RADIOTHERAPIE, RADIOPHYSIQUE ET RADIOBIOLOGIE Objectifs: Connaissance des effets des radiations ionisantes sur les principaux tissus Connaissance des matériels et des techniques employés en radiothérapie Connaissance de la dosimétrie des rayonnements Destruction des tissus cancéreux en respectant les tissus sains Nécessite Preuve histologique et bilan précis TT loco régional Situation Curatrice ou palliative

Modes d’action des rayonnements ionisants 1.1.1 Les rayonnements ionisants Qu’est ce qu’un rayonnement ? On entend par ce dernier la propagation d’énergie à travers l’espace Qu’est ce qu’un rayonnement ionisant ? Il s’agit d’un rayonnement capable de produire des ionisations et des excitations durant leur absorption par les tissus biologiques C’est pourquoi ils sont si intéressant en radiothérapie On distingue: Les rayonnements électromagnétiques de haute énergie (photons X et photons ) Les rayonnements particulaires (chargés ou non)

Les rayonnements électromagnétiques Assimilables à des grains d’énergie de charge nulle et de masse nulle, se propageant dans le vide à la vitesse de la lumière. Les photons X et  ont la capacité de traverser aisément les tissus humains et de déposer leur énergie en profondeur. Ils ne diffèrent pas par leur nature mais par leur origine et leur mode de production.

Les rayonnements particulaires Peu utilisés en radiothérapie. Seuls les électrons sont d’usage fréquents. Les protons et les neutrons sont rarement employés (protonthérapie, neutronthérapie). Autres particules au stade de l’étude: Particules , mésons , ions lourds. Les particules chargées (électrons, protons, particules , mésons , ions lourds) sont rapidement arrêtées dans les tissus humains de façon proportionnelle à leur charge électrique. Les particules non chargées (neutrons) ont une pénétration importante en profondeur, comme les photons.

Interactions rayonnement-matière Interaction photons-matières Les photons X et  sont des rayonnements indirectement ionisants. Ils ne produisent pas par eux-mêmes de dommages chimiques ou biologiques. Dénués de charges, ils sont insensibles aux champs électriques intenses régnant au sein des atomes et peuvent pénétrer profondément les couches atomiques successives de la matière avant de rencontrer de façon aléatoire leur premier obstacle, noyau ou électrons.

Interaction électrons-matière Ces interactions concernent aussi bien l’irradiation des tissus vivants par un flux d’électrons primaires que par des électrons secondaires mis en mouvement par un flux de photons. Les électrons incidents hautement énergétiques sont des particules directement ionisantes: l’interaction répulsive électron incident-électron orbital va aboutir soit à une excitation soit à une ionisation des atomes rencontrés.

Modes d’action des Radiations ionisantes Effets biologiques = chaîne de réactions Quatre étapes : Physique Physico chimique Cellulaire Tissulaire

Radiobiologie Etape physique Ionisation et excitation des atomes du milieu Durée très brève (10-16 s)

Etape physico chimique Radiobiologie Etape physico chimique Cible principal : ADN chromosomes 2 types d’actions : Direct ADN Indirect produits radiolyse eau Molécule ionisée: excédent énergie, instable 2 façons d’expulser cette énergie : Photons de fluorescence Rupture d’une liaison covalente et scission Rupture sur ADN ou sur l’eau : création de radicaux libres très réactifs OH°, H°, électron -> H2O2 peroxydes ROOH tétroxydes RO4H Action secondaire sur ADN et sur membranes

Etape physico chimique Radiobiologie Etape physico chimique Action ADN : rupture mono ou bicaténaires Altération bases, destruction sucres Enzymes de réparation : ADN polymérase, exonucléase, ligase, topoisomérases Variation d’efficacité = différences de radiosensibilité

Radiobiologie Etape cellulaire 3 types de lésions: Létales : irréparables, mort après quelques mitoses (mort différée) Sub-létales : réparables, mortelle en cas d’accumulation Potentiellement létales, mort cellulaire si mitose survenant rapidement

