Brevet FR2694504A1 — publié le 19940211

La présente invention est relative à un procédé pour le traitement de lésions par rayonnement à haute énergie. Elle concerne plus particulièrement un procédé d'irradiation des lésions cérébrales par utilisation d'une source de rayons gamma associée à un collimateur. L'invention est de même relative au dispositif de traitement mettant en oeuvre le procédé. Dans les appareils à rayonnement gamma utilisés à ce jour la destruction des lésions cérébrales traitées par neurochirurgie non intrusive, est obtenue par la focalisation précise du rayonnement gamma sur la tumeur à traiter Cette destruction doit faire l'objet d'une attention très particulière quant aux doses de rayonnement reçues et absorbées par les tissus sains. Selon une première méthode connue, on utilise une mono source très intense dont le rayonnement est focalisé par un collimateur en un faisceau cylindrique étroit L'intensité de ce mono faisceau oblige à appliquer un mouvement orbital continu autour de la lésion à traiter afin d'éviter la destruction des tissus intermédiaires traversés par le faisceau de très haute activité. Le mouvement orbital continu est obtenu par motorisation des composants lourds qui sont le porte- source, le collimateur et les blindages associés. Selon une seconde méthode connue, le risque de destruction des tissus sains est réduit par l'utilisation d'un ensemble de sources dont l'intensité individuelle ne peut pas entraîner des lésions aux tissus sains En revanche, la focalisation individuelle de chacune de ces sources génère par sommation une dose intégrée suffisante pour le traitement de la lésion elle-même. La méthode ci-dessus, telle que décrite par exemàple dans le brevet US-A-4780898, nécessite l'implantation de sources radioactives de très petit diamètre, généralement de l'ordre du millimètre, et de leur collimateur respectif Ces collimateurs, usinés dans des blindages du genre plomb, sont typiquement proches en nombre de 200 et leur usinage requiert des opérations longues et coûteuses De plus, les sources sont éloignées du point de focalisation et une grande partie de leur énergie est convertie en chaleur par l'absorption des rayonnements par les composants eux-mêmes Il en résulte que seule une faible partie des rayonnements traverse l'alésage servant de collimateur et constitue ainsi les seuls rayonnements utiles pour le traitement. Cette méthode présente des inconvénients d'une part technologiques liés à la géométrie des composants et au mauvais rendement des sources et d'autre part économiques par l'absence d'optimisation de composants coûteux. On a par ailleurs étudié un appareil visant à éliminer les défauts majeurs des méthodes citées ci- dessus en limitant la télécommande des composants les plus lourds et en diminuant le nombre de sources et leur dispositif de collimation associé. Les recherches effectuées ont permis de maîtriser le déplacement relatif des sources et du patient ainsi que l'énergie nécessaire au traitement ponctuel des tumeurs. Toutefois ce traitement ponctuel bien qu'il rende possible le traitement de la superficie d'une tumeur par déplacements relatifs, nécessite une durée d'irradiation relativement importante et ne satisfait pas pleinement les thérapeutes qui cherchent à obtenir une dose létale dans un volume bien délimité correspondant aux dimensions de la tumeur à traiter. C'est pourquoi, la présente invention a pour objet un procédé de contrôle d'un faisceau de rayon- nements gamma pour le traitement par irradiation et en particulier pour le traitement des lésions cérébrales, caractérisé en ce qu'on focalise, dans une première étape, les rayonnements d'une source selon un cheminement annulaire sensiblement divergent, puis qu'on écrête, dans une seconde étape, le faisceau annulaire ainsi créé des rayonnements obliques engendrés, et qu'on focalise, dans une ultime étape, le faisceau annulaire selon un cheminement annulaire sensiblement convergent jusqu'à l'obtention d'une tache focale volumique d'intensité et de dimension correspondant au traitement d'une lésion d'un volume donné. Selon une caractéristique particulière la mise en oeuvre d'un faisceau de rayonnements à focalisation divergente suivie d'une focalisation convergente permet l'optimisation de l'énergie de la source et l'obtention d'un gradient de décroissance plus élevé dans la zone d'occultation de la source. L'invention concerne de même un appareil pour le traitement des lésions comportant au moins une source radioactive associée à des composants tels que collimateur, blindage et organes de réglage caractérisé en ce que le collimateur comporte un élément absorbant mâle de profil divergent-convergent. Selon l'invention la partie mâle comporte en son milieu une zone pourvue d'ailettes