RÉSUMÉ
En radiothérapie externe la modulation d'intensité permet d'une part de compenser les variations d'épaisseur et l'influence des hétérogénéités, et d'autre part, lors de l'association de plusieurs faisceaux, d'obtenir une distribution de dose précisément adaptée à la forme du volume cible. Les collimateurs multilames offrent la possibilité de réaliser cette modulation d'intensité en jouant sur la position des lames en fonction du temps. Cette méthode, rendue possible par les développements de la technologie des accélérateurs et de l'informatique, présente plusieurs avantages par rapport à d'autres, tels que les filtres compensateurs. Nous avons mis au point un logiciel permettant le calcul de la relation entre position de lames et nombre d'unités moniteur pour obtenir une distribution d'intensité donnée, et l'avons appliqué à un accélérateur Varian, équipé d'un collimateur comportant 40 paires de lames. L'analyse des résultats expérimentaux démontre la faisabilité et le potentiel de la méthode. © 1998 Elsevier, Paris

Il est actuellement évident que les distributions de dose produites par un ensemble de faisceaux de photons Modulation d'intensité par collimateur rnultilames peuvent être nettement améliorées par l'application d'une modulation d'intensité à chaque faisceau [3, 5, 7, 18, 34, 35, 38]. L'utilisation de faisceaux modulés en intensité a été initialement proposée par Brahme et al [8] et davantage développée par Cormack [12,13] et Barth [1]. Ils ont utilisé des méthodes analytiques afin de calculer la distribution de la fluence incidente nécessaire pour délivrer la distribution de dose prescrite (ce problème est connu sous le nom de " problème inverse"). De nombreux auteurs se sont également consacrés à des techniques de résolution numérique [2, 5, 7, 34, 35], abordant pour la plupart le problème de l'optimisation des paramètres d'irradiation par l'utilisation de critères physiques et biologiques. Pour réaliser en pratique la distribution de fluence désirée, la modulation d'intensité se révèle alors être un élément indispensable [2, 5, 18, 34-36]. Mais, même dans le cas de la radiothérapie externe classique, on est amené à modifier la répartition de la dose dans un plan perpendiculaire à l'axe du faisceau, pour compenser à la fois la forme de la surface d'entrée et les hétérogénéités de l'organisme. On obtient ainsi une dose homogène à une profondeur donnée.

Il existe plusieurs moyens pour obtenir des faisceaux modulés en intensité [38]. La méthode la plus simple, est l'utilisation de filtres compensateurs placés au niveau du porte-caches. Depuis les années 60, le principe de l'utilisation du compensateur est resté le même, mais des améliorations ont été apportées à l'acquisition des données du patient, au calcul précis du compensateur et de la dose en présence de cet accessoire [26, 311. Néanmoins, l'utilisation des compensateurs n'est pas dépourvue d'inconvénients. Des compensateurs individuels doivent être fabriqués pour chaque faisceau, ce qui est coûteux et parfois difficile à réaliser. De plus, le temps total du traitement est augmenté, car il est nécessaire d'entrer dans la salle du traitement pour changer les compensateurs entre les irradiations. En dernier lieu, l'utilisation de compensateurs rend difficile le calcul précis de la dose, car il faut prendre en compte la production de photons diffusés et le durcissement du faisceau [9].

Plus récemment, l'utilisation du balayage du champ par un faisceau élémentaire a été proposée, pour la production de faisceaux modulés en intensité [6, 17, 21, 22, 27]. Cette technique est réalisable seulement avec certains appareils de traitement, comme le Scanditronix MM50^TM Racetrack Microtron. La tête de l'appareil contient un système contrôlé par ordinateur qui effectue le balayage d'un faisceau élémentaire et construit le champ d'irradiation par constitution d'une matrice de faisceaux élémentaires d'intensité variable. Un ensemble d'aimants de balayage produit des faisceaux d'électrons ou de photons de haute qualité sans avoir recours à des diffuseurs ou des égalisateurs. Néanmoins en pratique, la précision du profil d'intensité obtenu est limitée par la largeur de la Gaussienne de chaque faisceau élémentaire.

La modulation d'intensité peut également être produite par l'utilisation dynamique d'un collimateur multilames (MLC). Les premiers efforts dans le domaine de la collimation dynamique étaient considérablement limités par la technologie des ordinateurs et des accélérateurs disponibles. Toutefois, des modulations simples de la distribution de la fluence pouvaient être obtenues par le mouvement des mâchoires asymétriques pendant l'irradiation. La simulation d'un filtre en coin grâce au mouvement d'une mâchoire, appelé filtre en coin dynamique, a été présentée par Kijewski et al, en 1978 [19] et Leavitt et al, en 1990 [20]. Cette réalisation simple de la collimation dynamique est aujourd'hui proposée de manière standard par plusieurs constructeurs d'accélérateurs linéaires.

