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Centre de Lutte contre le Cancer d'Auvergne
Clermont-Ferrand - France -
Centre Jean Perrin
Dosimétrie 3D chimique par IRM: Développement d’un
nouveau gel chimique.
V. Dedieu1, C. Stien2, P. Sharrock3, M. Fiallo3, V. Brumas3, C. Choron4,
V. Blaise4, J. Coulaud3, A. Machu4, J.M. Bordy2.
1Centre Jean Perrin, Service de Physique Médicale, Clermont-Ferrand / Clermont Université,
Université d’Auvergne, EA7283 CREaT, Clermont-Ferrand. 2Laboratoire LIST- Laboratoire National Henri Becquerel, CEA, Gif sur Yvette. 3Laboratoire de chimie (U50, SIMAD), Université Paul Sabatier, Toulouse. 4 Clermont Université, Université d’Auvergne, EA7283 CREaT, Clermont-Ferrand.
Projet de recherche EMRP-Euramet
Proposé dans le cadre de l’ EMRP « MeTrExtRT : Metrology
for Radiotherapy using Complex Radiation Fields »
coordonné par le CEA LIST
En collaboration avec:
Laboratoire national d'étalonnage (LNHB) du
commissariat à l'énergie atomique (CEA LIST)
Equipe d’acceuil (EA 7283) CreaT, Centre Jean Perrin
EMRP: European metrology research program
EURAMET: European Association of National Metrology Institutes
Projet de recherche AAP physique et cancer
Proposé dans le cadre de l’appel à projet physique et
cancer 2012 : projet de recherche dans le domaine
de la physique, des mathématiques ou des sciences
de l’ingénieur appliquées au cancer
En collaboration avec :
Laboratoire national d'étalonnage (LNHB) du
commissariat à l'énergie atomique (CEA LIST)
Equipe d’accueil (EA 7283) CREaT, Centre Jean Perrin
Laboratoire de chimie (U50, SIMAD), Université Paul
Sabatier, Toulouse.
Dosimétrie 3D chimique
Objectifs de la dosimétrie chimique 3D.
Principe de la dosimétrie chimique.
Méthodes de mesures.
Dosimétrie chimique 3D par IRM :
- Relation dose effet, méthodologie.
- Méthodes de mesures IRM:
précision, optimisation.
- Développement d’un nouveau gel chimique:
préparation, caractéristiques.
Perspectives.
Détecteurs conventionnels ne permettent que des mesures 1D (chambre d’ionisation, TLD
(détecteurs thermoluminescents), ...) ou 2D (films, matrices de détecteurs 2D ou pseudo 3D, ...)
Nécessité de développer une technique de dosimétrie 3D précise et rapide avec une résolution
élevée en dose et spatiale (mm)
Les nouvelles modalités de traitement en radiothérapie (irradiations en conditions
stéréotaxiques, modulation d’intensité (IRMT / VMAT) ) permettent (imposent):
Incertitudes géométriques et dosimétriques
(mini faisceaux, gradient de dose très élevé, mouvement de la cible,…)
Objectifs de la dosimétrie 3D chimique
Dosimétrie chimique 3D: Contrôle qualité global du plan de traitement dans les conditions
d’irradiation du patient quels que soit le rayonnement et le débit de dose utilisés
Dedieu, EPU SFPM, 2011.
• Irradiation très précise avec une augmentation de la dose au niveau des volumes cibles
• Diminution/contrôle de la dose aux organes à risques (OAR)
Pour réaliser une dosimétrie volumique, il faut disposer:
D’un gel dosimétrique radiosensible,
– avec les caractéristiques requises suivantes: équivalent tissu,
présentant au cours de l’irradiation une modification d’un paramètre
physico-chimique avec une relation effet-dose connue et reproductible,
de préférence linéaire.
– 2 types de gels, présentant les caractéristiques requises pour la
dosimétrie chimique, sont utilisés:
» Gels polymères.
» Gels chimiques.
