Brevet FR2516389A1 — publié le 19830520

La présente invention est relative à une unité à plusieurs faisceaux convergents pour irradiation (UMIC) et en particulier à une association entre un accélérateur linéaire (A L) et un système stéréotaxique, qui procure d'importants avantages par rapport aux dispositifs utilisés actuellement pour irradier les structures cérébrales. La stéréotaxie a commencé au début du siècle avec un appareil mis au point par Horsley et Clark qui,utilisé chez des animaux d'expérimentation, a permis de localiser avec précision différentes structures intracérébrales et pour les atteindre au moyen d'électrodes de stimulation et de coagulation Cette technique s'est développée jusqu'à ce qu'en 1947 Spiegel et Wycis présentent aux Etats-Unis d'Amérique la première conception d'un appa- reil stéréotaxique adapté à l'homme Peu de temps après, d'autres conceptions ont été présentées dans différentes sociétés scien- tifiques de divers pays. En France, le Pr Jean Talairach fut le pionnier dans cette discipline et ses travaux constituent l'oeuvre d'ensemble la plus importante de la neurochirurgie d'après guerre. Les possibilités actuelles de visualiser dans chaque cas individuel le parcours des vaisseaux encéphaliques, permet- tent de situer avec précision les sillons et les circonvolu- tions cérébrales et d'effectuer, grâce à cela, des biopsies multiples Un diagnostic exact et l'histopronostic qui en résulte, permettent alors de faire un choix thérapeutique. Les possibilités de traitement sont: a) Ablation chirurgicale (totale ou partielle) si la topographie et l'extension de la lésion le permettent. b) Implantation interstitielle radioactive (avec 192 Iridium ou 125 Iode). c) Irradiation externe par un accélérateur linéaire avec une meilleure pénétration et une diminution de l'effet sur la peau en comparaison avec le 60 Co, par exemple. d) Irradiation par le 60 Co par plusieurs sources fixés (Gamma-Unit) dont il sera question plus loin et,pour finir, e) L'irradiation par plusieurs faisceaux convergents dans des conditions stéréotaxiques, qui fait l'objet de la présente invention. Des méthodes d'irradiation qui nous intéressent, on peut dire que l'implantation interstitielle s'utilise sur des petites tumeurs gliales de bas niveau de malignité. L'irradiation par téléthérapie avec un accélérateur linéaire est employée seulement dans des tumeurs très étendues, ou bien dans des protocoles d'association "interstitielle-té- léthérapie avec accélérateur", avec une dose tumoricide très importante dans la cible tumorale et une dose réduite dans la périphérie pour détruire les cellules tumora Ies à distance du centre de la lésion et qui seront celles qui produiront les récidives. L'utilisation de l'unité à faisceaux multiples conver- gents, qui fait l'objet de la présente invention, se base sur la nécessité de donner une haute dose au centre de la tumeur avec une décroissance rapide de la dose autour de ce centre, et aussi la possibilité de protéger les structures normales et non infiltrées par la tumeur, sans pour autant réduire la dose délivrée à cette dernière. De nombreux travaux ont montré que, au fur et à mesure que le volume d'irradiation augmente, que ce soit par téléthé- rapie ou bien interstitielle, les possibilités de radionécrose augmentent parallèlement La radionécrose signifie la mort de la tumeur dans un nombre important des cas, mais les complica- tions peuvent aussi conduire à la même situation à son porteur. Sfi le volume dépasse les 5 x 5 x 5 cm, les radionécroses deviennent mortelles (même dans des cas o une ablation de cette masse est quelquefois possible) à cause d'un oedème non contrôlable. L'expérience personnelle sur 8 cas ayant fait l'objet de biopsies et de nécropsies, montre 8 radionécroses. Si la précision méthodologique permet, en temps voulu, une connaissance exacte de la lésion, il-serait idéal d'employer une thérapeutique qui, tout en restant efficace, soit la plus réduite possible Pour arriver à cette situation, il est nécessaire d'obtenir une parfaite localisation comme celle qui peut être obtenue par les techniques stéréotaxiques, avec un minimum de