Les effets biologiques des rayonnements ionisants

Les effets biologiques des rayonnements ionisants

Les rayonnements de haute énergie (> 1 MeV) traversant la matière, provoquent des effets d’ionisation dans la matière. A haute énergie, selon le spectre des photons incidents, les effets physiques observés dans la matière sont de trois ordres (Figure 2) : l’effet photoélectrique (ℎ𝑣 < 1 𝑀𝑒𝑉), l’effet Compton (le plus probable en radiothérapie pour des (ℎ𝑣 > 1 𝑀𝑒𝑉)) et l’effet de création de paire (ℎ𝑣 > 15 𝑀𝑒𝑉).

Cependant, dans les tissus l’ionisation provoque des changements biologiques profonds qui se produisent peu de temps après l’irradiation. Les effets biologiques des rayonnements dépendent de la durée, de la fréquence (énergie) du rayonnement et de la répartition de la dose dans le corps. Si un rayonnement ionisant est administré à des doses élevées, il peut causer la mort cellulaire, mais aussi la mort des tissus (Figure 3).

Les rayonnements ionisants peuvent agir de façon directe sur la chaine ADN ou indirecte par réaction biochimique.

Les effets directs des rayonnements ionisants

La structure cellulaire peut être endommagée seulement si elle est affectée directement par les rayonnements ionisants. Les effets du rayonnement sur les macromolécules organiques de l’ADN et de l’acide ribonucléique (ARN) peuvent agir sur le développement des cellules saines et le fonctionnement du corps humain. Les effets directs du rayonnement affectent l’ordre des bases puriques et pyrimidiques dans les molécules d’ADN et d’ARN, perturbant la synthèse des protéines, comme le code génétique, et conduisent à des ruptures visibles de la chaine ADN. Dans les cellules, des enzymes sont capables de restaurer la molécule d’ADN, mais si le rayonnement atteint ce gène qui traite le processus de reconstruction, la cellule sera définitivement endommagée. Ceci est très important en radiothérapie, lorsque la dose est insuffisante pour endommager le gène qui se trouve dans le processus de récupération, les tumeurs continuent leur croissance après l’irradiation, ce qui conduit à l’effet inverse désiré (Ng et al., 2013).

Les effets indirects des rayonnements ionisants

Les effets des rayonnements ionisants sur le corps humain (en grande partie constitué d’eau) conduisent à la création d’électrons secondaires à partir des molécules d’eau, dont l’énergie de liaison est de 10-70 eV. Les électrons éjectés cèdent leur énergie à d’autres molécules d’eau au cours des interactions, participant à la création d’autres paires d’ions 𝐻2𝑂+ et 𝐻2𝑂− ou 𝐻+ et 𝐻−, et ceci tant que leur énergie ne chute pas en dessous de 7,4 eV (énergie d’excitation de l’eau).

Lors de l’étape physique, des molécules d’eau excitées, 𝐻2𝑂∗ sont créés. 𝐻2𝑂+ et 𝐻2𝑂∗ vont également subir des modifications chimiques.- Les molécules d’eau  excitées, 𝐻2𝑂∗ , subissent le plus souvent une dissociation pour conduire à la formation de 𝐻∗ et de 𝐻𝑂∗ . Les radicaux 𝐻∗ et 𝑂𝐻∗ sont instables du fait de leurs valences libres, créant d’autres radicaux libres 𝐻𝑂2 et 𝐻2𝑂2.
– Les ions 𝐻+ et 𝑂𝐻
− produisent de l’eau.
Les ions et les radicaux libres vont se recombiner (hors du lieu d’interaction du rayonnement), en agissant principalement sur les groupes d’enzymes –SH de la chaine ADN.

Définition des volumes-cibles en radiothérapie

Selon le rapport ICRU 50 (en anglais : International Commission on Radiation Unit) la radiothérapie est principalement basée sur l’administration de la dose prescrite à la région d’intérêt, avec une protection maximale des organes à risque environnants (Landberg et al., 1997). Le développement de la radiothérapie et surtout du radiodiagnostic (TDM, imagerie par résonance magnétique (IRM), TEP), assure une meilleure visualisation et détection des tumeurs par rapport aux tissus sains. La définition des volumes est une condition préalable à la planification du traitement en trois dimensions (3D). Les rapports ICRU 50 et 62 définissent des volumes-cibles prévisionnels (Stroom & Heijmen, 2002). Ces volumes utilisés pour la planification du traitement 3D sont présentés dans la Figure 4. Il s’agit du volume tumoral macroscopique (GTV), le volume-cible clinique (CTV), le volume-cible interne (ITV) et le volume-cible planifié (PTV).