assurant l'absorption des rayonnements périphériques parasites. Selon une caractéristique essentielle les profils de la partie mâle et du canal formant la partie femelle du collimateur sont complémentaires et définissent un espace annulaire divergent- convergent permettant l'obtention d'une tache focale. L'invention sera mieux comprise à l'aide de l'exemple non limitatif qui va être décrit et des figures qui y sont jointes et dans lesquelles la figure 1 est une coupe vue de face de l'ensemble source-collimateur- blindage d'un appareil de traitement auquel s'applique l'invention, la figure 2 qui représente schématiquement trois dispositifs de focalisation dans lesquels la figure 2 a montre l'art antérieur constitué par une source unique de haute intensité, la figure 2 b montre un ensemble source-collimateur pour irradiation ponctuelle, la figure 2 c montre un ensemble source-collimateur pour irradiation volumique, la figure 3 est une vue en coupe d'un collimateur conforme à l'invention, la figure 4 est une vue de détail selon une coupe de la partie médiane du collimateur de la figure 3, la figure 5 est une vue en coupe de la partie mâle du collimateur de la figure 3. La figure 1 représente l'ensemble 1 comportant les porte-sources et porte-collimateurs d'un appareil pour le traitement des lésions cérébrales. Cet ensemble 1 possède la forme d'une demi- sphére dont le côté ouvert 2 permet de laisser passer une table, non représentée, portant le patient. Cet ensemble comporte un blindage extérieur 3 constitué par une forte épaisseur de plomb, une coquille 4 perforée constituant le porte-sources et un porte- collimateurs 5 de forte épaisseur définissant une surface intérieure sphérique 6. Le porte-sources 4 et le porte-collimateurs 5 sont fixés de façon amovible au blindage 3 à l'aide d'une bague 7 maintenue par un flasque annulaire 8. Cet ensemble est traversé de part en part par des canaux radiaux 9, 10 et 11 disposés de telle manière que leurs axes respectifs convergent vers le point central de la demi-sphère. Ces canaux, dont un seul alignement est représenté sur la figure 1 répondent à trois fonctions différentes A savoir, le canal 9 permet la manutention, le maintien et le blindage d'une source radioactive 12 notamment d'une source de Césium 137 La source 12 est positionnée dans le canal 10 afin que sa surface affleure l'extrémité du canal collimateur 11. Les canaux collimateurs 11 sont usinés dans le porte-collimateurs 5 constitué d'un matériau absorbant fortement les rayons gamma Ces matériaux sont de manière préférentielle le plomb pur ou allié, le tungstène, l'uranium naturel, l'uranium appauvri en isotope 235, recouvert ou non d'un alliage inoxydable On notera que les meilleurs résultats sont obtenus avec le couple Césium 137, Uranium (naturel ou appauvri). Comme représenté sur la figure 2 a, l'art antérieur met en oeuvre des collimateurs de rayonnements gamma constitués d'une unique source, très souvent du Cobalt, associée à un simple alésage dans lequel la source génère un faisceau de largeur utile L. Cette disposition comporte des inconvénients dont le majeur est constitué par la destruction des tissus sains avoisinants la lésion T et soumis à la même dose d'irradiation que cette dernière. Cette disposition nécessite de plus l'utilisa- tion de sources de haute intensité dont une partie importante des rayonnements émis est absorbée et transformée en chaleur dans le matériau du porte- collimateurs 5, ce qui lui confère un rendement mineur pour un coût excessif. La figure 2 b représente schématiquement un ensemble porte-sources 4 équipé de plusieurs sources 12, 12 a, 12 b de rayons gamma d'un diamètre de 10 millimètres environ Ces sources 12 sont disposées dans les canaux 10 du porte-sources 4 et sont ainsi positionnées au droit des canaux collimateurs 11. Comme représenté sur la gauche de la figure 2 b, le canal collimateur 11 est en forme de cône dont la base présente un diamètre proche du diamètre extérieur de la source 12 et dont le sommet possède une section de diamètre inférieur à ce dernier définissant ainsi, entre ces diamètres, un chemin convergent La paroi conique de ce canal 11 focalise le rayonnement gamma en limitant l'absorption parasite par la masse du matériau porte- collimateurs 5 Cette focalisation est toutefois améliorée par la présence d'un élément absorbant mâle 13 de forme conique disposé au centre du canal Il et au contact de la source 12 par sa base. Cette géométrie définie par deux cônes de même sommet et dont les bases déterminent une surface utile émissive de forme annulaire S, procure un spectre de flux maximalisé au sommet S' commun aux deux cônes On notera que le cône interne est défini par la surface de la partie mâle ou aiguille 13 qui est de manière préférentielle