Recherche et développement au Centre de protonthérapie

Samuel Meyroneinc
09/08/2017
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Haut lieu de technologie, le Centre de protonthérapie a toujours été un centre hospitalier pilote en termes de recherche et développement.
Flash protonthérapie équipe
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Les équipes du Centre de protonthérapie possèdent une expertise reconnue dans plusieurs domaines de recherche et développement. La recherche en particulier s’oriente sur trois axes principaux : la clinique, la physique et la radiobiologie.

Une ligne de recherche expérimentale est en cours d’installation (livraison prévue en 2020). Elle permettra l’accès au faisceau aux équipes de recherche qui souhaitent étudier l’utilisation des protons pour des applications médicales, avec transfert direct vers le traitement en protonthérapie, en physique (médicales et nucléaire) et en biologie des radiations.

Ceci complètera les activités déjà en cours, dont les thématiques principales sont présentées ci-dessous.

 

Accélérateur & faisceau

Le Centre de Protonthérapie est doté d’un accélérateur de particules (cyclotron) qui produit un faisceau de protons ayant les caractéristiques nécessaires pour leur application médicale. Les équipes du centre sont investies dans des programmes de R&D pour l’amélioration des performances de la machine et de la qualité du traitement.

Le cyclotron (faisceau de protons d’énergie maximale de 230 MeV, réductible à 70 MeV en fonction des localisations à traiter) est équipé d’un système de production du faisceau, la source d’ions, qui assure la délivrance des protons. Le faisceau extrait, de dimensions millimétriques, est acheminé dans les salles de traitement via un système de transport constitué d’aimants. Sa mise en forme par rapport à la géométrie de la tumeur est réalisée soit : via des dispositifs de diffusion qui élargissent la taille du faisceau, couplés à des éléments qui en modulent l’étalement longitudinalement (Double Scattering - DS), soit via des aimants (Balayage ou Pencil Beam Scanning – PBS). Les équipes du centre et la société IBA (fournisseur de l’accélérateur) ont produit et continuent à développer des outils appropriés afin de vérifier les performances de la machine et à en assurer la fiabilité, et de garantir la bonne délivrance de la dose au patient. En particulier, c’est la mise en forme du faisceau selon la technique du PBS qui représente un des axes majeur d’investigation (thèse 2017 sur le balayage de la tumeur en utilisant un faisceau continu plutôt que la technique de routine dite de spot scanning). Les autres développements sont en étroite relation avec les projets de recherche en radiobiologie (mise en forme du faisceau pour les expérimentations précliniques « FLASH » et « pMBRT »).

Accélérateur-protonthérapie

Les collaborateurs travaillant sur le sujet

Annalisa Patriarca, ingénieur, PhD
J.D. Bocquet, assistant ingénieur
S Meyroneinc, ingénieur
C. Nauraye, physicienne médicale, PhD

Contact: prenom.nom@curie.fr

Imagerie & robotique

Le Centre de Protonthérapie a intégré dès 1991 des systèmes robotiques et de l’imagerie dans ses salles de traitement pour permettre la mise en place du patient face au faisceau de protons. Depuis lors, la robotique et l’imagerie médicale n’ont cessé d’être développées et améliorées dans notre centre pour bénéficier aux patients de l’Institut Curie et des autres centres.

Pour permettre la bonne délivrance de la dose lors d’un traitement de protonthérapie, la précision de mise en place du patient doit être millimétrique. Dans les années 90, les systèmes de positionnement du patient disponibles en radiothérapie ne suffisaient pas pour satisfaire ce besoin. Le centre de protonthérapie s’est alors tourné vers la robotique pour l’adapter à son domaine, en développant et en intégrant les premiers positionneurs robotiques médicaux du monde. Dès lors, la robotique médicale s’est largement démocratisée en radiothérapie et le Centre de Protonthérapie continue les développements dans ce domaine pour améliorer cette discipline et la rendre disponible pour les centres mondiaux.

Ce besoin accru de précision a également nécessité de grands progrès dans le domaine de l’imagerie médicale pour définir, quantifier et valider les différentes étapes d’un traitement par protonthérapie. Pour cela, le Centre de Protonthérapie développe depuis de nombreuses années des outils en imagerie pour aider au bon déroulement des séances de protonthérapie.