Volume tumoral macroscopique (GTV)

Le volume tumoral macroscopique (en anglais : Gross Tumor Volume – GTV) représente la position et la taille de la tumeur visible, que nous pouvons toucher et diagnostiquer. Le développement des équipements de diagnostic a contribué à la définition du GTV, qui correspond au volume de tissu dans lequel nous pouvons localiser la plus grande quantité de cellules malignes (Landberg et al., 1997). L’information concernant le volume et l’histologie du GTV peut être obtenue de plusieurs façons :
– L’imagerie médicale : la TDM, la TEP/TDM, l’IRM, l’échographie ;
– Le diagnostic : les rapports pathologiques et histologiques.

Volume-cible clinique (CTV) 

Le volume-cible clinique (en anglais : Clinical Target Volume – CTV) est défini comme le volume de tissu contenant le GTV avec ou sans l’extension microscopique de la maladie (Landberg et al., 1997). Dans certains cas, le CTV englobe outre la zone autour du GTV, d’autres volumes qui sont considérés comme étant à haut risque et qui nécessitent un traitement spécifique (comme les ganglions lymphatiques positifs). Il peut y avoir plusieurs CTV pour différentes localisations, avec des doses différentes pour un même traitement. Le CTV est un volume clinique-anatomique défini par un radio oncologue, qui affecte une marge fixe ou variable autour du GTV. Ce volume doit être correctement défini afin d’atteindre l’objectif de la thérapie, le traitement ou le soin palliatif.

Volume-cible interne (ITV)
Le volume-cible interne (en anglais : Internal Target Volume – ITV) est définie comme le CTV plus les marges internes. Les marges internes prennent en compte les variations de taille et les incertitudes dues aux mouvements de la tumeur. Ces variations sont dues aux mouvements des organes (respiration, remplissage de la vessie, variation du contenu rectal) (Stroom & Heijmen, 2002). La délinéation de l’ITV consiste à délinéer le GTV dans toutes les phases d’un scanner TDM 4D.

Volume-cible planifié (PTV)
Le volume-cible planifié (en anglais : Planning Target Volume – PTV) est un concept géométrique, qui tient compte de toutes les variations géométriques possibles, de sorte qu’avec certitude toute la dose prescrite sera délivrée au CTV (Landberg et al., 1997). Le PTV inclus la marge cible interne et la marge d’incertitude sur le positionnement du patient (setup), de la tolérance balistique et des variations intra séances (Stroom & Heijmen, 2002). Il est décrit comme le CTV plus les marges fixes et/ou variables. Un PTV peut inclure un ou plusieurs CTV ciblés par un groupe de faisceaux. La détermination précise du PTV dépend des systèmes d’immobilisation, mais ne prend pas en compte les marges liées aux caractéristiques dosimétriques des faisceaux de rayonnement (la zone de pénombre et la zone de build-up), car ils nécessitent des marges supplémentaires dans la planification du traitement.

Volume traité
Il s’agit du volume contenu dans une surface isodose sélectionnée et spécifiée par le radiothérapeute comme appropriée pour traiter la maladie en cause (exemple : 95%). C’est celui effectivement traité qui doit correspondre au mieux au PTV.

Volume irradié
C’est le volume qui reçoit tout ou partie de la dose. En effet, les irradiations par photons vont délivrer, autour du volume qu’il faut traiter, une certaine dose aux tissus avoisinants. Il faut l’évaluer en fonction de la dose maximale tolérée aux organes à risques proches, par exemple le volume de l’isodose correspondant à 80 %, 50 % ou 25 % de la dose prescrite.