complications, grâce à la réduction du diamètre des faisceaux d'irradiation et à la multiplicité des portes d'entrée, pour donner avec de très petites doses pour chacune d'elles, une dose concentrée sur la cible, c'est- à-dire la tumeur, égale à la somme de toutes les portes d'entrée d'irradiation. La concentration de plusieurs faisceaux d'irradiation de haute énergie ( 6 à 12 Me V) convergents sur une cible peut donner les résultats cherchés. Les champs les plus petits utilisés pour les irradia- tions habituelles du système nerveux central sont de 4 x 4 cm. Comme on vient de le signaler, la radionécrose est le résultat des irradiations sur des volumes supérieurs à 5 x 5 x 5 cm, ce qui rend la limite de sécurité très étroite. L'unité de plusieurs faisceaux convergents pour accélé- rateur linéaire, conforme à la présente invention, trouve ainsi une indication spéciale sur des petites lésions, mais celles de diamètre moyen peuvent également être traitées mais avec des irradiations réalisées à des intervalles de temps différents Une condition spécifique de cette technique est qu'elle se fait dans une seule séance, ce qui modifie de façon très importante les conceptions classiques de la radiothérapie. Comme l'irradiation se fait sur de petits volumes, on peut augmenter la dose ce qui produit des modifications particuliè- res de la structure tumorale, comme par exemple la transforma- tion de tumeurs solides en kystiques ou de tumeurs hypodenses en hyperdenses radionécrotiques, qui, en raison de leur petit volume, peuvent être opérées ou bien diminuer de volume ce qui améliore les symptômes. Cette modification de la structure tumorale ouvre à son tour de nouvelles possibilités autant au niveau de l'inter- prétation que du traitement des tumeurs, qu'il s'agisse des gliomes ou bien des neurinomes du nerf acoustique, des adéno- mes de l'hypophyse, des craniopharingiomes, entre autres. D'autre part, des lésions vasculaires comme les angiomes artério-veineux, et certaines communications carotido- caverneuses, ont été traitées par des irradiations par plusieurs faisceaux, avec occlusion progressive des vaisseaux afférents, à cause d'une prolifération endothéliale par irradiation Ce sujet serait en lui-même suffisant pour justifier cette techni- que, qui offre des voies nouvelles à des problèmes complexes de la chirurgie vasculaire. Comme complément des indications signalées, on peut ajouter les radiolésions thérapeutiques, avec des troubles fonctionnels, ce qui permet la disparition de certains symptômes comme par exemple dans la maladie de Parkinson, dans la névrose obsessionnelle et dans certains syndromes douloureux. Après avoir travaillé à l'Université d'Upsala avec différents systèmes d'irradiation à haute énergie, les cher- cheurs de l'H Zpital Karolinska de Stockholm trouvèrent que les différents systèmes de haute énergie disponibles à ce moment-là n'étaient pas utilisables au niveau de l'-H Ipital. C'est ainsi que le groupe dirigé par le Pr Lars Leksell, conçut un équipement très complexe avec plusieurs sources de cobalt 60. Cet appareillage connu comme "Gamma Unit" se caractérise en ce qu'il comporte-une calotte hémisphérique qui porte actuel- lement 200 sources de 60 Co, orientées radialement vers un centre qui peut ainsi recevoir une très haute dose de radia- tion La périphérie de ce volume reçoit une petite dose grace à la multiplicité des portes d'entrée. Cette solution présente des inconvénients, en partie dûs à la complexité et au prix très élevé de l'appareillage, ainsi qu'aux limitations de ses applications même au niveau neurochirurgical, ce qui réduit encore plus ses possibilités d'utilisation A ceci vient s'ajouter la décroissance de la radioactivité, ce qui entraîne la nécessité du remplacement des sources au bout d'un certain temps L'énergie du 6 Co, varie de 1,17 à 1, 33 Me V et est donc très inférieure à celle produite par les accélérateurs qui varient de 6 à 18 Me V. D'autre part, les portes d'entrée sont multiples mais fixes ce qui limite ses possibilités d'utilisation et augmente de cette façon considérablement le prix, ce qui restreint dans le sens économique, les possibilités de