[séminaire] Instrumentation et modélisation pour les radiothérapies innovantes

by Sara Marcatili (LPSC)

Tuesday 5 Dec 2017, 11:00 → 12:00 Europe/Paris

Grand amphi (LPSC)

La radiothérapie externe par rayons X est actuellement le traitement de choix pour environ 50% des patients atteints de cancer. Au cours des 20 dernières années, les progrès réalisés dans la conception des accélérateurs, le développement des détecteurs et la modélisation dosimétrique ont permis d'atteindre un très haut niveau de précision dans la délivrance des traitements (2-3%). De nos jours, de nouvelles formes de radiothérapies émergentes sont prometteuses pour des cas cliniques qui ne bénéficieraient pas d'une approche standard. Cependant, pour beaucoup d’entre elles, ces techniques sont encore loin d'atteindre le même niveau de précision dosimétrique. C'est par exemple le cas de la Radiothérapie Interne Vectorisée (RIV), dans laquelle un produit pharmaceutique radioactif est injecté au patient pour le traitement de maladies diffuses et non opérables. Dans un contexte où une mesure directe de la dose n'est pas possible puisque la source radioactive est internalisée, la modélisation du dépôt d'énergie dans les tissus biologiques est primordiale pour la définition d’une relation dose absorbée-effet et pour la personnalisation du traitement. Dans ce but, le développement des détecteurs gamma (par ex. la TEP) et la modélisation Monte-Carlo de l'anatomie humaine jouent un rôle crucial dans l'optimisation de la RIV. De même, en hadronthérapie, la détermination de la dose absorbée par le patient n'est pas évidente, car le rayonnement primaire est absorbé dans la tumeur. Une approche possible pour réduire les incertitudes de traitement est, dans ce cas, le monitorage en temps réel du parcours de l’ion primaire grâce à la détection des rayonnements secondaires prompts résultant de réactions nucléaires à l'intérieur du patient. A travers une sélection d'exemples et d'applications, je vais donner un aperçu de la façon dont les différentes techniques et les développements de détecteurs issus de la recherche en physique de particules et nucléaire peuvent être bénéfiques pour le progrès de la radiothérapie. En particulier, je présenterai les efforts déployés pour augmenter la précision de la dosimétrie en RIV en utilisant différentes approches Monte Carlo et une méthode de résolution adaptative. Un concept récurrent dans ces travaux sera l'accent mis sur le caractère pénétrant ou non pénétrant du rayonnement impliqué, par rapport à la taille caractéristique du milieu de propagation considéré (de l'échelle cellulaire à celle de l'organe). En outre, je discuterai des derniers travaux sur le développement d'un hodoscope pour l’étiquetage rapide de faisceaux, basé sur les diamants et réalisé au LPSC dans le cadre de la collaboration CLaRyS. Ce détecteur a le potentiel d'augmenter la sensibilité des différentes techniques qui ont été proposées pour le monitorage du parcours et pour l'imagerie en hadronthérapie. ----- X-ray External Beam RadioTherapy (EBRT) is currently the treatment of choice for roughly 50% of cancer patient. In the last 20 years, the progress made in accelerator design, detector development and dosimetry modelling have made it possible to reach a very high level of accuracy in treatment delivery (2-3%). Nowadays, novel forms of radiotherapies are emerging that are promising for clinical cases that would not benefit from a standard approach. However, these techniques are still far from reaching the same level of accuracy as EBRT. This is for example the case for Targeted Radionuclide Therapy (TRT), in which a radioactive pharmaceutical is injected to the patient for the treatment of diffuse, non-operable diseases. In a context where a direct measure of the dose is not possible since the radioactive source is internalised, the modelling of energy deposition within biologic material is a prerequisite to the definition of the absorbed dose-effect relationship and the personalisation of the treatment. To this goal, gamma detectors development (i.e. PET), and Monte Carlo modelling of the human anatomy play a crucial role for TRT optimisation. Similarly, in particle radiotherapy with light ions, the determination of the absorbed dose to the patient is not straightforward as the primary radiation is absorbed within the patient. A possible approach to reduce treatment uncertainties is the real-time monitoring of ion range through the detection of prompt secondary radiation resulting from nuclear reactions inside the patient. Through a selection of examples and applications, I will give an overview of how different techniques and detector developments issued from particle and nuclear physics research may be beneficial to the progress of radiotherapy. In particular, I will present the efforts made to increase the accuracy of dosimetry in TRT using different Monte Carlo approaches and an adaptive resolution method. A recurrent concept in these works will be the focus on the penetrating or non-penetrating character of the radiation involved, with respect to the characteristic size of the propagating medium considered (from cell to organ scale). Furthermore, I will discuss the latest works on the development of a fast beam-tagging hodoscope based on diamonds, carried out at LPSC in the framework of the CLaRyS collaboration. This detector has the potential to increase the sensitivity of different techniques that have been proposed for range monitoring and imaging in particle therapy.