de même matériau absorbant que le matériau du porte-collimateurs 5 recevant les canaux 11 dont la paroi définit le cône externe Ce matériau est essentiellement de l'uranium soit sous sa forme naturelle soit sous sa forme appauvrie en isotope 235. Le flux maximalisé F en sortie de canal 11 définit un faisceau annulaire focalisé de telle manière que ses génératrices convergent en un point P sur la cible constituée par la lésion T. Il est évident que les diamètres respectifs du canal 1 h et de l'aiguille 13 sont calculés pour obtenir un point focal P le plus précis possible et dans le même temps une puissance maximum du faisceau annulaire sur ce point. Cette réalisation est limitée par ce compromis car il est acquis que si l'on augmente la section utile du faisceau annulaire pour exploiter le maximum d'intensité de la source et ainsi augmenter la puissance d'irradiation sur la lésion T, la convergence des rayonnements intervient dans un plan trop éloigné pour demeurer efficace. La figure 2 c montre enfin une réalisation préférentielle de l'invention dans laquelle la collimation du rayonnement gamma d'une source radioactive du type Césium 137 permet l'obtention d'une dose d'irradiation donnée dans un volume V défini. En effet le thérapeute cherche à réduire la durée importante d'irradiation nécessaire lors des traitements par faisceau ponctuel et vise à obtenir une dose létale dans un volume défini, assez réduit mais convenant pour les plus petites lésions à traiter. Le traitement de ces lésions de l'ordre de quelques millimètres d'épaisseur impose évidemment que la décroissance de la dose soit aussi forte que possible au delà du volume traité. La figure 2 c montre de façon schématique une aiguille 13 constituant le collimateur de l'invention permettant d'obtenir une tache focale volumique V ou volume cible assurant ainsi l'irradiation complète de la lésion. Cette aiguille 13 se compose d'une partie terminale 14 contiguë aux sommets des deux cônes formés respectivement par la surface de ladite partie 14 et la surface 17 du canal assurant ainsi la création et le contrôle d'un faisceau annulaire S' dont les génératrices convergent vers la lésion T et définissent le volume cible V. Une partie médiane 15, comportant des ailettes en uranium 18, disposée de telle manière que les ailettes 18 délivrent dans l'intervalle conique générateur du faisceau annulaire S' un flux maximal contrôlé et "tranquillisé" c'est à dire un flux écrêté des rayons périphériques obliques. Une partie tronconique 16, dont la base est située à la partie médiane 15 et dont le sommet vient en appui sur la surface d'une source 12, définit avec la surface de la paroi du canal 11 un espace annulaire de forme divergente possédant une surface S de dimension supérieure à la surface au contact avec la partie médiane ailettée 15. La nouvelle géométrie de l'aiguille 13 qui assure la création et le contrôle d'un faisceau utile sur une plage homogène ou un volume plus important permet ainsi d'extraire une plus grande intensité de la source tout en augmentant le gradient de décroissance dans la zone d'occultation Z de la source. Cette géométrie présente une forme générale de deux cônes assemblés par leurs bases et de sommets opposés définissant ainsi un ensemble présentant un profil divergent-convergent. La figure 3 représente une réalisation conforme à la figure 2 c dans laquelle le collimateur 13 est disposé dans un bloc 19 adaptable dans un blindage. Le collimateur 13 et le bloc 19 sont en uranium naturel ou appauvri Ils peuvent être complétés par une protection de plomb d'environ 1 millimètre pour améliorer la filtration de sortie. La figure 3 montre en détail le collimateur 13 positionné dans les canaux 11 et 17 A titre d'exemple le canal 11 est constitué par un alésage de diamètre 19 mm, apte à coopérer avec une source de Césium 137 de 20 mm de diamètre Le canal 17 est lui de forme tronconique et possède une base de 15 mm et un sommet de 10 mm. La partie médiane 15 est positionnée dans l'alésage 11 avec un léger jeu et la partie inférieure des ailettes 18 repose sur un épaulement 20 pratiqué à la jonction des canaux il et 17. L'aiguille mâle 13 est elle-même dimensionnée pour coopérer avec le profil des canaux 11 et 17 A titre indicatif l'aiguille possède un diamètre médian de 10 mm alors que ses extrémités sont réduites à des diamètres de 7 ou 9 mm comme représenté sur la figure 5. La figure 4 montre en coupe la répartition des ailettes en nombre de 6 mais il est évident que cette partie médiane 15 peut être équipée d'un nombre différent adapté à l'intensité recherchée du faisceau. On décrira maintenant le procédé de fonctionnement de l'installation. Après avoir prédimensionné la lésion T, le patient est positionné sur le site d'irradiation 