D’une méthode adaptée pour la mesure du paramètre physico chimique en
fonction de la dose
Principe de la dosimétrie 3D chimique
Gels polymères:
Réticulation des monomères sous l’effet des radiations ionisantes:
Gels chimiques:
Principalement des gels ferreux obtenus en rigidifiant la solution de Fricke
(dosimètre de Fricke ou dosimètre basé sur le dosimètre de Fricke),
Oxydation des ions ferreux (Fe2+) en ions ferriques (F3+) sous irradiation:
Monomères Irradiation (D)
Polymères
Fricke, AJRRTNM, 1927.
Gore, Phys.Med.Biol, 1984
Maryanski et al, Med. Phys., 1996
Types de gels dosimétriques
)(Dfpolymères
)(3 DfFe Fe2+
Irradiation (D) Fe3+
Principales caractéristiques:
Gels ferreux Gels Polymères
Avantages:
• Faciles à préparer.
• Coût faible.
• Dosimétrie IRM T1 et T2.
• Absence de toxicité.
• Stables.
• Absence de diffusion.
• Sensibilité élevée en T2.
Inconvénients: • Diffusion : (2mm.h-1).
• Sensibilité plus faible en T2
• Préparation délicate.
• Coût élevé.
• Toxicité.
• Mise en œuvre délicate.
Appleby, Rad.Phys.Chem, 1988.
Shulz, Phys Med Biol, 1990.
Olsen, BJR 1994.
Maryanski, Med. Phys., 1996.
Oldham, Phys Med Biol, 1998.
Chu; Phys Med Biol, 2000.
Chu; Phys Med Biol, 2000.
Types de gels dosimétriques
Choix du gel Gel ferreux, mais:
Diffusion des ions ferriques après irradiation.
conduit à des erreurs dosimétriques.
Nécessité de rigidifier au moyen d’agents
gélifiants (diminution de la sensibilité).
Mesure optique du gel dosimétrique en fonction de la dose:
Nécessite un appareillage spécifique, généralement peu accessible aux
physiciens médicaux.
Mesure par IRM de la variation des vitesses de relaxation des protons
(Ri = 1/Ti, i = 1,2) du gel irradié en fonction de la dose:
Réalisable en routine sur les sites d’IRM clinique, généralement accessibles
aux physiciens médicaux.
Méthodes de mesure
marqueurs (Gd-DTPA/DOTA)
Gel de Fricke Gels d’étalonnage
(courbes réponse en dose)
Gel expérimental
(distributions de dose)
Lecteur de
densité optique
Oldham, Med Phys, 2001/2003/2008.
Gore, , Phys Med Biol, 1996.
Vandecasteele J, IFMBE Proceedings, 2008.
Koeva VI, Phys Med Biol, 2009.
Hilts, Med Phys, 2008
Dedieu, SFPM, 2000.
Relation effet-dose:
L’irradiation du gel dosimétrique provoque une augmentation de la
vitesse de relaxation (Ri = 1 / Ti,) selon une relation effet-dose linéaire
dans un domaine de dose de 0Gy à Dmax Gy, Dmax dépend de la nature
du gel:
Ri(s-1)
D(Gy)
Ri0
i
i = 1,2 correspond respectivement à la vitesse de relaxation
longitudinale et transversale.
Ri (s-1): Vitesse de relaxation du gel irradié à la the dose D (gray).
Ri0 (s-1): Vitesse de relaxation du gel non irradié,
(s-1 Gy-1) : sensibilité du gel.
Ri - Ri0 = D
Mesures par IRM
La dosimétrie R2 est généralement utilisée pour les 2 types de gel
La dose (D) est obtenue à partir de la mesure de la vitesse de relaxation
transversale R2 dans le gel irradié:
D = R2 - R2.0
a2
Précision sur la mesure de la dose:
De la relation effet-dose, on déduit l’incertitude sur la mesure de dose:
Pour limiter les erreurs sur la mesure de la dose et améliorer la résolution en
dose, il faut:
Minimiser les erreurs de mesure de R2 en optimisant les paramètres d’acquisition et
de séquence (RSB élevé).
