THÈse présentée à Nancy








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Institut National Polytechnique de Lorraine

THÈSE
Présentée à Nancy
En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Discipline : Imagerie et Rayonnements en Médecine
par

Fabrice LORCHEL

ETUDE DE MOBILITE ORGANIQUE ET IMPACT DOSIMETRIQUE DE L'ASSERVISSEMENT RESPIRATOIRE

DANS LA RADIOTHERAPIE DES CANCERS DE L'ŒSOPHAGE

Soutenue publiquement devant la commission d’examen

P. ALETTI HDR – Centre Alexis Vautrin – CRAN – Nancy Directeur de thèse

D. WOLF Professeur à l’INPL – CRAN CNRS UMR 7039 Co-Directeur
J.L. DUMAS Docteur en Physique Médicale – CHU Besançon Juge

A. NOËL HDR - Centre Alexis Vautrin – CRAN – Nancy Juge
F. MORNEX Professeur en Cancérologie – CHU Lyon Sud Rapporteur

JC ROSENWALD HDR – Institut Curie – Paris Rapporteur
J.F. BOSSET Professeur en Cancérologie – CHU Besançon Invité




Institut National Polytechnique de Lorraine

THÈSE
Présentée à Nancy
En vue de l’obtention du

DOCTORAT DE L’INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

Discipline : Imagerie et Rayonnements en Médecine
par

Fabrice LORCHEL

ETUDE DE MOBILITE ORGANIQUE ET IMPACT DOSIMETRIQUE DE L'ASSERVISSEMENT RESPIRATOIRE

DANS LA RADIOTHERAPIE DES CANCERS DE L'ŒSOPHAGE

Soutenue publiquement devant la commission d’examen

P. ALETTI HDR – Centre Alexis Vautrin – CRAN – Nancy Directeur de thèse

D. WOLF Professeur à l’INPL – CRAN CNRS UMR 7039 Co-Directeur
J.L. DUMAS Docteur en Physique Médicale – CHU Besançon Examinateur

A. NOËL HDR - Centre Alexis Vautrin – CRAN – Nancy Examinateur
F. MORNEX Professeur en Cancérologie – CHU Lyon Sud Rapporteur

JC ROSENWALD HDR – Institut Curie – Paris Rapporteur
J.F. BOSSET Professeur en Cancérologie – CHU Besançon Examinateur

Laboratoires et services hospitaliers associés :


  • Centre Alexis Vautrin - Unité de Radiophysique, avenue de Bourgogne, 54511 Vandoeuvre-lès-Nancy




  • C.R.A.N – C.N.R.S UMR 7039, 2 avenue de la Forêt de Haye, 54511 Vandoeuvre-lès-Nancy




  • Service de Radiothérapie – CHU Jean Minjoz – Boulevard Fleming – 25030 Besançon cedex

A Monsieur Pierre Aletti, vous avez accepté de nous faire confiance et de nous diriger dans ce travail. Nous avons pu apprécier votre rigueur et votre disponibilité. Soyez assuré de notre profond respect et de notre reconnaissance.
A Monsieur le Professeur Didier Wolf, vous avez accepté de co-diriger ce travail et de nous accueillir à l’INPL. Vous nous avez fait découvrir les Transformées de Fourier, nous poussant dans nos retranchements... Nous avons pu apprécier votre rigueur scientifique et la justesse de vos réflexions. Veuillez trouver ici l’expression de notre estime et de notre profond respect.
A Monsieur Jean Luc Dumas, vous nous avez aidé quotidiennement dans ce travail. Nous avons grandement apprécié les discussions scientifiques, les questions et les réponses apportées ainsi que l’engouement intellectuel dont vous avez fait preuve au cours de ces années. Soyez assuré de notre profonde gratitude et de notre amitié.
A Monsieur Alain Noël, vous nous avez soutenu et conseillé tout au long de l’élaboration de ce travail. Nous avons apprécié la pertinence de vos réflexions et votre bonne humeur. Soyez assuré de notre profond respect et de notre reconnaissance.
A Madame le Professeur Françoise Mornex,

A Monsieur Jean-Claude Rosenwald,

Vous nous faites l’honneur, en dépit de vos multiples sollicitations, d’être les rapporteurs de cette thèse. Veuillez trouver ici l’assurance de notre profond respect.

