Avis de la SFPM portant sur la dosimétrie in vivo dite « de transit

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Avis de la SFPM portant sur la dosimétrie in vivo dite « de transit
Association régie par la loi du 1er Juillet 1901
Avis de la SFPM portant sur la dosimétrie in vivo dite « de transit »
en radiothérapie externe
Date : 23 décembre 2014
Experts sollicités par la SFPM :
Lucie Berger, CLCC Clermont-Ferrand
Pauline Dupuis, CLCC Lyon
Vincent Marchesi, CLCC Nancy
Relecteurs :
Christine Boutry, Clinique Oncorad Montauban
Pascal François, CHU Poitiers
Sylvain Crespin, CH La Roche-sur-Yon
1. Introduction
L’ASN a sollicité la SFPM afin de connaître la position des professionnels quant à l’utilisation de la
dosimétrie dite « de transit » pour un contrôle de la dose in vivo en radiothérapie (CODEP-DIS-2014029276).
La SFPM a, en retour, sollicité des physiciens médicaux experts dans ce domaine afin de procéder à
un état de l’art de la technique, présenter les solutions disponibles et émettre leurs
recommandations.
2. Contexte
La dosimétrie in vivo (DIV) en radiothérapie consiste en la mesure d’une dose de rayonnement lors
d’une séance de radiothérapie en présence du patient. Cette mesure est obligatoire depuis mai
2011, avec la notion de faisceaux techniquement mesurables, appréciation laissée à la discrétion des
utilisateurs et fait partie des dix-huit critères d’agrément INCa pour la pratique de la radiothérapie.
Bien avant l’obligation de mise en œuvre de la DIV, les professionnels de la physique médicale ont
recommandé son utilisation au sein du processus d’amélioration de la qualité des traitements
délivrés (rapport SFPM n°18 « Guide pour la mise en œuvre en radiothérapie externe de l’assurance
de qualité par mesures in vivo par TLD et semi-conducteurs » 2000 [1], et rapport SFPM/Inca/ASN
« Guide pour la pour la pratique quotidienne de la DIV en radiothérapie externe » 2008 [2]). Pour
aider à la mise en place de la DIV, l’INCa a apporté un soutien financier pour l’acquisition des
systèmes dosimétriques.
Traditionnellement, la DIV est réalisée à l’aide de détecteurs ponctuels placés sur le patient en
entrée et/ou en sortie du faisceau. La diode semi-conductrice est le détecteur le plus répandu. Si
93% de centres sont équipés selon l’observatoire de la radiothérapie 2012 (page 30, paragraphe
4.7.2), une proportion bien plus faible est rapportée quant à son utilisation [3]. Ce détecteur
présente un grand nombre d’avantages dans le cadre d’une utilisation généralisée et fréquente :
robuste, mesure précise et reproductible hormis dans des conditions cliniques ou techniques plus
complexes (obliquité, hétérogénéité, asymétrie importante, champ d’intensité modulée), peu
d’entretien et faible coût. Mais, a contrario, ces détecteurs ponctuels, auxquels on peut ajouter les
MOSFETs, les dosimètres thermo-luminescents (DTL) et les dosimètres à stimulation optique (OSL),
montrent leurs limites dans le cadre des pratiques avancées de radiothérapie telles que les
techniques de modulation d’intensité en champ statique ou par arcs ainsi que la radiothérapie en
conditions stéréotaxiques [4].
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Ces techniques se développent désormais rapidement et la conséquence est qu’une proportion
significative des patients traités ne bénéficie plus de techniques de dosimétrie in vivo, privant les
professionnels d’une barrière de sécurité importante dans le processus d’amélioration et de
maintien de la qualité (d’autres procédures de contrôles, que l’on peut qualifier « in vitro »
permettent néanmoins d’assurer la qualité et la sécurité des traitements réalisés par ces techniques
mais pas dans le cadre de la dosimétrie in vivo).
