti inventa un système,
après avoir adapté le cadre stéréotaxique de Talairach, conçu une série de collimateurs additionnels, construit un fauteuil orientable dans de
multiples directions pour recevoir le malade et assurer sa contention sous l’appareil quelle que soit
l’incidence du faisceau, et enfin avoir développé
un logiciel spécifique capable de calculer les distributions de dose obtenues avec les mini-faisceaux. Cette méthode fût employée au Brésil de
1982 à 1996, et exportée en France, à Paris en
1986 et à Lille en 1988.
LE GAMMA KNIFE
Il s’agit donc d’un appareil utilisant des sources
radioactives de cobalt 60 dont les rayons γ ont une
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énergie moyenne de 1,25 MeV très suffisante pour
irradier dans de bonne conditions les lésions les
plus profondes de l’encéphale. Ces 201 sources de
1 mm de diamètre sur 20 mm de haut pour une activité de 30 curies (1.10 x 1012 Bq) environ chacune sont réparties à la face postérieure d’une
demi-sphère jouant le rôle de collimation primaire. Le tout est contenu dans une unité d’irradiation en plomb et acier, d’un poids de 18 tonnes,
qui assure la radioprotection de l’ensemble et
s’ouvre sur l’extérieur par deux portes demi-cylindriques. Le système est complété dans l’axe de ces
portes par un lit coulissant qui reçoit le patient et
supporte une demi-sphère de collimation secondaire qui vient exactement s’emboîter dans la collimation primaire interne lorsqu’on est en position
d’irradiation. Les faisceaux convergent tous à
l’isocentre de la collimation en donnant une distribution de dose approximativement sphérique. Les
formats disponibles sont : 4, 8, 14, et 18 mm de
diamètre pour une distance source-isocentre de
40 cm, ce qui assure, avec des sources neuves, un
débit de dose au foyer compris entre 3 et 4 Gy/
min. Il est possible de substituer aux collimateurs
finaux de chaque canal un bouchon en tungstène
qui permet une occultation complète des rayonnements issus de la source correspondante. Cette
obturation réalisée selon des schémas pré-calculés
est utile pour déformer la distribution de dose initiale pour une meilleure conformation au volume
cible à irradier ou pour protéger des organes à risque se trouvant sur le trajet de ces rayonnements.
La qualité essentielle de cet appareil est qu’il
ne comporte aucune pièce mobile pendant l’irradiation ce qui lui confère de grandes qualités de
sécurité, de stabilité et de précision.
De part sa conception, la radiochirurgie
Gamma Knife ne permet de couvrir une lésion de
façon homogène qu’au moyen d’une irradiation
multi-isocentrique dont les modalités pratiques
sont pré-calculées à l’aide d’un logiciel dédié capable de gérer toutes les modalités d’imagerie
pour concevoir une distribution de dose totalement conformationnelle au volume cible sur l’isodose de référence choisie — 50 % dans la très
grande majorité des cas —. Lorsque cette procédure est achevée, le transfert du protocole vers le
Gamma Knife s’effectue par le biais d’un réseau
local. Le patient est solidarisé à l’appareil par l’intermédiaire du cadre de Leksell dont il est porteur, celui-ci venant se fixer entre les deux parties
du robot de déplacement dénommé APS (Automatic Positionning System). Ce dernier assurera
le positionnement précis — au 1/10 mm près — de
la tête du patient pour atteindre les différentes
coordonnées X, Y, Z, des « tirs » successifs prévus
par le plan de traitement. En cas d’impossibilité
technique d’atteindre une cible, on conserve tou-
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D. PORCHERON, J. RÉGIS
jours la faculté d’avoir recours à une procédure de
traitement manuelle avec ou non un positionnement du patient différent du décubitus dorsal habituel.
L’ensemble des procédures est contrôlé depuis l’extérieur de la salle de traitement pour une
console regroupant toutes les commandes et les
sécurités et qui assure aussi une communication
audio/vidéo avec le patient.
L’appareil doit, bien entendu être installé dans
une salle de traitement appropriée et radioprotégée.
De par sa conception, même le Gamma Knife
est exclusivement dédié à la radiochirurgie, c’està-dire à un traitement en séance unique, d’autant
plus qu’il impose l’emploi d’un cadre de stéréotaxie invasif et même si des traitements sur 5
séances en 5 jours ont été publiés, sans dépose du
cadre de Leksell, bien entendu, puisqu’il n’est pas
repositionnable.