A Monsieur le Professeur Jean-François Bosset, vous êtes l’initiateur de ce travail. Il est un des fruits de votre volonté perpétuelle d’améliorer la prise en charge des patients. Notre estime et notre respect n’auront cessé de croître au cours de notre collaboration. Nos chemins divergent mais nous vous resterons à jamais reconnaissant pour votre soutien et votre enseignement.

REMERCIEMENTS

Ce travail a été élaboré et conduit grâce aux dons de La Ligue Contre le Cancer - Comités du Doubs, Jura, Haute-Saône et Montbéliard que nous tenons à remercier très chaleureusement.
Ce travail a également obtenu un financement au titre du PHRC régional de l’année 2003.
Nous remercions Varian Medical System°, et particulièrement M. Rault, pour nous avoir aidé lors de l’initiation de cette étude, notamment dans le cadre d’un contrat de collaboration pour l’évaluation du Système RPM.
Nous remercions très chaleureusement Camille Gaffard, Caroline Poirot et Lambert Maïer (I.S.I.F.C, UFR Sciences et Techniques, 16 route de Gray, 25030 Besançon cedex) pour leur aide précieuse lors de l’étude de corrélation et notamment pour nous avoir ouvert les yeux devant les Transformées de Fourier.
Nos remerciements s’adressent également:
À Sofia Kerouaz pour avoir gérer le quotidien administratif

Au Docteur Gilles Créhange pour avoir gérer le quotidien clinique

A Martine Letoublon pour avoir gérer le quotidien universitaire

A Dominique Groff et Nadège Henry pour nous avoir accompagné dès le départ dans cette étude

Aux Docteurs Marie-Hélène Baron, Joëlle Buffet-Miny et Patrick Bontemps pour avoir accepté que je m’échappe régulièrement dans l’universitaire

A Pierre Courvoisier et Olivier Goubard pour les discussions scientifiques

Aux internes qui m’ont toujours parfaitement secondé auprès des patients

A l’ensemble du personnel du service de Radiothérapie-Oncologie du CHU de Besançon avec qui les relations furent toujours sereines et passionnantes.
Aux patients qui m’ont fait confiance.