Les listes ci-dessous résument les principaux avantages et inconvénients des détecteurs traditionnels
ponctuels utilisés pour la dosimétrie in vivo en radiothérapie :
Avantages majeurs :
- Coût faible
- Robuste (diodes surtout)
- Reproductible
- Adapté à la mesure à grande échelle
Inconvénients majeurs :
- Perturbation du faisceau si mesure à l’entrée du faisceau (sous-dosage d’environ 5% à la
profondeur du maximum) et temps de mise en œuvre qui sont des freins à la répétition sur
plusieurs séances de ce type de contrôle (distinguer erreur systématique et aléatoire)
- Nombreux facteurs correctifs de la mesure (dépendance en énergie, DSP, angle du faisceau
etc..)
- Concernant les techniques modernes de radiothérapie (RCMI/VMAT/stéréotaxie) :
o Incertitude sur le positionnement des détecteurs dans le cas des gradients forts
(RCMI et stéréotaxie)
o Incertitudes de mesure trop importantes pour les techniques modernes (toutes)
o Mesure ponctuelle non représentative du traitement délivré (VMAT)
3. Etat de l’art sur la dosimétrie in vivo de transit
La dosimétrie in vivo dite « de transit » (le terme plus approprié serait « de transmission ») à l’aide
des systèmes d’imagerie portale (EPID pour Electronic Portal Imaging Device) permet en théorie de
lever les limitations des détecteurs ponctuels mentionnées précédemment et peut s’appliquer à
toutes les techniques de traitement, sous réserve de pouvoir positionner le système de détection
sans risque de collision pour le patient ou le matériel (seul cas de figure représentant la condition
« techniquement non mesurable » des critères d’agrément). L’intérêt principal pour la réalisation de
la mesure est qu’avec l’imagerie portale il est possible de s’affranchir des difficultés de
positionnement du détecteur sur le point de mesure.
La DIV de transit consiste en la mesure du signal recueilli par le système d’imagerie en sortie du
patient, généralement à distance, puis en la conversion de ce signal mesuré en dose pour, en fin de
processus, pouvoir comparer la dose mesurée à la dose calculée. Il existe deux approches
permettant de corréler la mesure à la dose délivrée au patient. La première approche est une
prédiction de l’image portale en dose derrière le patient et la deuxième approche consiste en une
rétroprojection de la mesure de l’EPID dans le patient (voir schéma ci-dessous) [5, 6].
Méthodologie par prédiction :
Les trois principales étapes pour la prédiction de l’image portale en dose en radiothérapie sont : la
modélisation de l’accélérateur et du faisceau émis, la modélisation du patient pour le calcul de la
dose transmise à travers lui et la modélisation de la réponse de l’EPID. L’image prédite ou calculée
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est comparée directement à l’image acquise en sortie du patient au cours de la séance de
traitement.
Méthodologie par rétroprojection :
La distribution de dose dans le patient est obtenue par rétroprojection dans le patient de la fluence
primaire issue des données mesurées avec l’EPID. Cette méthode permet de comparer les doses
dans le patient calculées par le système de planification de traitement (TPS) et issues des mesures
pendant la séance de traitement. Ces calculs par rétroprojection peuvent être réalisées en 1D (calcul
en un point), en 2D (contrôle faisceau par faisceau) ou en 3D (reconstruction de la dose pour
l’ensemble des faisceaux de traitement).
D’après Thèse L. Berger ([6] figure I.11, p. 36) : Représentation des deux approches utilisées pour pouvoir
comparer la dose au patient calculée par le système de planification de traitement et la mesure de l’EPID
réalisée pendant le traitement.
Revue bibliographique de la DIV de transit :
La revue de la littérature montre la volonté de nombreuses équipes de développer des méthodes de
contrôle de la dose délivrée au patient au moyen de l’imageur portal [7-10]. Cette thématique a
notamment été traitée avec intérêt au niveau français lors de travaux de thèses de doctorat [6, 11,
12].
Bien que l’arrivée sur le marché de logiciels commerciaux intégrant certaines de ces méthodes soit
récente, celles-ci ont été largement testées sur fantôme et sur patient pour les traitements en
technique conformationnelle et de radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité
(RCMI) [7,8].
En effet, le travail de Boissard et al. [13] s’est attaché à déterminer la précision du modèle
développé à l’institut Curie dans le contexte clinique propre à ce centre. L’objectif de cette étude
visait ainsi à définir un seuil de tolérance approprié en tenant compte de l’incertitude globale
combinant les incertitudes liées à la méthode de reconstruction et les incertitudes intrinsèques à la
pratique clinique. Cette étude a montré la robustesse de la méthode pour la détection d’écarts
significatifs de dose de traitement supérieurs à 5% par rapport à la dose prescrite.