traitement. Les demandeurs ont cherché une solution satisfaisante à tous ces problèmes, en particulier par l'utilisation de la haute énergie, en combinaison avec-les techniques stéréota- xiques. Un accélérateur linéaire est un système d'irradiation de haute énergie qui a d'autres applications en dehors de la neurochirurgie, en particulier les traitements de radiothé- rapie. La combinaison qui permet d'obtenir l'unité à plusieurs faisceaux conformes à l'invention, permet d'obtenir un dispositif dont les possibilités d'irradiation sont plus éten- dues Le débit des photons par mm est 1000 fois supérieur à celui du 60 Co Les portes d'entrée multiples et variables, sur un secteur sphérique défini par les arcs de balayage combinés de l'accélérateur et du dispositif stéréotaxique, procurent une plus grande souplesse d'application. L'unité à plusieurs faisceaux d'irradiation convergents, qui fait l'objet de la présente invention, se base sur un système de stéréotéléradiothérapie, qui réunit toutes les caractéristiques recherchées et procure des avantages subs- tantiels sur tous les systèmes connus. L'ensemble ainsi obtenu comprend une modification et une adaptation du système stéréo- taxique pour le transformer en un système d'arc. Une collimation adéquate des photons de 10 Me V (éner- gie de l'accélérateur choisi) pour avoir une pénombre minimale. Un système de support du corps du malade, adaptable aux différentes positions de la tête, sans soumettre les supports du système stéréotaxique à une charge, tout en ayant un axe de rotation commun avec celui-ci. Dans cette conception, le système qui utilise les grilles comme voie d'abord, pour placer le centre du volume cible dans l'axe de rotation du cadre stéréotaxique, les grilles étant ensuite retirées, a été éliminé. Le cadre stéréotaxique ainsi transformé a la particula- rité de permettre que le centre d'une lésion dans un cerveau qui se trouve fixé par son crâne au cadre, devienne l'isocen- tre d'un système d'axes qui permettent au cadre d'effectuer un déplacement angulaire antéro-postérieur de façon à accéder à toute sa surface utile. Le cadre peut monter ou descendre pour mieux placer le centre du volume cible sur l'axe de rotation, et il est retenu avec des coulisses Cet axe de rotation, placé sur des crampons de chaque côté du système de fixation du cadre, est aligne de telle façon que son axe central coïncide avec le centre de la lésion à traiter Comme cette dernière peut se trouver sur la ligne médiane ou être déplacée vers un côté ou l'autre de cette ligne médiane, le système peut se déplacer à son tour latéralement dans les deux sens, jusqu'à 7 cm. Le dispositif permet de placer une lésion dans l'iso- centre du système, lequel coïncide à son tour avec l'isocentre de rotation de l'accélérateur linéaire avec lequel il est associé. L'ensemble a pour but de maintenir la coïncidence des deux isocentres et, dans ce but, le support du cadre stéréo- taxique est placé sur une base rigide et non déformable, avec des colonnes qui n'admettent pas de flexions dans les condi- tions d'utilisation auxquelles est soumise l'unité, et avec un système de règlage fin, pour faire coïncider l'isocentre mécanique et l'isocentre de l'accélérateur. Comme l'ouverture du collimateur de l'accélérateur est carrée ou rectangulaire, et que la plus petite des ouvertures employées couvre un champ de 3 x 3 cm, et comme on veut travail- ler avec un faisceau dans lequel la dose à la périphérie soit 1 % de la dose dans l'axe central du faisceau et que cette réduction ait lieu à 5 mm de l'axe d'un faisceau, il est nécessaire d'ajouter à l'accélérateur une collimation supplémentaire, qui s'interpose dans le trajet d'un champ de 2 x 2 cm dudit accélérateur. Le collimateur secondaire ajouté a un diamètre de cm et un orifice circulaire de 3,5,9 et 12 mm et 15 cm de lon- gueur Son extrémité distale se trouve à 12,5 cm de l'isocentre de l'accélérateur. La multiplication des portes d'entrées qu'on obtient avec l'unité, et qui constitue l'un de ses principaux avan- tages, a pour but, comme on l'a dit plus haut, de réduire au maximum l'irradiation des structures normales qui entourent la lésion On