Modélisation des effets de la radiothérapie
L’Efficacité Biologique Relative quantifie la capacité d’un rayonnement à détruire les cellules.
Nous avons discuté les avantages balistiques et dosimétriques des faisceaux de hadrons. Ceux-ci ont également un avantage biologique qui les différentie nettement des traitements par faisceaux de photons ou d’électrons. Cet avantage biologique porte le nom d’Efficacité Biologique Relative (sous-entendu, aux photons), ou EBR. L’EBR quantifie la capacité d’un rayonnement à détruire les cellules (cancéreuses ou saines). Elle correspond au rapport de la dose photons à la dose ions conduisant à une survie cellulaire données. Plus l’EBR est élevée, moins il faudra de particules pour parvenir à l’effet désiré, la stérilisation de la tumeur, par exemple. C’est donc un paramètre fondamental lors de la définition d’un traitement par faisceaux d’ions.
L’EBR est naturellement modulée par la nature des particules incidentes, spécifiquement par leur TEL, et par le degré d’oxygénation des tissus. En règle générale, les tissus tumoraux sont mal oxygénés (on parle d’hypoxie) relativement aux tissus sains (en situation de normoxie) avec une conséquence directe, ils sont très radio-résistants aux photons. L’usage de faisceaux d’ions, plutôt assez lourds, disons vers le carbone, permet de neutraliser l’effet d’hypoxie et de rendre la tumeur plus radiosensible. C’est probablement là un des intérêts majeurs de la hadronthérapie.
Vu de loin, l’EBR est de l’ordre de 1,1 pour les faisceaux de protons, monte à 3 pour les faisceaux d’ions carbone, puis redescend lorsque la masse des ions dépasse celle du carbone. Cependant, avec quelques détails supplémentaires, elle est modulée par le TEL. Donc en réalité, elle reste globalement autour de 1,1 pour les faisceaux de protons, mais passe progressivement de 1,4 (à l’entrée) à 3 (au pic de Bragg) pour les faisceaux d’ions carbone, contrebalançant ainsi les effets de la fragmentation, tout en conservant l’intérêt lié à l’effet d’oxygénation du carbone qui deviennent, de facto, l’un des projectiles de choix en hadronthérapie (sans être le seul, cependant).
Tout cela devient rapidement assez compliqué puisqu’entrent en jeu, la nature des tissus rencontrés (tumeur et oxygénation, tissus sains +/- radiosensibles), leur réponse aux ions incidents (variant avec la profondeur à cause de la fragmentation), sans parler de la variabilité de cette réponse en fonction des individus (et de ce qu’on sait d’eux). C’est pour tenter de comprendre cette complexité qu’a été développé le programme PMRT (Plateforme de Modélisation pour la RadioThérapie), soutenu par la Région Normandie, le FEDER et le CPER Normandie/Vallée de Seine.
Réalisation :
L’architecture logicielle de la PMRT est en cours de développement. Elle permet d’intégrer des données et des modèles de simulation provenant de divers domaines (physique, chimie, biologie, médecine) afin de les confronter aux observations expérimentales et cliniques. Cette plateforme permettra d’améliorer ces modèles pour tendre vers une simulation réaliste des effets de la radiothérapie et de la hadronthérapie. Elle permettra à terme d’aider les médecins à optimiser les protocoles de traitement.
ArDCore (ArchivingDataCore) est un système automatisé de pseudonymisation, de chiffrement et d’archivage de données médicales pour la PMRT. Il gère également le consentement des patients. Installé sur un serveur sécurisé dans un centre, son unique point d’entrée est un répertoire où les personnels habilités peuvent déposer leurs documents (imageries, dosimétries, contourages, compte rendus pdf standardisés d’examens). ArDCore va prendre en charge ces documents, les analyser pour identifier le patient, substituer les informations identifiantes par un identifiant unique aléatoire, compiler toutes les informations d’un même patient, et chiffrer ces informations par une clef personnelle aléatoire unique permettant de gérer à la fois la sécurité des données et le consentement du patient.
rgen2 est un ensemble de fonctionnalités développées sous R (R est un puissant langage d’analyse de données gratuit téléchargeable sous le lien suivant https://cran.r-project.org/). Il permet d’accéder de façon très simple au contenu des fichiers dicom produits dans le monde médical de façon à faire des calculs avancés dessus. Il gère intégralement les imageries (CT, IRM, …) les dosimétries (rt-dose), les contourages (rt-struct), les déformations (reg), mais peut être également utilisé pour d’autres natures de fichiers. En combinant ces fichiers, on peut définir de nouveaux volumes, de nouveaux contours, filtrer les images 3D, opérer des combinaisons d’informations (CT + IRM + Dose, par exemple) et les exploiter en feature engineering pour du machine learning. L’intégration de rgen2 sous forme de package R téléchargeable est en cours de réalisation.