Engineering challenges in protontherapy

Enseignants

Janssens Guillaume; Lee John; Sterpin Edmond;

Langue
d'enseignement

Anglais

Thèmes abordés

La protonthérapie gagne de plus en plus d'importance comme une modalité de traitement alternatif à la radiothérapie pour des types particuliers de patients et de cancers.
Comparés aux photons, les protons déposent leur énergie dans une région beaucoup plus localisée, ce qui permet de beaucoup mieux cibler la tumeur et réduit donc les effets secondaires, principalement au niveau des tissus sains.
Le cours se construit sur 4 piliers :
   Pilier 1 : l'oncologie par radiation.
-          Bases du cancer et de la carcinogenèse
-          Traiter le cancer avec des radiations : principes et éléments de radiobiologie
-          Etapes principales d'un protocole traitement par radiothérapie
-          Introduction à la thérapie par particules : principes et état de l'art
-          Radioprotection : blindage de la zone de traitement, protection du personnel et du patient
-          L'économie de la santé : options de traitement et aiguillage/orientation des patients, remboursement et impact sur les services de sécurité sociale
   Pilier 2 : les technologies pour la protonthérapie. Ce pilier donne un regard spécifique sur le processus de « livraison » du proton, çàd couvrant la génération du proton, son accélération (synchrotron/cyclotron), son convoyage par champs magnétiques, et jusqu'au dépôt dans une zone bien définie dans le patient.
-          Produire et accélérer des protons: cyclotrons et synchrotrons
-          Conception détaillées de cyclotrons (et synchro-cyclotrons)
-          Ligne de guidage du faisceau, magnéto-optique
-          Robotique : structures tournantes, systèmes de positionnement
-          Faisceau thérapeutique : pencil beam scanning (balayage par un faisceau fin)
-          Sécurité et assurance qualité dans les technologies médicales : automates de sécurité, interlocks, redondances, dispositifs de mesure du faisceau (chambres d'ionisation) et analyse des données du faisceau
   Pilier 3 : technologies auxiliaires pour la protonthérapie. Ce pilier couvre les dispositifs et flux de données associés au traitement (sa préparation, son exécution, et sa vérification), avec toutes leurs spécificités, en comparaison aux traitements par radiothérapie conventionnelle (rayons X).
-          Système de planification de traitement (treatment planning system, TPS), gestion informatique des dossiers oncologiques (oncology information system, OIS), imagerie ; rôle de l'intégration software
-          Calcul de dose, ce incluant des méthodes analytiques et stochastiques par simulations Monte Carlo, l'optimisation des plans de traitement, l'évaluation de leur robustesse face aux incertitudes et l'optimisation robuste.
-          L'imagerie dans et en-dehors de la salle de traitement (computed tomography (CT), on-board cone-beam CT (CBCT), imagerie par résonnance magnétique (MRI)). Reconstruction et analyses d'images.
-          Vérification in vivo de la longueur de parcours des protons: caméra à gamma prompt, radiographie proton et tomographie par émission de positons (PET)
Pilier 4 : les traitements du futur.
-          Le guidage par image : état de l'art et perspectives, évolution vers des traitements adaptatifs
-          Résoudre les challenges de la protonthérapie : voies d'innovation (incertitudes de longueur de parcours, imagerie du proton, etc.)
-          Traitements émergents : introduction à la thérapie par faisceau d'ions
Traitements émergents : combinaison de la radiation et de la médication

Contenu

La protonthérapie gagne de plus en plus d’importance comme une modalité de traitement alternatif à la radiothérapie pour des types particuliers de patients et de cancers. Comparés aux photons, les protons déposent leur énergie dans une région beaucoup plus localisée, ce qui permet de beaucoup mieux cibler la tumeur et réduit donc les effets secondaires, principalement au niveau des tissus sains.
Le cours se construit sur 4 piliers :
Pilier 1 : l’oncologie par radiation.