L’étude prospective menée par Royer et al. [14] a par ailleurs démontré que la méthode de
dosimétrie in vivo par imageur portal pour les traitements en technique conformationnelle
présentait une précision comparable à celle obtenue avec la méthode par diode, méthode
largement éprouvée par cette équipe. Les résultats obtenus avec les deux techniques étaient très
proches dans cette étude, que ce soit pour les mesures sur fantômes ou pour les mesures sur
patients.
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Pour les techniques de traitement utilisant la modulation d’intensité, la RCMI ou plus récemment
l’arcthérapie volumétrique avec modulation d’intensité (VMAT), la dosimétrie in vivo par imageur
portal est très prometteuse compte tenu de la complexité de ces techniques de traitement et du
nombre de paramètres de traitement à contrôler. Notamment, le VMAT implique la variation de la
vitesse de rotation du bras de l’accélérateur, la modulation du faisceau au moyen du collimateur
multi lames (MLC), et la variation du débit de dose au cours de l’arc. L’EPID est utilisé fréquemment
pour ces techniques lors du contrôle pré traitement des plans de traitements et est de plus en plus
étudié pour le contrôle in vivo en RCMI [7, 13, 14] et en VMAT [15, 16, 17]. Les études proposées
dans ces références ont montré des résultats très satisfaisants que ce soit pour l’évaluation des
traitements RCMI ou VMAT.
Concernant la technique VMAT, certaines équipes travaillent sur l’utilisation des images intégrales
obtenues lors de l’irradiation de l’arc, soit en comparant la dose reconstruite à l’isocentre avec la
dose calculée par le système de planification de traitement (TPS) à l’isocentre [15], soit en
comparant les images intégrales acquises lors du traitement à des images intégrales prédictives [16]
(méthodologie par prédiction). D’autres équipes s’intéressent à la reconstruction de la distribution
de dose 3D délivrée [17]. La distribution de dose reconstruite à partir du scanner à visée
dosimétrique au moyen de l’intégralité des images portales acquises pendant le traitement de l’arc
peut ainsi être comparée à la distribution de dose 3D calculée par le TPS. Cette dernière optique,
très séduisante, permet de réaliser des analyses quantitatives et qualitatives de la réalisation des
traitements, soit en termes d’analyse du gamma-index 3D, soit en termes d’analyse des
histogrammes dose volume (HDV) reconstruits comparativement aux HDV planifiés, soit en
combinant ces deux outils d’analyse [18]. Cependant ces outils ne sont pas encore disponibles dans
tous les logiciels commerciaux et restent limités à un nombre de centres restreint à l’échelle
internationale.
Pour les traitements réalisés en conditions stéréotaxiques, bien que peu d’études soient disponibles
dans la littérature sur cette thématique, il semble que la dosimétrie in vivo par imageur portal soit le
meilleur compromis [19]. La haute résolution du détecteur permet de s’affranchir des effets de
volume partiel déplorés avec les détecteurs classiques quelle que soit la taille des champs
d’irradiation et la position du détecteur en aval du patient permet d’éviter les problématiques de
perturbation du faisceau. Plusieurs équipes s’intéressent désormais à l’utilisation des techniques
VMAT pour les traitements en conditions stéréotaxiques, les avancées dans le domaine de la
dosimétrie in vivo par imageur portal pour les traitements VMAT peuvent donc dans ce cas
bénéficier également aux patients relevant de traitements hautement conformés et
hypofractionnés.
Les machines dédiées TomoTherapy intègrent également un imageur embarqué permettant
d’assurer un contrôle quotidien du positionnement du patient. Cet examen MVCT peut être utilisé
au moyen d’un outil logiciel intégré (Planned Adaptive) pour le calcul quotidien de la distribution de
dose. Cet outil permet donc de contrôler quotidiennement la distribution de dose en tenant compte
de l’évolution de l’anatomie du patient au cours du traitement. Néanmoins, cela n’intègre pas les
incertitudes inhérentes à la réalisation du traitement, le calcul étant réalisé sur le MVCT de
repositionnement et non sur les images acquises pendant l’irradiation du faisceau de traitement. Il
existe peu de références s’intéressant à la dosimétrie de transit à proprement parler en
TomoTherapy. Une étude publiée en 2001 par les concepteurs de TomoTherapy a montré la
faisabilité d’une telle technique [20] et plus récemment, des études non publiées ont été menées sur
l’utilisation du logiciel DosimetryCheck qui offre des perspectives intéressantes pour cette
application.