Impossibles : mort apoptose Etape cellulaire REPARATIONS ADN Impossibles : mort apoptose Complètes : cellules vivantes X normales Incomplètes : mutations génétiques non mortelles

Tissus renouvellement court Radiobiologie Etape tissulaire Tissus renouvellement court Réactions précoces au cours et décours Rx Récupération complète ORL Intestin Peau moelle hématopoïétique Tissus renouvellement long Réactions tardives plusieurs mois ou ans Lésions tardives irréversibles Fibrose et nécrose Endartérite oblitérante Perte potentiel mitose cellules souches Favorisée par agression biopsie infection chimio

Fractionnement étalement Effet du fractionnement de l’irradiation est plus marqué pour les tissus à réactions précoces que pour les tissus à réaction tardive Rx classique 4 à 5 fractions par semaine de 2 Gy Diminution du fractionnement (Flash) Accroît la toxicité tardive Utilisation de faible dose par séance Réduit les effest tardifs sans protéger les tissus à réactions aiguës (cancer)

Probabilité de stérilisation But : stérilisation tumeur : destruction cellules clonogènes (0,1 à 1 % des cellules Tumorales) sans altération des tissus sains voisins Probabilité de stérilisation dépend de : 1/ Facteur temps : Dose totale délivrée : dose seuil puis effet dose Fractionnement : plusieurs séances : réparation des lésions sub létales Ré oxygénation Étalement : cellules survivantes se multiplient pdt l’irradiation favorisant les tissus de cinétique rapide Dose iso-effet augmente avec le nombre de séances et la durée total de l’irradiation

Probabilité de stérilisation dépend de : Type histologique capacité de réparation Volume tumoral volume dose Degré d’oxygénation tumorale hypoxie=RxR Cinétique de prolifération cellules tumorales Prolifération T entre 2 séances Qualité rayons Cycle cellulaire RXsensibilité maximale phase G2 et M Débit de dose : protection tissus sains à réactions tardives fort taux de réparation Température : chaleur inhibe réparases

Machine de radiothérapie

La période radioactive du cobalt 60 = 5,27 ans. Principe, description et fonctionnement des appareils de télécobalthérapie. Source de cobalt 60 cobalt 59 naturel dans un flux de neutrons. Noyau du cobalt 60 instable, se désintègre naturellement en atome de nickel stable en émettant successivement un électron, un photon gamma d’énergie 1,17 MeV et un second d’1,33 MeV. Energie moyenne du cobalt 60 est d’ 1,25 MeV (moyenne arithmétique) 1 1,17 MeV 2 1,33 MeV  0,31 MeV Ni60 Co60 La période radioactive du cobalt 60 = 5,27 ans. Activité d’une source de cobalt 60 décroît de 1% par mois => suivant le débit initial, la source ne sera changée que tous les 5 à 8 ans.

La source = grains ou disques radioactifs (1mm d’épaisseur, 2 cm de diamètre et de hauteur) Source dans une enceinte de protection (uranium appauvri, Pb ou tungstène) dispositif d’obturation qui peut prendre 2 positions: Une position de sécurité : un système optique permet de visualiser le faisceau sur la peau du patient. Une position de traitement : une ouverture pyramidale est ménagée pour la sortie du faisceau. Un système de collimation 2 paires d’épaisses mâchoires de plomb bougeant de façon symétrique champs de dimensions allant de 4cm x 4cm à 33cm x 33cm.

Principe, description et fonctionnement des accélérateurs de particules Principe de l’accélérateur linéaire (AL) = champ électrique alternatif de haute fréquence. développement des générateurs de micro-ondes (ondes radars) Ces micro-ondes sont capables d’influencer le mouvement des particules chargées. Les AL opèrent en utilisant des micro-ondes de l’ordre du GHz et de 10 cm de longueur d’onde produites par des tubes électroniques appelés magnétrons ou klystrons.