TABLE DES MATIERES



1 Introduction 11

2 ETAT DE L’ART 13

2.1 LES CANCERS DE L’OESOPHAGE 13

2.1.1 ANATOMIE 13

2.1.1.1 Œsophage cervical  13

2.1.1.2 Œsophage intra-thoracique 13

2.1.1.3 La jonction œso-gastrique  13

2.1.1.4 Le cardia 13

2.1.1.5 Rapports anatomiques  14

2.1.2 HISTOLOGIE 16

2.1.3 PHYSIOLOGIE 16

2.1.4 ANATOMOPATHOLOGIE 17

2.1.4.1 Le carcinome épidermoïde  17

2.1.4.2 L’adénocarcinome  18

2.1.4.3 Les formes rares  18

2.1.5 CLASSIFICATION 18

2.1.5.1 Classification UICC 1978  18

2.1.5.2 Classification UICC 2002, 6è ed.  19

2.1.5.3 Equivalences stade - TNM 20

2.1.6 TRAITEMENTS 20

2.1.6.1 La chirurgie 20

2.1.6.2 La radiothérapie 20

2.1.6.3 La chimiothérapie  21

2.1.6.4 La radiochimiothérapie exclusive 22

2.1.6.5 La radiochimiothérapie préopératoire  24

2.1.7 CONCLUSION 27

2.2 RADIOTHERAPIE CONFORMATIONNELLE 28

2.2.1 VOLUMES CIBLES 28

2.2.1.1 Recommandation pour la définition des volumes cibles 28

2.2.1.1.1 Points de référence, système de coordonnées 28

2.2.1.1.2 Recommandations pour la définition des volumes tumoraux. 28

2.2.1.1.3 Recommandations pour la définition des volumes d'organes à risque (Organ At Risk, OAR) 30

2.2.2 SYSTEME DE COORDONNEES DES DEPLACEMENTS 30

2.2.3 PARAMETRES D'ANALYSE DOSIMETRIQUE 30

2.2.3.1 Histogrammes dose-volume 31

2.2.3.1.1 L’histogramme dose-volume différentiel 31

2.2.3.1.2 L’histogramme dose-volume cumulatif 31

2.2.3.2 Points de doses 33

2.2.3.3 Paramètres dose-volume (Vdoses) 33

2.2.3.4 Dose moyenne 33

2.2.3.5 Probabilité de Contrôle Tumoral (TCP) et Probabilité de Complication d’un Tissu Normal (NTCP) 34

2.2.3.5.1 TCP 34

2.2.3.5.2 NTCP 34

2.2.3.6 Equivalent Uniform Dose (EUD) 35

2.2.3.6.1 Modèle EUD volumique (EUDvol) 36

2.2.3.6.2 Modèle EUD linéaire quadratique (EUDLQ) 36

2.2.3.7 Index de Conformation 37

2.2.3.7.1 Index du Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) 37

2.2.3.7.2 Paramètres du groupe St Anne – Lariboisière – Tenon (SALT) 38

2.2.3.7.3 Index de conformation et volume tumoral 38

2.2.3.7.4 Index de conformation et tissus sains 39

2.2.3.7.5 Index de conformation global 39

2.2.3.8 Implémentation clinique 40

2.2.3.8.1 Pneumopathie radique 40

2.2.3.8.2 Oesophagite radique 41

2.3 RADIOTHERAPIE AVEC ASSERVISSEMENT RESPIRATOIRE (RAR) 42

2.3.1 SYSTEMES SPIROMETRIQUES 42

2.3.1.1 Système d’inspiration bloquée volontaire 42

2.3.1.2 Système de blocage respiratoire actif (système ABC d’Elekta°) 43

2.3.2 SYSTEME D’ASSERVISSEMENT RESPIRATOIRE EN RESPIRATION LIBRE 44

2.3.3 RADIOTHERAPIE 4 D 45

2.3.3.1 Technique rétrospective 45

2.3.3.2 Technique prospective 46

2.3.4 « TRACKING » 46

2.4 MOUVEMENT D'ORGANE ET APPORT DE LA RAR 47

2.4.1 TUMEURS THORACIQUES 47

2.4.1.1 Mouvements organiques 47

2.4.1.2 Apport de la Radiothérapie Asservie à la Respiration 48

2.4.1.3 Conséquences dosimétriques 50

2.4.2 CANCERS DU SEIN 51

2.4.2.1 Mouvements organiques 51

2.4.2.2 Apport de la RAR 52

2.4.2.3 Conséquences dosimétriques 52

2.4.3 TUMEURS ABDOMINALES ET PELVIENNES 53

2.4.3.1 Mouvements organiques 53

2.4.3.2 Apport de la RAR 53

2.4.3.3 Conséquences dosimétriques 54

2.5 CONCLUSION ET PROBLEMATIQUE SCIENTIFIQUE 54

3 ETUDE DE MOBILITE ORGANIQUE et IMPACT DOSIMETRIQUE DE L'ASSERVISSEMENT RESPIRATOIRE 56

3.1 INTRODUCTION 56

3.1.1 Etude théorique d’évaluation du concept de l’EUD 56

3.1.2 Etude clinique de mobilité organique et analyse dosimétrique 56

3.2 MATERIEL ET METHODE 57

3.2.1 Etude théorique d’évaluation du concept de l’EUD 57

3.2.1.1 Données radiobiologiques 57

3.2.1.1.1 Données radiobiologiques pour les tumeurs 57

3.2.1.1.2 Données radiobiologiques pour les tissus sains 57

3.2.1.2 Calcul des EUD 57

3.2.1.2.1 Modèle EUD volumique (EUDvol) 57

3.2.1.2.2 Modèle EUD linéaire quadratique (EUDLQ) 57

3.2.1.3 Etude de la variation des EUD 58

3.2.1.3.1 Réponse tumorale 58

3.2.1.3.2 Organes sains 58