a imposé un maximum de 30 à 50 rads pour chaque porte d'entrée, chiffre très inférieur aux 200 rads pris par Leksell comme maximum dans son système décrit plus haut (Gamma-Unit) avec ses 200 sources de 60 Co. L'entrecroisement des faisceaux d'irradiation dans le plan cor'onal par rotation de l'accélérateur et dans le plan sagittal par rotation du système stéréotaxique (ssocié à 2 'accélérateur le premier) définissent une calotte sphérique virtuelle, en produisant un effet de "feux croisés" qui détermine un petit volume dans lequel l'irradiation sera maximale, le centre de ce volume coïncidant avec la cible à irradier. A la périphérie de ce volume, et grâce à la multiplici- té des portes d'entrée, on peut choisir parmi 1225 portes possibles si on prend des déplacements angulaires de 5 sur la calotte sphérique virtuelle pour des arcs de balayage compris dans un angle de 1750 (si l'on prend 1800 l'irradia- tion à ce niveau serait très supérieure à celle prévue); ou bien parmi 28900 entrées possibles si les déplacements de l'accélérateur linéaire et du système stéréotaxique sont de 16389 1 degré et sur des arcs de 1700 L'irradiation diminue rapidement à moins de 1 % de la dose centrale, ce qui per- met une excellente tolérance tissulaire et constitue ainsi un des plus importants avantages de l'invention. La combinaison du système stéréotaxique avec 1 'accé- lérateur linéaire possède comme caractéristique spéciale, la liaison entre le support de l'ensemble dont la base est solidarisée de façon inamovible avec la base de l'accéléra- teur, et dans laquelle le poids du corps du malade n'exerce aucune charge sur les supports du système stéréotaxique En dehors des caractéristiques de précision, l'appareil doit offrir des conditions de confort pendant le temps d'irradia- tion. Comme à chacune des positions successives du cadre stéréotaxique sur l'axe de rotation sagittal, correspond une série des positions successives de l'accélérateur linéaire sur le plan coronal, qui définissent la calotte sphérique virtuelle qui est destinée à recouvrir la boite cranienne, le corps du malade doit accompagner les différentes positions de la tête de façon à éviter les douleurs ou les contrac- tures au niveau de la région cervicale, qui doit compenser les mouvements de la tête. Pour atteindre les objectifs indiqués, on propose conformément à l'invention un siège pour le patient en trai- tement, avec un dossier et avec des moyens de règlage de sa position et de sa hauteur, lequel siège peut se déplacer sur des guides curvilignes dont le centre de courbure coinci- de avec l'isocentre du système. Outre les dispositions qui précèdent, l'invention comprend encore d'autres dispositions, qui ressortiront de la description qui va suivre - L'invention sera mieux comprise à l'aide du complé- ment de description qui va suivre, qui se réfère aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue d'ensemble en perspective de l'unité à plusieurs faisceaux convergents conforme à l'invention, la figure 2 est une vue latérale en élévation de l'unité de la figure 1, la figure 3 est une vue frontale en élévation, et la figure 4 est une vue partielle en perspective, o on voit certains détails du dispositif stéréotaxique qui forme, en combinaison avec un accélérateur linéaire, l'ensemble conforme à l'invention. Il doit être bien entendu, toutefois, que ces dessins et les parties descriptives correspondantes, sont donnés uniquement à titre d'illustration de l'objet de l'invention, dont ils ne constituent en aucune manière une limitation. Dans les figures, les mêmes références signalent les mêmes éléments ou des éléments correspondants et les lettres les pièces et/ou sous-ensembles différents. Comme on peut le voir aux dessins, l'unité à fais- ceaux multiples convergents qui fait l'objet de l'invention comprend un moyen d'irradiation constitué par un accélé- rateur linéaire a qui, associé à un système stéréotaxique monté sur une base b rigidement liée avec l'accélérateur linéaire a, permet d'obtenir un système d'irradiation convergent à entrées multiples, qui possède les caracté- ristiques et les avantages déjà signalés. L'accélérateur linéaire