2 desservi par l'ensemble porte sources-porte collimateurs 1 Un clapet en matériau absorbant, non représenté, est alors effacé et le traitement de la lésion T s'effectue par un ensemble de sources-collimateurs fonctionnant comme suit. La source 12 émet ses rayonnements gamma selon une diffusion azimutale Ces rayonnements sont, dans cette première étape, focalisés par les parois du canal 11 pour produire un faisceau de rayonnements utiles. Cette focalisation est complétée par la focalisation obtenue grâce à la paroi de la partie tronconique 16 qui occulte faiblement la surface de la source 12, ce qui permet l'obtention d'un faisceau annulaire S s'amplifiant le long du cheminement annulaire défini par les parois sensiblement divergentes. Cette amplification a pour conséquence un risque de création de rayonnements obliques parasites qui réduisent l'efficacité de la source et rendent difficilement contrôlable l'action du faisceau sur les tissus sains dans la zone d'occultation Z d'irradiation de la source. Le faisceau annulaire amplifié pénètre alors dans la partie intermédiaire 13 équipée des ailettes 18. Dans cette seconde étape les ailettes agissent à la manière d'un tranquilliseur en écrêtant les rayonnements obliques proches des génératrices de l'hyperboloïde constituée par le faisceau annulaire. Ce faisceau F écrêté dont les émissions sont contrôlées se présente sous la forme d'une veine annulaire type fluide à l'entrée d'une troisième étape de contrôle de sa focalisation. Le faisceau, à mi-chemin de son parcours dans le collimateur possède alors un maximum de puissance. Dans la troisième étape, la partie terminale prend alors en charge le faisceau et le focalise en lui faisant suivre, grâce aux parois, un cheminement annulaire oblique de façon à ce que l'ensemble des génératrices constituant ce faisceau annulaire F converge jusqu'à une zone correspondant à l'emplacement de la lésion T o elles définissent un volume cible V de dimension et d'intensité nécessaires au traitement d'une lésion T d'un volume donné. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus Elle en implique au contraire toutes les variantes et en particulier elle protège toute méthode de contrôle d'un faisceau annulaire dès lors que le traitement de lésion cérébrales s'effectue à l'aide d'un faisceau annulaire utilisé en irradiation ponctuelle ou volumique. REVENDICATIONS 1 Procédé de contrôle d'un faisceau (F) de rayonnements gamma pour le traitement par irradiation et en particulier pour le traitement des lésions cérébrales, caractérisé par les étapes suivantes: on focalise, dans une première étape, les rayonnements d'une source selon un cheminement annulaire sensiblement divergent on écrête, dans une seconde étape, le faisceau annulaire ainsi créé des rayonnements obliques engendrés on focalise, dans une ultime étape, le faisceau annulaire selon un cheminement annulaire sensiblement convergent jusqu'à l'obtention d'une tache focale volumique (V) d'intensité et de dimension correspondant au traitement d'une lésion (T) d'un volume donné. 2 Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les focalisations divergente et convergente définissent un faisceau annulaire à émissions contrôlées. 3 Procédé suivant la revendication 2 caractérisé en ce que des ailettes ( 18) de tranquillisation écrêtent le faisceau annulaire des rayonnements obliques parasites participant ainsi au contrôle du gradient de décroissance dans la zone (Z) d'occultation de la source ( 12). 4 Appareil pour le traitement des lésions cérébrales par un faisceau de rayonnements gamma comportant au moins une source radioactive ( 12) associée à un ensemble ( 1) comportant au moins un porte-source ( 4) et un porte-collimateur ( 5) caractérisé en ce que le canal collimateur ( 11) et l'élément absorbant mâle ( 13) qu'il contient définissent un espace annulaire (S) de forme convergente. Appareil suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'élément absorbant mâle ( 13) présente un profil divergent- convergent constitué par deux parties ( 16-14) de forme conique associées par leurs bases. 6 Appareil suivant la revendication 5 caractérisé en ce que l'élément absorbant mâle ( 13) comporte une partie médiane ( 15) équipée d'ailettes ( 18) de tranquillisation du faisceau (F). 7 Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les blindages ( 3), porte-sources ( 4), porte-collimateurs ( 5), éléments mâles ( 13) sont en un même matériau absorbant les rayonnements. 8 Appareil suivant la revendication 7 caractérisé en ce que le matériau est de l'uranium naturel ou appauvri en isotope 235. 9 Appareil suivant l'une quelconque des revendications 4 à 8 caractérisé en ce que le collimateur comporte une protection en plomb pour filtrer les rayonnements à leur sortie.