Utiliser des doses d’irradiation élevées (D)
Utiliser un gel dosimétrique avec:
– Une sensibilité en R2 élevée ()
– Une valeur de R20 (vitesse de relaxation du gel non irradié) qui minimise les
erreurs sur la mesure de R2 (DR2/R2) par IRM
– Un coefficient de diffusion proche de 0
Dosimétrie 3D chimique par IRM.
22
202
22202
u
RR
uu
D
uD RR
Mesure de la vitesse de relaxation R2 par IRM (méthode classique) :
Imagerie IRM : les images des gels dosimétriques sont obtenues à partir d’une
séquence multi écho à 16 ou 32 échos à 1,5 T. (Philips/Siemens)
R2 est calculé par ajustement des courbes de décroissance du signal IRM mesuré
sur des régions d’intérêt (ROI) positionnées sur les différentes images IRM
obtenues aux différents échos (algorithme de minimisation du c2 fondé sur la
méthode de Levenberg-Marquard)
Mesure par IRM
Signal (UA)
n.TE (ms)
exp (-TE.R2) Exemple: Séquence multi écho à 16
échos
Matrice: 1282,
Temps de répétition: TR = 2500ms,
Temps d’écho: TE = 18ms,
Temps d’acquisition: 6 minutes.
R2 = 3s-1
Méthode
Préparation du gel
Irradiation du gel
IRM: Mesure de R2 (= 1/T2):
(Optimisation des paramètres de séquence et d’acquisition IRM)
Courbe de réponse en dose: R2 = f(D) (gels d’étalonnage)
• Calcul de la sensibilité 2
• Calcul et cartographie 3D de la dose
absorbée (gel expérimental)
Dose (%)
Aujourd’hui: dosimétrie chimique 3D non utilisée de manière opérationnelle
par les physiciens médicaux.
Objectifs du projet de recherche EMRP-Euramet
Développement d’un nouveau gel chimique:
facile à préparer (reproductibilité),
de haute sensibilité,
de réponse indépendante en énergie,
de faible diffusion,
Optimisation de la méthode de lecture par IRM (résolution)
Démonstration de faisabilité d’un service de traitement des
données à distance
Fournir une méthode simple, robuste et précise de validation 3D
expérimentale des distributions de dose calculées par les TPS.
Domaine de linéarité du gel
Etendue de la relation effet dose pour le nouveau gel chimique:
Irradiation des tubes en dose absorbée dans l’eau (Dw) au moyen d’un irradiateur
fortes doses (GammaCell: 12 sources Co-60 réparties de façon homogène autour
du point de mesure, 5000Gy.h-1 , 1,25 MV).
Augmentation de la réponse en IRM (R2) jusqu’à 80 Gy puis décroissance de la
réponse.
Domaine de linéarité du gel.
Etendue de la relation effet dose pour le nouveau gel chimique :
Irradiation des tubes en dose absorbée dans l’eau (Dw) au Saturne 43 (énergie : 6, 12 et 20
MV, champ : 10x10 cm²) et Novalis TX (énergie: 6MV/6MVSRS, champ : 15x15 cm² ).
Réponse « linéaire » du gel : [5 ; 60] Gy : conforme aux applications cliniques.
R2 – R20 = D R2 (s
-1) : Vitesse de relaxation transversaledu gel irradié à la the dose D (gray).
R20 (s-1) : Vitesse de relaxation transversale du gel non irradié,
(s-1 Gy-1) : sensibilité du gel.
Liés à la variation de la
concentration en oxygène
dissout
Nouvelle formulation du gel pour avoir un meilleur contrôle de la
concentration en oxygène.
Protocole de préparation du gel
Problèmes de reproductibilité de préparations des différents gels :
La sensibilité du gel est différente d’une préparation à l’autre :
1. Préparation d’un gel « concentré »
2. Fusion du gel « concentré »
4. Transfert du gel dans un fantôme dédié et gélification au froid (6 °C)
Protocole de préparation du gel
Nouvelle formulation du gel:
3. Addition d’eau (50%gel / 50%eau + solution de paramagnétique)
1
2
3
4
Protocole de préparation du gel
Optimisation du protocole de préparation du gel pour assurer la
reproductibilité de la fabrication du gel:
Gel prêt à l’emploi, conditionné dans une forme géométrique prédéfinie
(sphère ou cylindre):
Gel en kit:
(gel concentré + 2 solutions de dilution)
Permet de conditionner différentes
formes géométriques.