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Table des matières

1 INTRODUCTION
1.1 Le cancer du poumon
1.1.1 Origine et diagnostic
1.1.2 Les types de traitement
1.2 Les effets biologiques des rayonnements ionisants
1.2.1 Les effets directs des rayonnements ionisants
1.2.2 Les effets indirects des rayonnements ionisants
1.3 Définition des volumes-cibles en radiothérapie
1.3.1 Volume tumoral macroscopique (GTV)
1.3.2 Volume-cible clinique (CTV)
1.3.3 Volume-cible interne (ITV)
1.3.4 Volume-cible planifié (PTV)
1.3.5 Volume traité
1.3.6 Volume irradié
1.3.7 Organe à risque (OAR)
1.3.8 Volume prévisionnel des organes à risque
1.4 Les étapes du traitement des cancers pulmonaires en radiothérapie de l’hôpital Tenon
1.4.1 Préparation des traitements des tumeurs mobiles pulmonaires
1.4.2 Délinéation
1.4.3 Planification
1.4.4 Administration de la dose
1.5 Les techniques de planification du traitement des cancers pulmonaires
1.5.1 Radiothérapie conformationnelle 3D
1.5.2 Radiothérapie avec modulation d’intensité (IMRT)
1.5.3 Irradiation avec Modulation d’intensité Volumique par Arc Thérapie (VMAT)
1.5.4 Arc conformationnel dynamique (DCA)
1.5.5 Tomothérapie
1.5.6 Cyberknife
2 ANALYSE DU MOUVEMENT RESPIRATOIRE
2.1 Mouvement dans la cage thoracique
2.1.1 Le poumon
2.1.2 Mécanisme de la respiration
2.2 Mouvement respiratoire dans la cage thoracique
2.2.1 Mouvement du poumon
2.2.2 Mouvement du diaphragme
2.2.3 Mouvement du cœur
2.2.4 Mouvement des marqueurs
2.2.4.1 Mouvement des marqueurs internes
2.2.4.2 Mouvement des marqueurs externes
2.2.5 Mouvement des tumeurs pulmonaires
2.2.6 Prise en compte du mouvement des tumeurs pulmonaires en traitement
2.3 La problématique du mouvement respiratoire au cours de la chaine de traitement
2.3.1 Limitations pendant l’acquisition des images
2.3.2 Limitation durant la planification du traitement
2.3.3 Limitation pendant l’administration du traitement
2.4 Les techniques de traitement associées au mouvement respiratoire
2.4.1 Blocage volontaire
2.4.2 Compression abdominale
2.4.3 Tracking
2.4.4 Radiothérapie asservie à la respiration (RAR)
2.5 Les processus de la radiothérapie asservie à la respiration (gating)
2.5.1 Acquisition des données pour un traitement en gating
2.5.2 Planification du traitement en gating
2.5.3 Réalisation du traitement en gating
2.5.4 Imagerie pendant le traitement en mode gating
2.6 Notre approche
3 QUANTIFICATION DU MOUVEMENT TUMORAL
3.1 Méthodologie
3.1.1 Sélection des patients
3.1.2 Acquisition des données
3.1.3 Délinéation
3.1.4 Analyse des données
3.2 Le mouvement tumoral
3.3 La vitesse de la tumeur
3.4 La stabilité dans le mouvement tumoral
3.5 Conclusion
4 INFLUENCE DU MOUVEMENT TUMORAL EN TRAITEMENT
4.1 Evaluation du mouvement des marqueurs internes et externes en fonction du mouvement tumoral
4.1.1 Méthodologie
4.1.1.1 Sélection des patients
4.1.1.2 Acquisition des données
4.1.1.3 Mouvement des marqueurs internes
4.1.1.4 Mouvement des marqueurs externes
4.1.1.5 Analyse des données
4.1.2 Résultats
4.1.3 Discussion
4.1.4 Conclusion
4.2 Impact de la respiration dans la séance et d’une séance à l’autre sur le mouvement tumoral
4.2.1 Méthodologie
4.2.1.1 Sélection des patients
4.2.1.2 Acquisition des données
4.2.1.3 Délinéation
4.2.1.4 Analyse statistique des données
4.2.2 Résultats
4.2.3 Discussion
4.2.4 Conclusion
4.3 La dose délivrée aux OARs en fonction du mouvement tumoral
4.3.1 Méthodologie
4.3.1.1 Sélection des patients
4.3.1.2 Acquisition des données
4.3.1.3 Délinéation
4.3.1.4 Planification de traitement et les contraintes
4.3.1.5 Analyse des données
4.3.2 Résultats
4.3.3 Discussion
4.3.4 Conclusion
4.4 Réduction du temps de traitement en utilisant des faisceaux non filtrés (FFF)
4.4.1 Méthodologie
4.4.1.1 Sélection des patients
4.4.1.2 Acquisition des données
4.4.1.3 Délinéation
4.4.1.4 Planification du traitement
4.4.1.5 Les faisceaux FFF
4.4.1.6 Analyse des données
4.4.2 Résultats
4.4.2.1 Couverture du PTV
4.4.2.2 OARs centraux
4.4.2.3 Côtes
4.4.2.4 Temps de traitement
4.4.3 Discussion
4.4.4 Conclusion
4.5 Contribution de l’imagerie à la dose délivrée aux OARs
4.5.1 Méthodologie
4.5.1.1 Sélection des patients
4.5.1.2 Acquisition des données TDM et calcul de dose
4.5.1.3 Acquisition kV-CBCT et calcul de dose
4.5.1.4 Calcul de l’exposition totale des acquisitions d’imagerie
4.5.1.5 Planification du traitement et les contraintes aux OARs
4.5.1.6 Analyse des données
4.5.2 Résultats
4.5.3 Discussion
4.5.4 Conclusion
5 CONCLUSION

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