Radiothérapie des tumeurs cérébrales P.Y. Bondiau Lady and gentleman, This work is about 3D reconstuction and brain labelling for radiotherapy I am PYB and I work in the radiotherapy department of the anti cancer center Antoine Lacassagne in Nice. 1. Centre A. LACASSAGNE. 33 avenue de valombrose, 06189 Nice cedex 2 France 1 1 1 1

Incidence pour 100 000 personnes-années (US 1990-1993) Total T. gliales Méningiome Autre T. Pituitaires Lymphomes

Chirurgie

Dose et survie Proportions Semaines At the end of the seventies, several works shown the efficacity of radiotherapy on this kind of tumor. This efficacity seem to be in relation with doses received by the tumor. The more the tumor received, longer is the survival Semaines Walker, IJROBP 5:1725-31,1979

GBM : Résultats de la radiothérapie Essais MS : low dose MS : hight dose MRC (474 Pts.) 36 w. (45 Gy.) 52 w. (60 Gy.) Br J Cancer 1991 oct, 64(4):769-74 Walker 14 w. (50 Gy.) 42 w. (60 Gy.) IJROBP 5:1725-31,1979 RTOG (636 Pts.) 41 w. (48-54 Gy.) 46 w. (64-81 Gy.) Cancer 1996 Apr 15;77(8):1535-43 These works shown that mean survival with low doses is lower than with hight doses, but these works was no randomized The radiotherapy treatment principe is to deliver the adequate dose to target, and to avoid, if possible the critical brain structures

Autres particules Auteur Particules SM Pikcles Pions 8,4 m. IJROBP 37(3), 491-7, 1997 Laramore N 10 m. IJROBP 14, 1093-02, 1988 Griffin N+P 9,8 m. Am. M. Clin. Onco. 6(6), 661-7, 1983 Fitzek P 20 m. J. Neurosurg. 91, 251-260, 1999 Others particles as pions or neutron have been try but have not proven their efficacity. Only proton beams, more accurate than photon beams have shown an activity The doses given was about 90 Gy. and median survival was about 20 month, but in this publication there is a hight rate of radionecrosis

Complications (I) Age Développement neural : maximum au cours des 3 premières années, décroît jusqu’à l’adolescence Dose La radiosensibilité des cellules explique par exemple qu’une dose de 30 Gy suffise à entraîner des troubles du développement neurologique chez l'enfant Volume irradié Encéphale in toto Type de rayonnement, les thérapeutiques associées (methotrexate dès 24 Gy)

Complications (II) La radionécrose cérébrale La leucoencephalopathie 5 % vers 55 Gy et 20 % à 65 Gy (chez l ’enfant) Atteinte de la microcirculation et oligodendrocytes puis démyélinisation puis nécrose La leucoencephalopathie Leucoencephalopathie nécrosante Micro-angiopathie minéralisante Destruction multifocale de la substance blanche (dès 24 Gy) Somnolence, comitialité, déficits moteurs, ataxie Atrophie cérébrale, dilatation ventriculaire, calcifications dystrophiques N.G.

Complications (III) Séquelles Endocriniennes Atteinte des fonctions supérieures : Tardif, aggravation Chir et RTE (astrocytome) QI Abaissé, tr. praxies, tr du comportement et retards scolaires RTE seule (LAL) Performances significativement moins élevées Généralement considérées dans la limite de la normale Association au methotrexate Tumeurs secondaires OS, tumeurs cérébrales, leucémies, autres types de sarcomes Séquelles Endocriniennes STH, TSH

Comment diminuer les effets secondaires ? Effets II de la RTE Pronostic des T. Cérébrales Diminution des EII par localisation précise des differentes structures cérébrales Méningiome 2 champs latéraux Preciser les volumes critiques M problématique que la 3D pour le poumon

La Radiothérapie Conformationnelle

But : Diminution du taux de complications sur le tissu sain, possibilité d’amélioration du contrôle local

Définition et Historique Ensemble de procédures strictes permettant d’envisager une RT de haute précision. Contrôle de qualité de chaque élément de la chaine. 1950 Busse et Freidman 1965 Takahashi Suivi Scanner Dosimètrie Appareil de traitement 20 20

Actuellement Relation dose / réponse tumorale. Relation contrôle local / survie. Relation dose / survie pour certaines tumeurs RT conventionnelle : problème des structures critiques. Progrès de l’imagerie médicale : meilleure définition des structures critiques et de la tumeur. => Délivrer la dose de manière plus précise 17 18

Objectifs Objectifs : Nécessite une réflexion sur les volumes Viser juste Augmenter la dose au volume tumoral Diminuer la dose aux tissus sains Nécessite une réflexion sur les volumes Problème des marges de sécurité Déterminer précisément les différents volumes. Nécessité de ne traiter que les volumes atteints ? Quelle imagerie? 19 21

Contourage des structures Nécessité de localiser les structures cérébrales Actuellement : Manuelle Consomatrice de temps Sur un scanner dosimétrique non optimal pour la localisation Pas de comparaisons Operateur dépendant In cerebral radiotherapy, we need to know the doses given in each brain structurs to choose the best traitment planning. This is very important for example in oncopediatric were brain radiotherapy need to be accurate for minimal side effect The accurate dose calculation needs to know the electronic densities, these densities are given by the CT scan and not by the MRI but the MRI is optimal for brain structurs localisation. Presently, the localisation of different brain structures is hand made on each slice of the CT scan helped by an MRI. This method is time consuming and not optimal. 2 2 2 2

