Faculté des sciences de base SB, Section de physique, Institut de physique de l'énergie et des particules IPEP (Laboratoire de physique des réacteurs et de comportement des systèmes LRS)

Développement et validation de méthodes dosimétriques en ligne pour le traitement du cancer de la prostate

Zilio, Valéry Olivier ; Chawla, Rakesh (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3267.

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    Currently, the treatment of prostate cancer under open MRI at the University of Geneva Hospital, applying high dose rate (HDR) brachytherapy, involves three main steps : needle implantation, dosimetric calculations and irradiation. As such, there is no pre-planning of the treatment, the experience of the physician providing the sole basis for deciding upon the number and position of the needles. Moreover, since the implantation and the dosimetry are performed at different places and at different times, it is not possible to modify the needle configuration, in case it is found that the entire tumour volume cannot be sufficiently irradiated. The present research aims at achieving a significant improvement of the cancer treatment by introducing new methods for HDR brachytherapy involving inverse planning procedures and three dimensional dosimetric databases. Thereby, the possibility is offered to the radio-oncologist to define the regions to be treated, to express the desired values for the dose to be imposed or tolerated for each organ, to propose a specific needle configuration and to verify the relevance of the proposition before proceeding to implantation. Finally, a guiding system, coupled to the MR imaging, serves to ensure correspondence between virtual and real treatment. Such possibilities require the development and validation of appropriate routines for dosimetric calculations and the accurate and rapid optimisation of irradiation conditions, for various source types, both gamma and beta emitting. The final product of the present research is a programme called PROTON. Other necessary developments, which are being implemented by a collaborating organisation, viz. the Signal Processing Laboratory at EPFL, concern the graphical interface of the programme, the volume segmentation tools and the implantation guidance. The dosimetric problem is solved by applying detailed Monte Carlo simulations to generate 3-dimensional databases, which are large enough in extent to cover a standard treatment volume with a single source placed at its centre. The dose map corresponding to location of several sources can then be obtained via a linear combination of dose values from the database of the specific source. The chosen sources for the simulations are the 192Ir model microSelectron of Nucletron B. V., two HDR prototypes with 169Yb and 144Ce and the LDR implants 6711 with 1251 from OncoSeed and 200 with 103Pd from TheraSeed. The next step taken is to verify the accuracy and pertinence of the databases, via experimental studies involving a single source and by comparisons with numerical results obtained applying other methods. The experimental verification carried out has been for the 192Ir and 144Ce sources. Radial dose rate distributions were measured in a water phantom employing accurately calibrated detectors of several different types, both active and passive. For 192Ir, a 0.22 cm3 ionisation chamber, cylindrical lithium fluoride thermoluminescent dosimeters (TLD) of 1 mm diameter and 3 mm length, and metal-oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFET) were used. In the case of 144Ce, only the ionisation chamber was employed. The targeted accuracy for the experimental verification of the Monte Carlo simulations has been 5 and 15 % for 192Ir and 144Ce, respectively. It has been shown that this goal is achieved for 192Ir with the ionisation chamber and the MOSFETs, a systematic experimental error resulting in a somewhat larger discrepancy in the case of the TLDs. The 144Ce measurements are found to match well with the simulations, the calculation/experiment differences being generally within 10 %. For the comparison of the dosimetric calculations with other numerical results, choice has been made of the commercially available programme PLATO BPS, routinely used at the University of Geneva Hospital for treatment planning with 192Ir, as also a mathematical interpolation based on the TG-43 formalism. The comparisons with PLATO BPS, for both a single source and for the actual treatment of twelve patients treated between December 2003 and July 2004, show good agreement. The same conclusion results from the comparison with the mathematical interpolation, demonstrating thereby the correctness and pertinence of the dosimetric databases. As regards the optimisation of source dwell times at each position, the routine developed is based on application of a simulated annealing algorithm that minimises an objective function while associating, to each optimisation point, a larger penalty if the dose is further from the prescription for the considered organ. Minimal, maximal doses can thus be specified for the tumour and the organs at risk, respectively (the latter being notably the urethra, the rectum and the bladder). The validation of the optimisation routine has involved, once again, the treatment characteristics for the twelve patients treated using PLATO BPS. In this context, it has been shown that PROTON can follow imposed prescriptions much more efficiently. Moreover, if an appropriate database is available, one has the possibility to proceed with the treatment employing a different type of source. In the present study, we have used 169Yb, which provides treatment conditions very similar to those obtained with 192Ir, and 144Ce, which shows certain advantages over 192Ir, e.g. for the case of a small tumour close to an organ at risk. Finally, for the case of an 192Ir treatment, a presentation is made of the integration of the dosimetry and optimisation programme PROTON with the graphical interface currently under development at the Signal Processing Laboratory. The principal steps of the treatment are illustrated, from the visualisation of tomographic planes to the shape definition of the organs, as also from the treatment verification to the display of results. In conclusion, it has been shown that the developed dosimetry and optimisation routines are appropriate and applicable to source dwell time calculations during a HDR interstitial brachytherapy treatment of the prostate. Integrated into a suitable graphical interface, they allow performing a pre-planning of the treatment. It does appear, however, that a mathematical interpolation of the 3-dimensional dosimetric databases would permit notably a significant gain in time during the optimisation procedure. This is an aspect suggested for future development in the context of the present research.