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4. Perspectives
Comme pour les détecteurs traditionnels, les listes ci-dessous décrivent les principaux avantages et
inconvénients des techniques de dosimétrie in vivo par imagerie transit par EPID, sur la base de
l’expérience des experts rédacteurs de ce texte et sur l’analyse bibliographique.
Avantages :
- Peu de faisceaux non mesurables
- Souplesse dans le choix du point de calcul (1D sur ou hors axe, 2D, 3D)
- Mesures ne perturbant pas le faisceau (détecteur en sortie de faisceaux)
- Système solidaire de la machine permettant une acquisition simple et rapide (pas de temps
supplémentaire pour les manipulateurs) rendant possible les contrôles sur plusieurs séances
- Haute résolution spatiale (intérêt dans les forts gradients)
- Applicable en RCMI/VMAT/stéréotaxie
- Indépendance vis-à-vis de l’opérateur sur le positionnement du détecteur
- Prise en compte de l’anatomie du patient (mesure en sortie du patient)
- Pour les champs d’irradiation dont les dimensions permettent de visualiser les structures
anatomiques (seins, grands champs,…), information simultanée sur la dose et sur le
positionnement du patient : apport d’informations supplémentaires pour l’analyse
Inconvénients :
- Coût du logiciel d’analyse (hors achat du matériel de mesure lié à l’accélérateur)
- Peu de solutions commerciales disponibles
- Lecture légèrement différée avec des temps de calcul non négligeables en fonction de la
précision souhaitée et suivant la solution utilisée (pas de résultat direct disponible pour les
manipulateurs)
- Adaptation d’un système d’imagerie pour la dosimétrie : méthodologie qui utilise beaucoup
de facteurs correctifs (énergie, taille de champ, rayonnement diffusé entre patient et
détecteur, modification rayonnement diffusé, mouvements du détecteur pendant la
rotation, rayonnement rétrodiffusé inhérent au support, variation de réponse de l’imageur
en fonction du débit de dose…) d’où des méthodes de calcul approchées (que l’on retrouve
également pour les détecteurs ponctuels) et très différentes en fonction de la solution
retenue
- Méthodologie encore en développement ou en validation pour les techniques de traitement
les plus avancées (VMAT, tomothérapie hélicoïdale, irradiations en conditions
stéréotaxiques notamment)
- Dispositif embarqué peu sensible aux fluctuations de position ou de vitesse de bras
- Très dépendant du système d’acquisition des images portales : quid si changement de
technologie ? Une des conditions de mise en œuvre est que les constructeurs garantissent
un libre accès aux images (format, export, etc…)
- Incertitude sur la durée de vie des matrices de détecteurs selon les constructeurs
(électronique fragile, cumul de dose important en fonction du nombre de patients contrôlés,
saturation du détecteur pour des débits de dose ou des doses par séance élevés) et la prise
en compte dans le contrat de maintenance
- Logiciel d’exploitation pas toujours adapté, suivant la solution utilisée, pour une utilisation
sur un grand nombre de patients et le suivi statistique des données
- Ne résout pas le problème de la DIV pour les faisceaux d’électrons ni pour des machines très
spécifiques telle que le Cyberknife d’Accuray et Vero de BrainLab
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Limitation due à la taille du détecteur pour la reconstruction en 3D (sauf si on se place
uniquement sur un aspect de sécurité et non de contrôle complet du faisceau)
D’une manière plus générale, les experts estiment que la dosimétrie in vivo de transit par EPID est
une technique prometteuse, encore jeune et qui demandera encore quelques années avant d’arriver
à maturité en termes de mesures, d’algorithmes de reconstruction ou de matériel. On peut imaginer
qu’avec le développement des systèmes d’imagerie kV embarqués (OBI Varian, XVI Elekta…) ou
associés (Exactrac Brainlab) et l’augmentation des traitements modulés ou stéréotaxiques, les
détecteurs MV ne seront pratiquement plus utilisés et pourraient être remplacés par des détecteurs
à part entière permettant de limiter les incertitudes liées au détecteur lui-même, améliorant ainsi la
précision des mesures. Les contrôles pourraient alors être réalisés à chaque séance ce qui ouvre des
perspectives nouvelles très prometteuses. L’apport de la dosimétrie de transit doit permettre un
suivi quotidien de la qualité des traitements, au-delà des résultats in vivo propres au patient (voir
figure ci-dessous). Une démarche d’analyse globale de ces résultats doit permettre d’évaluer la
qualité des traitements délivrés par une machine, la précision des traitements selon les techniques
utilisées et les localisations, le suivi de l’évolution des résultats avec les évolutions du plateau
technique (mises à jour logicielles,…).