 

Imagerie-protontherapie

Les collaborateurs travaillant sur le sujet

J. Assuli, Ingénieur
I. Pasquié, physicienne médicale
L. De Marzi, physicien médical, PhD

Contact: prenom.nom@curie.fr

Radiobiologie

La radiobiologie est la discipline qui vise à comprendre les effets des rayonnements ionisants sur le vivant. C’est un domaine hautement interdisciplinaire dont les recherches s’orientent autour de deux grand axes qui sont le traitement du cancer et la radioprotection.

Historiquement, les protons ont été retenus pour traiter les cancers en raison des spécificités physiques de ces faisceaux. En effet, ce type de faisceau permet de diminuer la dose déposée dans les tissus sains entourant la tumeur.

De ce fait, les effets des protons sur le vivant sont moins bien connus, de par les informations générées par la communauté scientifique, que pour les rayonnements ionisants plus conventionnels (rayons X, électrons). Ces lacunes sont liées en partie à la rareté de ce type d’installation et aux difficultés rencontrées par les équipes de recherche pour utiliser ces installations.

Les axes principaux de recherche en radiobiologie dans ce domaine visent à comprendre les différences d’effets biologiques observées entre les rayons X et les protons (toxicité cellulaire, effets secondaire,…), à améliorer l’efficacité des traitements par protons (associations proton/chimiothérapie, développement de nouveau protocoles de traitements,…), à évaluer les effets des particules secondaires émises dans la trace du faisceau.

En particulier, une collaboration est en cours avec le CNRS – IMNC/NARA (Y. Prezado – chargée de recherche) sur le développement d’une technique d’irradiation innovante basée sur l’utilisation du fractionnement spatial de la dose (projet « Proton minibeam radiation therapy (pMBRT) : a new therapeutic approach » - PlanCancer 2014-2019).

Des collaborations entre l’hôpital et le centre de recherche de l’Institut Curie sont en cours afin de caractériser les effets biologiques des faisceaux de protons, comme par exemple la différence entre les techniques de faisceaux diffusés et balayés, la variation de l’efficacité biologique relative des protons dans les tissus (F. Megnin-Chanet – INSERM U1196/UMR9187 CMIB), ainsi que sur les propriétés des faisceaux de protons à très haut débit de dose (projet FLASH – C. Fouillade et V. Favaudon  - CNRS, Inserm, UMR3347, U1021, et PROMUFLASH – P. Verrelle – Institut Curie).

 

radiobio-proton

Les collaborateurs travaillant sur le sujet

V. Calugaru, oncologue radiothérapeute, MD, PhD
R. Dendale, oncologue radiothérapeute
C. Nauraye, physicienne médical, PhD
L. De Marzi, physicien médical, PhD
A. Patriarca, ingénieur, PhD
F. Pouzoulet, responsable de la plateforme de radiothérapie expérimentale Radexp

Contact : comex.cpo@curie.fr

Système d’information

Au démarrage du centre de protonthérapie en 1991, il n'existait pas de systèmes informatiques adaptés à cette discipline. C'est pourquoi les équipes du centre ont développé de nombreux logiciels qui gèrent à la fois les équipements et les données nécessaires à la réalisation des traitements.

Les systèmes informatiques sont aujourd’hui très présents. Il en est de même en protonthérapie. Depuis les données d’identification du patient jusqu’à la facturation à la sécurité sociale, en passant par les paramètres nécessaires pour délivrer un traitement personnalisé adapté à la pathologie du patient, toutes ces informations sont échangées numériquement.

Certains des logiciels utilisés à Orsay ont été spécifiquement développés en interne afin de correspondre au mieux aux spécificités de la discipline. C’est le cas pour les deux salles « historiques » du centre, mais également pour l’OIS (Oncology Information System), le logiciel au carrefour du système d’information qui échange aussi bien avec l’application de gestion d’identité qu’avec le système de contrôle du cyclotron pour orienter le faisceau vers l’une ou l’autre des salles de traitement. Ce logiciel évolue régulièrement afin de toujours rester en phase avec les besoins des utilisateurs et les autres logiciels avec lesquels il communique.