Contourage: LE CONTOURAGE: - Manuel - Automatique DEFINITION DES VOLUMES - Critères stricts (Terminologie de l ’ICRU) GTV CTV PTV VT VI

Exemple histogrammes dose / volume

Exemples (II)

Dosimétrie Chaque faisceau A, B, C a une forme différente, définie par la projection du volume cible. Ils peuvent ne pas être situés dans le même plan (RT non coplanaire). Faisceau B Faisceau A PTV Faisceau C 31 22

Scanner VS IRM Scanner dosimétrique IRM Geométrie Multiplan Séquences multiples Haute précision pour la localisation des structures Déplacement chimique Scanner dosimétrique Geométrie Rapidité (claustrophic) Information sur la densité d ’électron   Interface avec la console de dosimétrie We will see now how to do a full automatic matching between standard MRI and dosimetric CT scan but first lets see advantages of each modalities The advantage of the MRI are : multiple sequences as T1, T2, flares sequences… Hight precision for brain structures definition but there is the chemical shift that induce some distortion in the image The advantage of the CT scan are : that there is no distortion of the image, so the image geometry is conserved and we get the eletron densities information, and that very is important for dosimetic computing

Exemples (I) Radiothérapie conformationnelle Scanner Dosimètrie 3D Appareil de traitement

Collimateur multilames MLC Source Collimateur

Doses Autheur Dose MS Chang 70 Gy. 8,4 m. Nakagawa 90 3D Gy. 17 m. Sandler 80 3D Gy. 16 m. Scott 72 Gy. 10,2 m. Lutterbach 54 Gy. 8,8 m. Gonzales 60 Gy. 8 m. On this slide we see differents works showing that hight doses could modify the mean survival. Especially with modern radiotherapy using megavoltage, conformal treatment and non coplanar field. For exanple « sandler » give eigthy Gray with conformal radiotherapy, with a median survival of sixteen months Nakagawa give ninethy Gray and have a median survival of seventeen months Modern Radiotherapy can reduce dose to univolved brain and critical structures. This can reduce late toxicity as for example: Optic neuropathy Pituitary hypofunction Leukoencephalopathy and neuropsychologic side effects.

Différents traitements par radiothérapie possibles Steréotaxie Radiothérapie Classique RS Dose Unique RS Dose Fractionnée Faisceaux de forme differente Nombre de faisceau Collimateur multilames Faisceaux traités le même jour Radiothérapie Conformationnelle Protonthérapie

La Modulation d'Intensité

Modulation d ’Intensité Dynamique (Moving window) Statique (Stanford) Collimateur Shematically there is various approaches to do intensity modulation radiotherapy. But two significantly different methodes have emerged. The dynamic method and the static method In the dynamic method, implanted first into clinical use at Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, a standart multileaf collimator is use in dynamic mode to deliver a set of intensity modulated field from fixed gantry angle. This technic is fast and has been comercialized into varian helios system and Nomos system. In the static method, each beam is divided into multiple segments. Dose

Approche statique « step-and-shoot » Seg 1 Seg 2 Seg 3 Seg 4 Seg 5 Seg 6 Seg 7 One segment for each beam frames the entire target, while the others segments spare one or more normal structures. Each segment is uniform in intensity The optimization of an IMRT plan produce intensity distribution within each of a set of beams. These intensity distributions are used to predict the radiation dose distributions that would be deposited in the patient at the time of the treatment. 1 5 2 3 4 6 7 Pict by Siemens

IMRT planning process fractionnation fractionnation Imaging and anatomic structure delineation fractionnation Imaging and anatomic structure delineation Imaging and anatomic structure delineation Beam definition Beam definition Beam definition Dose calculation Dose calculation Dose calculation IMRT optimization IMRT optimization IMRT optimization To do IMRT, we need hight quality images to do an accurate structure delineation. All the process of IMRT is based on these images, the IMRT allows to give a dose in the target volume and to avoid critical structures volume. If we have poor structure delineation, the quality of the treatment will not be optimal. Conversion of intensities into leaf trajectories Conversion of intensities into leaf trajectories Conversion of intensities into leaf trajectories Dosimetric verification of IMRT beam Dosimetric verification of IMRT beam Dosimetric verification of IMRT beam Patient setup, & Treatment delivery Patient setup, & Treatment delivery Patient setup, & Treatment delivery Plan evaluation Plan evaluation Plan evaluation

Préparation du traitement (I) Définition du traitement Réalisation de la contention Masque en plastique thermoformé Matelas à dépression « Repérage » Place un référentiel (+/- centre du volume à traiter) Documents : scanner, IRM, PET... Scanner dosimétrique avec la contention 19 21

Préparation du traitement (II) Transfert ds données scanner sur la console +/- « Intégration » de l ’IRM Contourage des structures Manuel Les yeux, le chiasma, le cervelet, le tronc cérébral, l'hypophyse. Définition de la balistique Calcul de la dosimétrie H.D.V. Calcul des D.R.R. 19 21

Préparation du traitement (III) Mise en place Réalisation des « gamagraphies » Comparaison aux D.R.R. +/- Modifications Début du traitement Corticothérapie 19 21

Conclusion RTC3D Longueur du processus mise en route du traitement Fiabilité Précision Longueur du processus mise en route du traitement Interêt d’adresser le patient le plus rapidement possible en consultation Développement de l’IMRT This work is still in progress, presently we are doing a clinical validation with more patient my intern is working for one year on the same technic for prostate and pelvic reconstruction and a french treatment planning software called Isis 3D is incorporating this technic into a commercial version 26 26 26