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]. Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 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 Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 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. Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 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. Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 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 Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 - 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 Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 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 Siège social: Centre Antoine Béclère, rue des Saint Pères, 75270 Paris Cedex 06 N° SIREN : 412 966 228 - N° SIRET : 412 966 228 00022 - Code APE : 7219Z Organisme de formation agrée n°11 75 08376 75 Association régie par la loi du 1er Juillet 1901 [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. 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