 

systeme-information

Les collaborateurs travaillant sur le sujet

Frédéric Martin, ingénieur
Caroline Devalckenaere, ingénieure

Contact: prenom.nom@curie.fr

Simulation numérique

La simulation numérique des faisceaux de protons de haute énergie et de la géométrie des lignes de traitement repose sur des méthodes de calcul, analytiques ou Monte Carlo. Depuis sa création en 1991, notre équipe développe les modèles pour le logiciel de planification de traitement (TPS), permettant de préparer, contrôler et analyser les effets des faisceaux sur les patients notamment pour les techniques par faisceau diffusé.

 

Logiciel-proton

▲ Exemple de planification de traitement : mini-faisceaux de protons balayés (PBS) (technique « Single Field Uniform Dose », logiciel Isogray®, société Dosisoft, France), comparaison avec la technique ditede diffusion passive et simulations Monte Carlo.

Nos travaux sur les simulations sont utilisés pour établir les librairies (données de base) de nos machines de traitement (ligne de faisceau), pour le contrôle qualité des faisceaux cliniques et aussi pour la modélisation des effets biologiques des radiations ionisantes (faisceaux primaires ou particules secondaires comme les neutrons). En effet, une attention particulière est portée sur les conséquences à long terme de la protonthérapie, et notamment chez les enfants. Afin d’optimiser de ce point de vue les techniques modernes de double diffusion (DS) ou de modulation d’intensité (IMPT) déjà utilisées au centre de protonthérapie d’Orsay, on réalise des études sur des fantômes anthropomorphiques et un calcul intensif par simulation Monte Carlo.

Toutes les lignes de traitement ont été précisément modélisées avec les outils de calcul MCNPX ou GATE/GEANT4 lors de collaborations entre l’Institut Curie et le CEA (IRFU, projet INCa-ANR2009), l’IRSN ou Dosisoft (projet « PROUESSE » ANR2009). Un « cluster » de calcul (8 nœuds) a été installé (mécénat AREVA 2012-2015) et permet de réduire significativement les temps de calcul. L’évolution des simulations vers la technique des balayages de mini-faisceaux fait actuellement l’objet d’un projet de recherche (projet « DEDIPRO », AAP Physicancer 2014-INSERM).

 

Les collaborateurs travaillant sur le sujet

L. De Marzi, ingénieur, physicien médical, PhD
S. Delacroix, physicienne médicale, PhD
C. Nauraye, PhD, physicienne médicale, PhD

Contact : prenom.nom[@]curie.fr.
 

Les dernières publications

Prezado Y, Jouvion G, Hardy D, Patriarca A, Nauraye C, Bergs J, Gonzales W, Guardiola C, Juchaux M, Labiod D, Dendale R, Jourdain L, Sebrie C and Pouzoulet F. (2017). Proton minibeam radiation therapy spares normal rat brain: Long-Term Clinical, Radiological and Histopathological Analysis. Scientific Reports 7, Article number: 14403

Fouillade C, Favaudon V, Vozenin MC, Romeo PH, Bourhis J, Verrelle P, Devauchelle P,  Patriarca A, Heinrich S, Mazal A, Dutreix M, (2017), Les promesses du haut débit de dose en radiothérapie, 4747(1), Bulletin du cancer

Marsolat F, De Marzi L, Pouzoulet F and Mazal A; (2016) , Analytical linear energy transfer model including secondary particles: Calculations along the central axis of the proton pencil beam , Phys. Med. Biol. 61 740–757

Marsolat F, De Marzi L, Patriarca A, Nauraye C, Moignier C, Pomorski M, Moignau F, Heinrich S, Tromson D, Mazal A (2016), Dosimetric characteristics of four PTW microDiamond detectors in high-energy proton beams, Phys Med Biol. 61(17):6413-29

Peucelle C, Nauraye C, Patriarca A, Hierso E, Fournier-Bidoz N, Martínez-Rovira I and Prezado Y (2015), Proton minibeam radiation therapy: Experimental dosimetry evaluation. Med. Phys., 42: 7108–7113

Bonfrate A, Farah J, De Marzi L, Delacroix S, Constant E, Hérault J and Clairand I (2016) Benchmarking Monte Carlo simulations against experimental data in clinically relevant passive scattering proton therapy beamline configurations. Radioprotection 51(2), 113-122

Farah J, Bonfrate A, De Marzi L, De Oliveira A, Delacroix S, Martinetti F, Trompier F, Clairand I (2015) Configuration and validation of an analytical model predicting secondary neutron radiation in proton therapy using Monte Carlo simulations and experimental measurements. Phys Med.Biol. 31(3) :248-256