Préparation du gel
Evaluation de la reproductibilité: Protocole:
Préparation de 3 séries de tubes de gel à partir de 2 gels « concentrés »
Irradiation des tubes de gel au Co-60 (1,25 MV, champ : 10x10 cm²) dans
un fantôme d’eau (Dw = 6Gy)
Mesure du R2 par IRM Bloc de gel « concentré »
Gel « concentré » fondu et mélangé à l’eau
Gel transféré et gélifié dans tubes.
Préparation du gel
Evaluation de la reproductibilité:
Résultats : Méthode de préparation du gel reproductible:
Résultats indépendants de la méthode de préparation du gel.
Réponse du gel en fonction de l’énergie
Protocole: Irradiation des tubes de gel à différentes énergies :
Co-60 (référence) (1,25MeV, champ 10x10 cm²).
Saturne 43 (6MV, 12MV, 20 MV, champ : 10x10 cm²).
SEIFERT 320 kV Isovolt pour les énergies moyennes (qualité de faisceau : RQR10 et
CCRI180, champ 10x10 cm²).,
Gulmay 160V pour les basses énergies (qualité de faisceau : CCRI10, CCRI25, CCRI30,
CCRI50b, champ 4,5 cm).,
Dose de 20 Gy en termes de kerma dans l’air pour les basses et de dose absorbée
dans l’eau pour les photons de moyennes et hautes énergies.
Mesure du R2 par IRM (résolution 1,5 mm).
Pour les basses énergies, afin de s’affranchir des phénomènes d’atténuation dus aux
parois des tubes, les gels ont été préparés dans des fioles où une fenêtre a été
découpée :
Surface du gel = point de
référence du faisceau en
terme de kerma dans l’air =
position de la ROI IRM
Réponse du gel en fonction de l’énergie
Résultats: Pour les hautes énergies (énergies moyennes : 1,25 MeV - 7,28 MeV): sensibilité du gel
indépendante de l’énergie.
Pour les énergies basses et moyennes (énergies moyennes : 7,43 keV – 1250 keV) :
sous-sensibilité du gel quand l’énergie diminue.
Pour les basses énergies : diminution de la sensibilité du gel qui peut atteindre 15%
par rapport au Co-60 (avec d’autres dosimètres une variation de 40% pour les faibles énergies n’a
pas donné lieu à une différence visible sur la valeur de la dose par rapport aux CI).
60Co
énergie
Réponse du gel en fonction de l’énergie
Résultats:
Dépendance en énergie non significative
Valeurs des sensibilités : [10 ; 40 Gy]
Influence du débit de dose (DDD)
Protocole:
Même bloc de gel concentré utilisé pour la préparation des gels.
Doses utilisées pour déterminer la sensibilité du gel: Dw = 2, 5, 10, 20, 60 Gy
au Novalis TX (champ: 150 mm x 150 mm), à différents débits de dose:
– 1000 UM.min-1 , 6 MVSRS (référence)
– 100, 200, 600 UM.min-1 , 6MV
Mesure du R2 par IRM (résolution 1x1x1.5 mm3).
Calcul de 8 sensibilités réparties en 2 groupes :
A = 1000 UM.min-1 / B = autres DDD.
J J+1 J+2
200 UM.min-1
1000 UM.min-1
100 UM.min-1
1000 UM.min-1
200 UM.min-1 600 UM.min-1 &
1000 UM.min-1 1000 UM.min-1
Influence du débit de dose
Résultats: Pas d’influence du débit de dose sur les R2 donc sur la sensibilité du gel :
Statistiques sur les R2 de chaque groupe: n=40
•Test de Bartlett, H0 = homogénéité des variances; p-value=0,875
•Test ANOVA, H0 = pas d’influence du DDD sur les R2 donc sur la sensibilité du gel; Pr(>F) = 0,367
Moyenne 0,0626 s-1.Gy-1
Ecart-type ±2,75%
1min.1000 UM
DDD
0,94
0,96
0,98
1,00
1,02
1,04
0 200 400 600 800 1000 1200
DDD (UM/min)
Référence 1000 UM
autres DDD
La barre d’erreur correspond à l’écart-type
des 4 mesures pour DDD = 1000UM.min-1.