3.2.2 Etude clinique de mobilité organique et analyse dosimétrique 59

3.2.2.1 Patients 59

3.2.2.1.1 Critères d’inclusion 59

3.2.2.1.2 Critères d’exclusion 59

3.2.2.2 Bilan pré-inclusion 59

3.2.2.3 Traitement 60

3.2.2.4 Contrôle spirométrique 60

3.2.2.5 Scanners dosimétriques 61

3.2.2.6 Détermination des volumes cibles 61

3.2.2.7 Dosimétrie prévisionnelle 62

3.2.2.8 Etude de mouvements d’organes 63

3.2.2.9 Etude de corrélation 65

3.2.2.9.1 Principe de l'algorithme utilisé 65

3.2.2.9.2 Transformée de Fourier 66

3.2.2.9.3 Les limites de l'étude 66

3.2.2.9.4 Coefficient de Corrélation (CF) 67

3.2.2.10 Analyse dosimétrique 67

3.3 RESULTATS 69

3.3.1 Etude théorique d’évaluation du concept de l’EUD 69

3.3.1.1 Données radiobiologiques pour les tissus sains 69

3.3.1.2 Réponse tumorale 70

3.3.1.3 Cas du poumon 73

3.3.1.4 Cas de l’œsophage 74

3.3.1.5 Cas de la moelle épinière 76

3.3.1.6 Cas du coeur 77

3.3.2 Etude clinique de mobilité organique et analyse dosimétrique 78

3.3.2.1 Caractéristiques des patients 78

3.3.2.2 Etude de mouvements d’organe 79

3.3.2.2.1 GTV et CTV 79

3.3.2.2.2 Organes à risque 83

3.3.2.3 Etude de Corrélation 85

3.3.2.3.1 Patient 1 86

3.3.2.3.2 Patient 2 87

3.3.2.3.3 Patient 3 89

3.3.2.3.4 Patient 5 90

3.3.2.3.5 Patient 6 92

3.3.2.3.6 Patient 7 93

3.3.2.3.7 Patient 8 95

3.3.2.3.8 Synthèse et conclusion 96

3.3.2.4 Impact dosimétrique de l’asservissement respiratoire 98

3.3.2.4.1 Volumes tumoraux 98

3.3.2.4.2 Volumes des organes à risque 99

3.3.2.4.3 Index de conformité (tableau 3-7) 99

3.3.2.4.4 Contraintes dosimétriques 101

3.4 DISCUSSION 104

3.4.1 Etude théorique d’évaluation du concept de l’EUD 104

3.4.2 Mouvement d’organe 105

3.4.3 Étude de corrélation 108

3.4.4 Impact dosimétrique de l’asservissement respiratoire 110

4 Conclusion Générale 113

5 Bibliographie 115

6 ANNEXES 125


ABREVIATIONS


3D : tri-dimensionnelle

ABC : Active Breathing Control

CMI : Chaîne Mammaire Interne

CNPC : Cancer bronchique Non à Petites Cellules

CPT : Capacité Pulmonaire Totale

CRT ou RTC : Radiothérapie Conformationnelle

CT : Chimiothérapie

CTRT : Chimio-radiothérapie

CTV : Clinical Target Volume = Volume Cible Anatomo-Clinique

CV: Capacité Vitale

DEBH : Deep Expiration Breath-Hold = Blocage en expiration forcée

DIBH : Deep Inspiration Breath-Hold = Blocage en inspiration force

DLCO : Diffusion libre du monoxyde de carbone

DRR : Digitalized Reconstructed Radiography = Radiographie digitale reconstruite

EBH : Expiration Breath-Hold = Blocage en fin d’expiration

EFR : Explorations Fonctionnelles Respiratoires

EORTC : European Organization for Research and Treatment of Cancer

FB : Free Breathing = Respiration libre

GTV : Gross Target Volume = Volume Tumoral Macroscopique

HDV : Histogramme Dose-Volume

IBH : Inspiration Breath-Hold = Blocage en fin d’inspiration

ICRU : International Commission on Radiation Units and measurements

IM : Internal Margin = Marge Interne

ITV : Internal Target Volume = Volume Cible Interne

MLC : Multi-Leafs Collimator = Collimateur multi-lames

NTCP : Normal Tissue Complication Probability = Probabilité de Complication pour les Tissus Sains

PTV : Planning Target Volume = Volume Cible Prévisionnel

RAR : Radiothérapie avec Asservissement Respiratoire (Gating)

RCMI ou IMRT : Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d’Intensité

RPM : Real time Position Management = Système d’asservissement en respiration libre

RT : Radiothérapie

SM : Set-Up Margin = Marge de repositionnement

TCP : Tumour Control Probability = Probabilité de Contrôle Tumoral

TNM : système de classification des tumeurs (T : stade tumoral ; N : métastase ganglionnaire ; M : métastase)

TPS : Treatment Planning System : système de planification du traitement et de calcul de dose
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