Bortfeld et al [3] et Galvin et al [14] ont proposé la production de faisceaux d'intensité modulée par superposition partielle d'un nombre fini de faisceaux statiques définis par collimateur multilames. Geis et al [16] ont présenté l'utilisation d'une séquence de sous-champs définis par collimateur multilames pour la production de faisceaux compensés, en imitant les caractéristiques d'atténuation d'un compensateur physique.

Toutefois, une véritable collimation dynamique efficace n'est devenue possible que grâce aux mouvements indépendants et à vitesse variable des lames du collimateur multilames. Cette technique peut être appliquée aux accélérateurs dont le déplacement des lames est contrôlé par ordinateur et peut être effectué pendant l'irradiation. Les lames doivent avoir la capacité de dépasser l'axe du collimateur. Plusieurs techniques pour la mise en pratique de la collimation dynamique ont été proposées. Les plus importantes sont la technique de fermeture (close in) et la technique de la fenêtre glissante (sliding window) [10, 16, 33, 38]. La technique de fermeture consiste à positionner les lames de part et d'autre d'un maximum local de la distribution de la fluence souhaitée. Dès le lancement du faisceau, les lames se déplacent vers un point central. Au cours d'une seule irradiation, le mouvement d'une lame gauche vers la droite produit la partie croissante du profil (comme dans le cas des filtres en coin dynamiques). En même temps, le déplacement d'une lame droite vers la gauche, produit la partie descendante du profil. Leur combinaison crée un profil comportant un seul maximum. De telles contraintes limitent considérablement le type des champs d'intensité modulée qui pourraient être obtenus pendant une seule irradiation. En effet, un profil arbitraire avec plusieurs maxima et minima doit être divisé en plusieurs parties produites séparément par des irradiations différentes. Le faisceau doit être arrêté pendant le repositionnement des lames avant chaque partie. Cette procédure augmente donc le temps du traitement et elle rend le calcul des trajectoires des lames difficile. De plus, la précision du profil produit par la méthode close-in, dans les régions de fort gradient, est limitée par la vitesse mécanique des lames et par le débit de la dose. Certains profils ne restent ainsi qu'approximatifs. Ces inconvénients ont conduit les chercheurs à préférer la technique de la " fenêtre glissante" qui présente théoriquement comme seul inconvénient l'augmentation du temps d'irradiation. Dans la technique de la fenêtre glissante, les deux lames opposées de chaque paire démarrent du même côté du champ et se déplacent dans un seul sens vers l'autre côté, mais avec des vitesses différentes. Convery and Rosenbloom [11] ont présenté une version de la technique de la fenêtre glissante, dans laquelle la détermination des trajectoires des lames est traitée comme un problème de minimisation en programmation linéaire sous contraintes. La fonction objective à minimiser est le temps total d'irradiation et l'algorithme d'optimisation utilisé l'algorithme Simplex [25]. Le problème de cette approche est la durée importante du temps nécessaire au calcul des trajectoires des lames. Plus récemment, d'autres groupes de chercheurs [27, 29, 30], ont résolu ce même problème en utilisant des procédures itératives, qui permettent des temps de calcul de quelques millisecondes. La technique sliding window apparaît, ainsi, comme la plus efficace pour la collimation dynamique.

1 Accélérateur linéaire Clinac 2300CD et collimateur multilarnes Varian - Varian Médical France.

La collimation dynamique repose sur le principe selon lequel on peut utiliser des lames qui se déplacent pendant l'irradiation pour déterminer le temps d'exposition en un point donné. Les principes de l'algorithme de la collimation dynamique sont analysés pour des profils monodimensionnels, représentés par N points discrets et équidistants. L'extension de l'algorithme aux modulations d'intensité bidimensionnelles, se fait facilement, en appliquant la méthode monodimensionelle indépendamment pour chaque paire de lames. On su pose que les profils de dose désirés correspondant à chaque paire de lames opposées ont été préalablement déterminés par une autre application. Il peut s'agir soit d'un système qui et calcule les épaisseurs d'un compensateur-photons à partir d données anatomiques, soit d'un programme de calcul " inverse" qui permet la détermination de la modulation optimaIe de chaque faisceau permettant d'obtenir globalement distribution des doses voulue. La modulation de la fluence souhaitée le long de chaque paire de lames est donc le point de départ des calculs.