• Bases du cancer et de la carcinogenèse
• Traiter le cancer avec des radiations : principes et éléments de radiobiologie
• Etapes principales d’un protocole traitement par radiothérapie
• Introduction à la thérapie par particules : principes et état de l’art
• Radioprotection : blindage de la zone de traitement, protection du personnel et du patient
• L’économie de la santé : options de traitement et aiguillage/orientation des patients, remboursement et impact sur les services de sécurité sociale

Pilier 2 : les technologies pour la protonthérapie. Ce pilier donne un regard spécifique sur le processus de « livraison » du proton, çàd couvrant la génération du proton, son accélération (synchrotron/cyclotron), son convoyage par champs magnétiques, et jusqu’au dépôt dans une zone bien définie dans le patient.

• Produire et accélérer des protons: cyclotrons et synchrotrons
• Conception détaillées de cyclotrons (et synchro-cyclotrons)
• Ligne de guidage du faisceau, magnéto-optique
• Robotique : structures tournantes, systèmes de positionnement
• Faisceau thérapeutique : pencil beam scanning (balayage par un faisceau fin)
• Sécurité et assurance qualité dans les technologies médicales : automates de sécurité, interlocks, redondances, dispositifs de mesure du faisceau (chambres d’ionisation) et analyse des données du faisceau

Pilier 3 : technologies auxiliaires pour la protonthérapie. Ce pilier couvre les dispositifs et flux de données associés au traitement (sa préparation, son exécution, et sa vérification), avec toutes leurs spécificités, en comparaison aux traitements par radiothérapie conventionnelle (rayons X).

• Système de planification de traitement (treatment planning system, TPS), gestion informatique des dossiers oncologiques (oncology information system, OIS), imagerie ; rôle de l’intégration software
• Calcul de dose, ce incluant des méthodes analytiques et stochastiques par simulations Monte Carlo, l’optimisation des plans de traitement, l’évaluation de leur robustesse face aux incertitudes et l’optimisation robuste.
• L’imagerie dans et en-dehors de la salle de traitement (computed tomography (CT), on-board cone-beam CT (CBCT), imagerie par résonnance magnétique (MRI)). Reconstruction et analyses d’images.
• Vérification in vivo de la longueur de parcours des protons (caméra à gamma prompt, radiographie proton et tomographie par émission de positons (PET))

Pilier 4 : les traitements du futur.

• Le guidage par image : état de l’art et perspectives, évolution vers des traitements adaptatifs
• Résoudre les challenges de la protonthérapie : voies d’innovation (incertitudes de longueur de parcours, imagerie du proton, etc.)
• Traitements émergents : proton-thérapie rotationnelle
• Traitements émergents : introduction à la thérapie par faisceau d’ions
• Traitements émergents : combinaison de la radiation et de la médication

Méthodes d'enseignement

Le cours combine une série de séances ex-cathedra - donnant une forte importance sur les aspects « systèmes » d'un centre de protonthérapie - et des projets de groupe (apprentissage par projet, APP) menés par les étudiants. Les groupes sont composes de X étudiants (à déterminer). Les modalités pratiques (présentiel/comodal/distanciel) dépendent des conditions sanitaires.
Les sujets possibles pour les travaux de groupe (APP) sont :
-          Le pré-dimensionnement des équipements principaux (accélérateur, aimants d'une ligne de faisceau, besoins globaux en énergie/puissance/rapport de masse, ...)
-          Reconstruction CT/CBCT de base
-          Moteur de calcul de dosage de base
-          Stratégies pour gérer les incertitudes (par exemple au-travers de marges et/ou de planification robuste)
-          Last but not least, quelques activités pratiques pourraient être envisagées au sein du centre en protonthérapie Leuven/Louvain à l'horizon 2019-2020
Une visite sur site d'un centre de protonthérapie à proximité (max. 3 heures de voiture) pourrait être envisagée.

Modes d'évaluation
des acquis des étudiants

Examen Oral. Les modalités précises dépendent des conditions sanitaires (présentiel ou distanciel).

Ressources
en ligne

Voir le site Moodle : https://moodleucl.uclouvain.be/course/view.php?id=11642

Bibliographie

Haral Paganetti "Proton Therapy Physics" CRC Press

Faculté ou entité
en charge

GBIO