Etude de la diffusion
Protocole :
Irradiation d’un cylindre rempli de gel dosimétrique au
Co-60 (1,25 MeV, champ collimaté Ø 8 cm) en dose
absorbée dans l’eau (Dw ≈ 20Gy).
Mesure du R2 par IRM (résolution 0,5 mm) : Profil
obtenu par analyses IRM de la tranche dans le plan
transversal du faisceau durant les 5h suivant
l’irradiation. Profil R2 IRM
Irradiation du cylindre rempli de gel dosimétrique répétée
dans les mêmes conditions d’irradiations (60Co : 1,25 MeV,
champ collimaté Ø 8 cm, Dw ≈ 13 Gy).
Mesures de densité réalisées au moyen d’un scanner
optique (résolution 0,35 mm) : Profil obtenu par analyses
par scanner optique d’un film EBT3 positionné à l’endroit
où a été réalisée l’analyse IRM du gel.
Etude de la diffusion
5 heures après irradiation, aucune diffusion n’a été mise en évidence avec une
taille de voxel de 0,5 mm
Résultats :
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
03:38
04:04
04:46
Film
distance (mm)
R2,x/R2,x=0
Temps d’attente avant
analyse (h) FWHM (mm)
1:09 28,7
1:39 30,0
2:08 28,7
2:38 28,0
3:08 28,7
3:38 28,7
4:08 28,7
4:38 29,3
5:08 28,7
Dw ≈ 70Gy
taille du voxel: 0,5x0,5x0,5 mm3
Etude de la diffusion
5 heures après irradiation, aucune diffusion n’a été mise en évidence avec une
taille de voxel de 0,5 mm
2 x 2 cm2
Résultats:
La stabilité dans le temps après irradiation a été démontrée:
Etude de la diffusion
gel
dosimétrique)
Résultats :
Confirmés par une étude de la diffusion à court et moyen terme :
Irradiation des tubes de gel en dose absorbée dans l’eau (Dw : 40Gy) au Novalis TX
(champ: 60 mm x 60 mm), à 1000 UM.min-1 (6 MVSRS ).
Mesure du R2 par IRM (résolution 0.9 mm) : Profil obtenu par analyses IRM de la
tranche dans le plan transversal du faisceau durant les 3,5h suivant l’irradiation.
Diamètre du bécher = 14 cm
Champ d’irradiation
6*6 cm2
Etude de la diffusion
Résultats :
Confirmés par une étude de la diffusion à court et moyen terme :
Irradiation des tubes de gel en dose absorbée dans l’eau (Dw : 40Gy) au Novalis TX
(champ: 60*60mm), à 1000 UM.min-1 (6MVSRS ).
Mesure du R2 par IRM (résolution 0.9 mm) : Profil obtenu par analyses IRM de la
tranche dans le plan transversal du faisceau durant les 3h30 après irradiation.
Temps d’attente avant
analyse (min)
FWHM
(mm)
33 58,5
76 57,6
147 57,6
211 58,5
Moyenne FWHM (mm): 58,05
k = 2 (mm) : 0,8
Conclusions _ Perspectives
Développement d’un nouveau gel chimique de haute sensibilité facile à préparer:
• Haute sensibilité et faible diffusion: Ok
• Réponse linéaire du gel [2 ; 60] Gy: Ok
• Reproductibilité : Ok
Optimisation de la méthode de lecture par IRM:
• Résolution: OK
Réalisation du logiciel de traitement des données à distance: en cours
Tests en conditions statiques (faisceau simple:1cm-10cm, dose et débit de dose
variables) et dynamiques (irradiations en conditions stéréotaxiques)
Réalisation d’un tutoriel vidéo
Test global de dosimétrie 3D avec traitement des données à distance: début 2015.
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