    Actuellement, le traitement du cancer de la prostate sous IRM ouverte par brachythérapie interstitielle à haut débit de dose (HDR) à l'Hôpital Universitaire de Genève passe par trois étapes principales : l'implantation des aiguilles, les calculs dosimétriques et l'irradiation. Ainsi, on ne procède pas à une pré-planification du traitement et seule l'expérience du chirurgien détermine le nombre et la position des aiguilles. De plus, comme l'implantation et la dosimétrie se font en des lieux et à des temps différents, il n'est pas possible de corriger une mauvaise configuration d'aiguilles, s'il s'avère que l'entier du volume tumoral ne peut pas être irradié suffisamment. La recherche présente tend à améliorer le traitement en proposant de nouvelles méthodes pour la brachythérapie HDR fondées sur la notion de planification inverse : la possibilité est offerte à l'oncologue de définir les régions à traiter, de prescrire la dose imposée ou tolérée dans chaque organe, de proposer une configuration d'aiguilles spécifique et de vérifier la pertinence de la planification avant de procéder à l'implantation. Un système de guidage, associé aux images RM, permet enfin d'assurer la correspondance entre le traitement réel et virtuel. De telles possibilités nécessitent d'abord le développement et la validation de routines de calcul dosimétrique et d'optimisation aussi précises que rapides et applicables à tout type de source, tant gamma que bêta. Le produit final de la présente recherche est un programme portant le nom de PROTON. Les autres développements nécessaires, mis en oeuvre par de l'un des collaborateurs de ce travail, le Laboratoire de Traitement du Signal de l'EPFL, concernent l'interface graphique du programme, les outils de segmentation des volumes et le guidage de l'implantation. Nous résolvons le problème de dosimétrie, tout d'abord en simulant par Monte Carlo des bases de données tridimensionnelles, d'extension suffisante pour englober un volume standard de traitement, avec une source placée en son centre. La carte de dose pour plusieurs sources s'obtient par combinaison linéaire de ces bases de données. Les sources choisies pour les simulations sont le modèle microSelectron à l'192Ir de Nucletron B. V., deux prototypes de source HDR à l'169Yb et au 144Ce, ainsi que les implants LDR 6711 à l'125I d'OncoSeed et 200 au 103Pd de TheraSeed. Ensuite, il est nécessaire de vérifier la justesse et la pertinence des bases de données, soit par des mesures expérimentales incluant une source unique, soit par comparaison avec des résultats obtenus par d'autres méthodes. Pour la vérification expérimentale, nous nous sommes concentrés sur les sources à l'192Ir et au 144Ce. Le débit de dose radial est mesuré dans un fantôme d'eau avec plusieurs types de détecteurs, tant actifs que passifs, dont nous avons assuré un étalonnage précis. Pour l'192Ir, nous avons utilisé une chambre d'ionisation de 0.22 cm3, des détecteurs thermoluminescents (TLD) cylindriques au fluorure de lithium de 1 mm de diamètre et 3 mm de long et des transistors à effet de champs à jonction métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET). Pour le 144Ce, seule la chambre d'ionisation a été employée. L'objectif fixé pour l'écart entre les simulations Monte Carlo et les mesures expérimentales est de 5 et 15 % pour l'192Ir et le 144Ce respectivement. Nous montrons que l'objectif est atteint pour l'192Ir avec la chambre d'ionisation et les MOSFET; une erreur expérimentale systématique induit un écart légèrement plus grand pour les TLD. Les mesures au 144Ce montrent également un très bon accord, avec des écarts globalement inférieurs à 10 %. Pour la comparaison des calculs dosimétriques avec d'autres résultats numériques, nous avons choisi le programme commercial PLATO BPS, utilisé à l'Hôpital Universitaire de Genève lors de la planification du traitement à l'192Ir et une interpolation mathématique pour cette même source se fondant sur la norme TG-43. La comparaison avec PLATO BPS, autant pour une source unique que pour le traitement complet de douze patients traités entre décembre 2003 et juillet 2004, montre un bon accord. La même conclusion ressort de la comparaison avec la fonction d'interpolation mathématique, achevant la démonstration de la justesse et de la pertinence des bases de données dosimétriques. D'autre part, la routine d'optimisation des temps d'exposition de la source en chaque endroit, repose sur un algorithme de recuit simulé qui minimise une fonction objectif accordant à chaque point d'optimisation une pénalité d'autant plus grande que la dose s'éloigne plus de la prescription dans l'organe considéré. Par ce biais, nous fixons les doses extrémales dans la tumeur et dans les divers organes à risque, notamment l'urètre, le rectum et la vessie. La validation de la routine d'optimisation prend en compte à nouveau les caractéristiques des traitements des douze patients obtenus avec PLATO BPS. Nous montrons à cette occasion que le programme PROTON est considérablement plus efficace pour suivre la prescription imposée. De plus, il permet de procéder à un traitement en utilisant un autre type de source dont on dispose d'une base de données. Dans l'étude présente, nous avons utilisé l'169Yb, qui permet des traitements dosimétriques très similaires à ceux de 192Ir, et le 144Ce, qui montre certains avantages sur l'192Ir, notamment pour une petite tumeur proche d'un organe à risque. En dernier lieu, nous présentons l'intégration du programme de dosimétrie et d'optimisation PROTON dans l'interface graphique en cours de développement au Laboratoire de Traitement du Signal dans le contexte d'un traitement fictif à 192Ir. Les étapes principales du traitement sont illustrées, de la visualisation des plans tomographiques au dessin du contour des organes, de la vérification de l'implantation à l'affichage des résultats. En définitive, il a été démontré que les routines développées pour la dosimétrie et l'optimisation sont adaptées et applicables au calcul des temps d'exposition des sources lors d'un traitement par brachythérapie interstitielle à haut débit de dose de la prostate. Intégrées dans une interface graphique appropriée, elles permettent la pré-planification du traitement. Il apparaît cependant qu'une interpolation mathématique des bases de données dosimétriques permettrait notamment un gain de temps durant l'optimisation. Il s'agit là d'un aspect de développement futur proposé dans le contexte de cette recherche.