L’ACCÉLÉRATEUR LINÉAIRE
D’ÉLECTRONS
Comme nous l’avons déjà évoqué, il est parfaitement possible d’utiliser pour la radiochirurgie
les accélérateurs linéaires d’électrons (souvent désignés par le terme LINAC, contraction de l’anglais LINear ACcelerator), présents dans la
plupart des services de Radiothérapie. On les utilise alors en régime de fonctionnement rayons X,
avec une énergie comprise entre 4 et 6 MV. Cependant, ces appareils doivent alors être équipés
d’adaptations particulières, dont il existe plusieurs
variantes sur le marché, pour les rendre aptes à
cet usage. En particulier, il faut ajouter sous le
collimateur principal une collimation additionnelle délimitant des mini-faisceaux le plus souvent
de forme circulaire. Il est souvent nécessaire
d’adopter un système de maintien de la tête du
patient et de son cadre indépendant de la table de
traitement habituelle car cette dernière ne présente pas des qualités de rigidité mécanique suffisantes pour la précision requise. En général,
l’irradiation est réalisée selon de multiples arcs
centrés sur un même isocentre et parcourus par
une combinaison appropriée de rotations du pied
du lit de traitement et du statif de l’appareil luimême. Dans ces techniques, l’irradiation multiisocentrique reste une exception car la diversité
des diamètres de champs disponibles est plus
grande que pour le Gamma Knife. Bien entendu,
là encore un logiciel approprié de calcul dosimétrique permettra de réaliser un planning prévisionnel avant le traitement proprement dit.
Tous les centres français qui pratiquent la radiochirurgie LINAC le font avec un « LINAC
Neurochirurgie
adapté », au sens du rapport de l’ANAES publié
sur la question en 2000. Il s’agit de machines utilisées en routine pour les traitements de radiothérapie et qui, le moment venu, reçoivent les
adaptations nécessaires pour la pratique de la radiochirurgie (collimation additionnelle, contention
du patient…) sachant que, avant tout traitement, il
faudra réaliser une procédure de contrôle de
qualité permettant une vérification complète du
système. Dans ce contexte, les constructeurs proposent aussi des « LINAC modifiés » qui sont des
machines de radiothérapie construites en usine
pour un usage exclusif en radiochirurgie : collimateur approprié, rigidité mécanique et précision des
mouvements améliorés… Cette catégorie n’est
pas, à ce jour, représentée en France. Il existe enfin des « LINAC dédiés vrais » dont toutes les caractéristiques sont, dès la construction, orientées
vers un usage exclusif pour la radiochirurgie et qui
utilisent une section accélératrice délivrant des
rayons X. Il s’agit le plus souvent de quasi-prototypes innovants, conçus et utilisés aux États-Unis :
on peut citer le Neurotron qui utilise un LINAC
monté au bout d’un bras robotisé à 6 degrés de liberté ; le Nomos Peacock qui utilise un micro-collimateur multilames complexe pour obtenir ainsi
une modulation d’intensité des rayonnements X ;
la tomothérapie qui embarque, sur un statif de
scanner et à 90° par rapport au couple tube X —
barettes de détecteurs, une mini-section accélératrice, l’irradiation étant alors délivrée selon une
géométrie similaire à celle des scanner spiralés
modernes.
Pour être complet, les équipes mettant en œuvre la radiochirurgie LINAC orientent souvent
leurs voies d’expérimentation vers la radiothérapie « en conditions stéréotaxiques », c’est-à-dire
vers des traitements fractionnés dont le choix est
dicté par des considérations d’ordre radiobiologique et pour lesquels on privilégie l’usage de « cadres » non invasifs ; on peut considérer alors
qu’on quitte le domaine de la radiochirurgie pour
celui de la radio-thérapie de grande précision.
LES AUTRES TECHNIQUES
DE RADIOCHIRURGIE
Comme nous l’avons déjà dit, la principale justification de l’usage des protons pour la radiochirurgie est le pic de Bragg qui permet un dépôt
d’énergie maximal à une profondeur donnée,
fonction de l’énergie des particules incidentes,
avec une très faible pénombre latérale et donc
une épargne très importante des tissus sains environnants, pour peu que l’on choisisse une balistique d’irradiation appropriée. Les cyclotrons
générateurs sont presque toujours des machines
Vol. 50, n° 2-3, 2004
très imposantes dont le faisceau a une orientation
fixe dans l’espace. C’est pourquoi il faut concevoir
des systèmes particuliers de contention du patient,
souvent à base de masques thermoformables,
mais parfois aussi de cadres invasifs, qui permettent également d’orienter ce patient convenablement par rapport au faisceau avec une précision
millimétrique. Enfin, les cibles en pathologies humaines, étant de forme non sphérique, souvent
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complexes, obligent à la recherche d’une
meilleure conformité, au recours à des « modulateurs », source de dégradation des caractéristiques
si séduisantes des faisceaux de protons.
Les centres pratiquant ces techniques sont peu
nombreux dans le monde, tout au plus une vingtaine. En France, seul le Centre de Protonthérapie d’Orsay (CPO) peut se prévaloir d’une
expérience dans ce domaine.