Mouvement des appareils Ils sont constitués d’un statif vertical supportant la tête de l’appareil = source des rayons (photons ou électrons). Le statif est rotatif, la source peut ainsi décrire un cercle complet de 360° autour de son axe de rotation. L’intersection de l’axe du faisceau et de l’axe du statif représente un point fixe de l’espace appelé isocentre. ABREGES Oncologie radiothérapique, édition Masson

Schéma de fonctionnement d’un accélérateur linéaire A l’extrémité proximale d’un AL se trouve le canon à électron et une première section ou injecteur, les électrons passent ensuite dans la section accélératrice. A la sortie du tube d’accélération le faisceau d’électron émerge sous forme d’un très fin pinceau de 2 à 3 mm de diamètre, il va être dévié par de puissantes lentilles magnétiques vers la tête de l’accélérateur. En mode photon le pinceau d’électrons est projeté sur une cible en tungstène pour obtenir des RX de hautes énergies.

Avantages et inconvénients des différents types d’appareils Télécobalt Accélérateur Avantages Fiable Très simple Maintenance réduite Coût modéré 2 types de rayonnement Multi-énergie Durée constante de la séance Pas de déchet radio-actif Pénombre étroite Inconvénients Mono-rayonnement Mono-énergie Débit décroissant Pénombre large Coût du remplacement de la source Déchet radioactif Maintenance lourde et coûteuse Prix d’achat Taux de panne

SIMULATEUR

Principe, description et fonctionnement des simulateurs La simulation ou le centrage est l’étape préalable indispensable au démarrage « classique » de toute irradiation. C’est une étape de traitement « à blanc » effectué avec un appareil de radiodiagnostic, le simulateur, qui possède toutes les caractéristiques géométriques des machines de traitement. Le radiothérapeute détermine les limites des faisceaux d’irradiation par rapport aux structures anatomiques profondes (scopie et clichés radiographiques) Les paramètres d’irradiation (dimension des champs, nombre de faisceaux, DSP, HT, angle du bras…) sont transmis vers la physique pour la dosimétrie.

contentions Limite les mouvements durant la séance Augmente la dose en respectant les tissus sains Reproductibilité de la position Repose bras et repose jambes Masques thermoformés souples Matelas de contention

Quelques exemples de contentions Le repose bras + plan incliné Gouttière

Exemple d’utilisation des lasers

Le collimateur multilame (MLC) Mâchoires subdivisées en nombreuses lames indépendantes. Le mouvement de chaque lame est gouverné par un petit moteur piloté par ordinateur, permettant ainsi la réalisation de caches de formes complexes. Caractéristiques techniques du MLC: focalisation de la lame, nombres de lames (40, 60…), largeur de la lame (projection à l’isocentre), champ maximum, dépassement de l’axe (projection à l’isocentre) => réalisation de champs asymétriques, vitesse de déplacement des lames (modulation d’intensité), précision du positionnement des lames,

Dosimétrie Dose la plus homogène possible dans le volume cible tout en limitant la dose reçue par les tissus sains voisins Prescription : définition de volumes affectés de niveaux de dose 3 volumes : cliniques, géométriques et techniques

DOSE But : curatif ou palliatif Point de prescription : zone homogène et définie /dose Situé dans le volume cible Fractionnement étalement Représentation de la dose en 3 D : Histogrammes Dose/Volume (DVH) répartition de dose dans chaque tissu PTV et organes à risque

Radiothérapie conformationnelle Imagerie scanner Caches personnalisés et multilames = Enveloppe isodose de valeur élevée à la forme exacte du volume cible (PTV) Augmentation de la dose reçue au volume cible donc le contrôle local Diminuer la dose aux tissus sains donc la toxicité Utilise des faisceaux fixes distribution de dose dans un plan perpendiculaire à l’axe du faisceau homogène Utilisateur s’adapte aux caractéristiques figées des faisceaux Mettre des images avec des contours

Irradiation poumon

POUMON 3 D

DVH POUMON

RECTUM 3 D

Rectum 3 D

DVH RECTUM

DDR rectum ant et post

DDR Rectum Latéraux

Prostate 3 D DVH

POUMON 3 D DVH

Poumon 3 D