Ces mêmes systèmes pourraient alors également servir pour les autres aspects de dosimétrie tels
que le contrôle de qualité des faisceaux.
La dosimétrie in vivo de transit donne aux utilisateurs de nouvelles informations pouvant être
potentiellement difficiles à interpréter. On peut citer par exemple, la présence d’hétérogénéités
tissulaires, la gestion des mouvements physiologiques.
Le futur:
Suivi, analyses and alertes
(Systèmes automatisés)
S u iv i lo n g itu d in a l d o s e a u p o in t d 'in té r ê t
PTV
x
OAR
x
r a p p o r t D m e s /D p r e s c
1 .1 5
1 .1 0
Moyennes
Différences
Tendances
Corrélations
Alertes
Etc….
1 .0 5
1 .0 0
0 .9 5
0 .9 0
0 .8 5
0
Contrôle
séance
5
10
15
20
n ° m e s u re s
25
30
35
Traitement
complet
Machine
Temps
Localisation &
Technique
TPS, R&V
- Mises
à jour
(changements)
Schéma de P. François illustrant l’intérêt d’un contrôle quotidien par dosimétrie in vivo de transit dans la
générale d’amélioration de la qualité des traitements d’un service
1démarche
- -
Solutions commerciales actuellement disponibles pour faire de la DIV de transit
Au moment de la rédaction de ce rapport, deux solutions sont commercialement disponibles, c’està-dire validées pour une utilisation clinique.
La première solution est la suite de logiciels EPIgray produit par la société française Dosisoft SA
(Cachan). La solution est validée pour les techniques de traitements conformationnels et
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conformationnels avec modulation d’intensité. Les techniques de modulation par arcs volumiques
(VMAT) est actuellement en cours de développement et de validation.
La seconde solution disponible est le logiciel DosimetryCheck produit par la société Math
Resolutions LLC (Columbia, USA). Ce logiciel est vendu pour l’ensemble des techniques de
radiothérapie (conformationnelle, modulation d’intensité, VMAT, irradiations en conditions
stéréotaxiques et tomothérapie hélicoïdale) et permet une comparaison des distributions de dose
tri-dimensionnelles.
La société Elekta (Crawley, UK) développe également actuellement une solution dédiée à la
dosimétrie in vivo de transit avec reconstruction en trois dimensions dans le patient. Le produit, issu
des travaux de l’équipe du NKI d’Amsterdam, est pour l’instant en béta-test mais proposé à la vente
et supporte les techniques de radiothérapie conformationnelle, RCMI ou VMAT. La date de sortie du
produit final n’est pas encore connue mais est attendue pour fin d’année 2015.
Selon l’enquête de l’Observatoire National de la Radiothérapie pour l’année 2013 (non diffusé à
l’heure actuelle), 20 établissements déclarent être équipés d’une de ces solutions, soit environ 10%
des établissements.
5. Conclusion
La dosimétrie in vivo dite « de transit » est une méthode prometteuse qui, à terme, pourra
remplacer les autres techniques de dosimétrie in vivo, car elle permettra de combler un manque
pour les techniques modernes de radiothérapie que sont la modulation d’intensité avec ou sans
rotation et la radiothérapie en conditions stéréotaxiques (hors machine dédiée spécifique telle que
le Cyberknife ou Vero). Les experts considèrent que cette technique est actuellement équivalente à
la dosimétrie in vivo classique. En France, quelques équipes l’utilisent déjà avec succès pour les
traitements modulés mais la diffusion reste encore faible.