a est déplaçable angulaire_ ment autour d'un axe x et comporte un axe d'irradiation r, l'intersection de ces axes définissant l'isocentre de l'accélérateur Cet isocentre constitue ainsi un point imaginaire et fixe dans l'espace auquel, quelle que soit la position angulaire de l'accélérateur autour de l'axe x, se coupent l'axe x et l'axe d'irradiation r. La base b du système stéréotaxique, qui est sensi- blement rigide, est associée de préférence au-dessous du niveau du sol, avec la base de l'accélérateur a, consti- tuant ainsi un ensemble sans possibilité de déplacement relatif de ses composants De la base b montent deux colon- nes rigides 1 qui constituent les supports du cadre stéréo- taxique m (figure 4). Le cadre m, qui est pourvu de piliers -2, avec des tiges 3 a de fixation au crène du patient, comporte dans les côtés opposés des platines 4 par rapport auxquelles il peut se déplacer longitudinalement et être fixé par des vis dans la position voulue, lesquelles platines peuvent elles-mêmes être déplacées dans la direction normale à la précédente, dans des pièces 5 qui possèdent des orifices de fixation des moignons des barres 6 qui définissent l'axe Z de déplacement angulaire du cadre m Ce mouvement angulaire est commandé par un mécanisme denté 7, solidaire d'une vis sans fin 8, qui peut être actionné par une manivelle 9, comme le montre la figure 4. Le cadre m, fixe sur la boîte crânienne du patient, a alors les possibilités de mouvement signalées par des flèches, dans la figure 4 Les déplacements latéraux du cadre m sont règlés par le glissement axial des moignons de barres 6 dans les orifices supérieurs des colonnes 1. La fixation en position de l'axe Z est telle que celui- ci doit être dans l'isocentre de l'accélérateur linéaire, c'est-à-dire que les axes du mouvement angulaire x de l'accé- lérateur, Z du cadre stéréotaxique et l'axe r d'irradiation, se coupent dans l'isocentre qui, dans les conditions de fonctionnement de l'unité, doit coïncider avec la cible à irradier. Le glissement axial des moignons de barres 6 dans les extrémités supérieures des colonnes 1 permettent de dépla- cer latéralement le cadre m pour placer la cible (qui peut se trouver sur un côté)dans l'isocentre du système La base b de l'ensemble stéréotaxiqueprésente une piste formée par deux rails courbes 10 sur lesquels se déplace la base il d'un siège 12 pourvu d'un dossier 13 Le siège 12 et son dossier 13 comportent le règlage de la position et de la hauteur La base Il a une boite réductrice 14 avec une manivelle 15 de commande, la boite 14 est à son tour reliée avec une crémaillère 16 placée dans au- moins l'une des faces internes de l'un des rails courbes 10, comme le montrent les figures 1 à 3. Le centre de courbure des rails 10 coïncide avec la position de l'axe Z, qui contient l'isocentre du système, de telle façon que les déplacements angulaires du cadre m (avec la tête du patient) autour de l'axe Z, le siège 12 et le dossier 13 qui supportent le patient, se déplacent tous autour de cet axe, en suivant la rotation du cadre m. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, il est possible de réaliser des entrées multiples convergentes sur une cible à irradier, si elle se trouve dans l'isocentre du système, avec le mouvement combiné de l'arc de l'accélérateur linéaire a sur son axe de rotation x et du cadre stéréotaxique m autour de son axe Z, les deux mouvements de rotation définis- sant une calotte sphérique virtuelle, qui peut admettre ainsi une multiplicité d'entrées avec les avantages déjà signalés. En variante de l'invention, la possibilité de rotation du cadre m autour de l'axe Z peut être remplacée par sa rotation, avec le patient, autour de l'axe vertical y (figures 2 et 3), de cette façon la calotte sphérique virtuelle est définie par l'arc de déplacement angulaire du cadre m autour de son axe y, et de l'accélérateur autour de l'axe x Sur les deux arcs de balayage on peut choisir les multiples entrées d'irradiation, en nombre voulu, étant donné que l'irradiation est concentrée sur un petit volume autour de l'isocentre du système dans lequel se place la cible à traiter. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes de réalisation et d'application qui viennent d'être décrits de façon plus explicite; elle en embrasse au contraire toutes les variantes qui peuvent venir à l'esprit du technicien en la matière, sans s'écarter du cadre, ni de la portée, de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Unité à plusieurs faisceaux d'irradiation conver- gents, du type qui utilise comme moyen d'irradiation un accé- lérateur linéaire(a) pouvant se déplacer de façon angulaire autour d'un axe virtuel qui coupe son axe d'irradiation, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison avec l'ac- célérateur (a),un dispositif stéréotaxique constitué par un cadre(m) qui peut se déplacer de façon angulaire autour d'un axe (Z) lequel, est à son tour, sensiblement normal à l'axe (X) de dépla- cement angulaire de l'accélérateur linéaire(a)et qui contient l'isocentre de ce dernier, les arcs de déplacement angulaire de l'axe d'irradiation (r)de l'accélérateur linéaire (a) et du cadre stéréotaxique (m) définissant une calotte sphérique virtuelle dont le centre coïncide avec l'isocentre et o est placée la cible à irradier, une multiplicité de portes d'entrée d'irra- diation convergentes sur la cible pouvant étre déterminée sur la calotte sphérique virtuelle. 2 Unité à plusieurs faisceaux selon la revendication 1, caractérisée en ce que le cadre stéréotaxique (m) comporte, en dehors du système de fixation ( 3) du crâne à l'intérieur dudit cadre, d'autres systèmes de déplacement déterminant le règlage de la position du crâne par rapport à l'isocentre de l'unité, le cadre pouvant se déplacer angulairement autour d'un axe normal au déplacement angulaire de l'accélérateur, axe qui est défini entre deux colonnes de support ( 1) montées sur une base (b) liée de façon rigide à base de l'accélérateur (a),en ce que l'axe de déplacement angulaire du cadre stéréotaxique passe par l'isocentre de l'accélérateur linéaire sur lequel se trouve la cible à irradier; en ce que la base (b) à laquelle sont fixées les colonnes ( 1),porte une piste formée par deux guides curvilignes ( 10) sur lesquels peut se déplacer uh siège( 12),les centres de courbure desdits guides( 10) coincidant avec la position de l'axe de déplacement angulaire (Z) du cadre stéréotaxique (m) qui contient l'isocentre. 3 Unité selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le cadre stéréotaxique (m) est monté latéralement sur deux platines ( 4) par rapport auxquelles il peut glisser longitudinalement, ces platines pouvant elles- mêmes se déplacer dans une direction normale à la précédente par glissement sur des pièces ( 5) fixées aux extrémités de barres ( 6) qui définissent l'axe de déplacement angulaire (Z) du cadre (m), ces barres ( 6) étant elles-mêmes réglables en posi- tion sur les extrémités supérieures des colonnes de support ( 1) qu'elles traversent, en ce que le cadre (m) dans lequel peut être fixé le crâne du patient à traiter a, ainsi, la possibilité d'un déplacement tridimensionnel qui permet de placer la cible à irradier en coïncidence avec l'isocentre du système qui constitue le point de convergence des faisceaux d'irradiation. 4 Unité selon la Revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une structure de support d'un cadre stéréo- taxique (m) disposé en combinaison avec un accélérateur linéaire (a), lequel cadre (m) peut être réglé en position, par rapport à l'isocentre de l'accélérateur, et peut se déplacer de façon angulaire autour d'un axe vertical (X) qui contient cet iso- centre, les déplacements angulaires de l'axe d'irradiation (r) de l'accélérateur linéaire (a) et du cadre stéréotaxique (m) définissant une calotte sphérique virtuelle autour de cet iso- centre sur lequel peut être déterminée une multiplicité d'en- trées d-'irradiation convergentes et dans lequel est placée la cible à traiter. Unité selon l'une quelconque des Revendications précédentes, caractérisée en ce que, aussi bien le cadre stéréotaxique (m) que le siège ( 12) déplaçable monté sur la base (b) fixe de support du cadre (m), comportent des moyens de commande ( 14,15,16) de leurs déplacements pouvant être action- nés mécaniquement.