Elle reste une méthode onéreuse à l’achat comparativement aux méthodes traditionnelles (diodes
ou MOSFET) mais trouve sa rentabilité dans le temps réduit de mise en place du détecteur, et
pourrait, à terme, permettre de s’affranchir des contrôles prétraitement des faisceaux modulés. Elle
reste une technique encore jeune quant aux produits et solutions logicielles disponibles sur le
marché. Les experts recommandent la promotion d’une évaluation médico-technique et
économique de cette technique ainsi des voies de développement et d’évaluation pourraient être
ouvertes via des structures de R&D (laboratoires de recherches en physique médicale, plateforme
DOSEO, etc…). Son développement est à encourager d’autant plus qu’un des rares fournisseurs est
français.
6. Références
[1] Guide SFPM n°18, « Guide pour la mise en œuvre en radiothérapie externe de l’assurance de
qualité par mesures in vivo par TLD et semi-conducteurs », 2000.
[2] Guide SPFM/Inca/ASN « Guide pour la pour la pratique quotidienne de la DIV en radiothérapie
externe », 2008.
[3] Observatoire national de la radiothérapie « Rapport d’enquête : situation fin 2012 et évolution
depuis 2007 » INCa, mai 2014.
[4] Mijnheer B et al. “In vivo dosimetry in external beam radiotherapy”, Med Phys 40 (7), 2013.
[5] Van Elmpt W. et al. « a littérature review of electronic portal imaging for radiotherapy
dosimetry », Radiotherapy and Oncology (88), 2008
[6] Berger L, « Utilisation d’un système d’imagerie portale électronique avec détecteur au silicium
amorphe pour vérifier la dose reçue par les patients en radiothérapie », Thèse 2006
[7] Wendling M. et al. “A simple backprojection algorithm for 3D in vivo EPID dosimetry of IMRT
treatments”, Medical Physics (36), 2009
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[8] François P. et al. “In vivo dose verification from back-projection of a transit dose measurement
on the central axis of photon beams”, Phys Med (27) 2011.
[9] Renner WD “3D dose reconstruction to insure correct external beam treatment of patients”,
Medical dosimetry, (32) 2007.
[10] Fidanzio A et al. “Generalized EPID calibration for in vivo transit dosimetry”, Phys Med (27)
2011.
[11] Boissard P, « Dosimétrie in vivo en radiothérapie externe avec imageurs portals au silicium
amorphe : de la méthode à la validation clinique », Thèse 2012.
[12] Badel JN, « Contrôle dosimétrique des traitements de radiothérapie par simulation Monte Carlo
de l'image de dose portale transmise », 2009.
[13] Boissard P et al. « Evaluation et mise en œuvre de la dosimétrie in vivo de transmission par
imageurs portals », Cancer/Radiothérapie (17), 2011.
[14] Royer et al. « Évaluation d’une dosimétrie in vivo de transit utilisant l’imageur portal et
comparaison avec les mesures par diodes », Cancer/Radiothérapie (18), 2013.
[15] Fidanzio A. et al. “Quasi real time in vivo dosimetry for VMAT”, Medical Physics (41), 2014.
[16] Bedford R. et al. “Portal dosimetry for VMAT using integrated images obtained during
treatment”, Medical Physics (41) 2014.
[17] Mans A. et al. “3D dosimetric verification of volumetric-modulated arc therapy by portal
dosimetry”, Radiotherapy and Oncology (94), 2010.
[18] Rozendaal R. et al. "n vivo portal dosimetry for head and neck VMAT and lung IMRT: γ-analysis
with differences in dose-volume histograms of the PTV”, Radiotherapy and Oncology, 2014.
[19] van Elmpt et al. “3D dose delivery verification using repeated cone-beam imaging and EPID
dosimetry for stereotactic body radiotherapy of non-small cell lung cancer”, Radiotherapy and
Oncology, 2009.
[20] Kapatoes J. M. et al. “A feasible methode for clinical delivery verification and dose
reconstruction in tomotherapy”, Medical Physics, 2001.
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