Le problème à résoudre est de calculer les trajectoires des lames qui produisent le profil souhaité dans le temps le plusi court possible. Pour cette approche, nous avons fait les hypothèses suivantes:

- la source est ponctuelle, et la distribution de la fluence incidente (avant la collimation dynamique) est homogène;

- la source d'irradiation délivre un débit de fluence constant;

- l'accélération et la décélération des lames sont infinies;

- la transmission à travers les lames est négligeable;

- les fuites entre les lames sont négligeables;

- la contribution du rayonnement diffusé est négligeable;

- la modification de la fluence due à chaque lame est indépendante de la position des autres lames.

F(x_i) = Ma(x_i) - Mb(x_i), i = l...N [eqn.1].

Fig 1. Relation entre la fluence désirée F(x) et les trajectoires de lames Ma(x) et Mb(x) aux points x_i et x_i+1. En pratique, F(x) est acquise par des donnés numériques et par conséquent elle est discrète. On suppose qu'elle est constituée de segments linéaires.

Va(x_i+1) et Vb(x_i+1) £ Vmax i=1,…,N-1

               VMmax
V max = -------------
                 D/60

L'extension de cet algorithme aux autres paires de lames, pour la production d'une modulation d'intensité 2D, nécessite l'application d'une procédure de synchronisation des lames. Dans tous les collimateurs multilames disponibles sur le marché, un arrangement de type "tenon-mortaise" (tongue and groove) est utilisé pour la réduction des fuites entre lames adjacentes. En raison de cet arrangement, des sous-dosages importants peuvent se produire, lors la production de faisceaux d'intensité modulée par collimateur multilames. Ce problème a été traité initialement par Van Santvoort et Heijmen (1996) [32] et étudié plus en détail par Webb et al [37]. Il est schématisé sur la figure 2.

Si les lames ja, jb, (j+1)a et (j+1)b se déplacent avec la même vitesse constante de gauche à droite, les intensités produites F_j et F_j+1 (pour les points totalement exposés) sont égales aux intensités prescrites. En revanche, dans la région de superposition de deux paires de lames adjacentes, l'intensité produite F_s est considérablement inférieure à F_j ou F_j+1 Ces points sont découverts seulement pendant la période où la lame b de la paire j est déjà passée et la lame a de la paire j+1 n'est pas encore arrivée. En synchronisation (de la paire j+1 avec la paire j), les lames de la paire j+l (la paire la plus avancée) sont recalées de telle façon que l'intensité délivrée dans la région de superposition soit égale à l'intensité F_j+1. Ainsi, le problème d'un sous-dosage dans la région de superposition est évité.

En raison de son principe (ralentir afin de synchroniser) l'application de la synchronisation est toujours caractérisée par un temps d'irradiation supérieur ou égal à celui d'une méthode non-synchronisée. Selon Van Santvoort et Heijmen [32], cette augmentation est de l'ordre de 5 à 15 %.

Les algorithmes décrits précédemment ont été intégrés dans un logiciel spécifique conformément au schéma de la figure 3.

Fig 2. Synchronisation des lames. Seules deux paires de lames sont montrées. Toutes les lames se déplacent avec la même vitesse constante de gauche à droite (les flèches indiquent la direction du déplacement). a. En raison de l'arrangement tongue and groove entre les deux paires de lames, les points de la région de superposition F, sont toujours sous l'une ou l'autre des lames j et j+1. La fluence dans cette région est donc nettement inférieure à celle délivrée dans les régions totalement exposées (F_j et F_j+1). b. Avec synchronisation. les lames de la paire j+1 (la paire la plus avancée) sont recalées de telle façon que l'intensité définie dans la région de superposition Soit égale à l'intensité F_j+1. Ainsi, le sous-dosage dans la région de superposition est évité tout en donnant la même distribution de fluence dans les régions F_j et F_j+1 [32].

Dans le cadre de notre étude de faisabilité et n'ayant pas encore pu disposer du logiciel de contrôle dynamique des lames, nous avons testé l'efficacité de notre programme en simulant une irradiation dynamique par une séquence d'irradiations statiques. Cette approche avait été proposée comme méthode de traitement par plusieurs auteurs [3, 14, 16]. Pour produire le champ d'intensité modulée, le logiciel a donc calculé la position des lames à plusieurs instants successifs.

Les lames sont placées conformément au premier champ statique puis le faisceau est lancé jusqu'à ce qu'un nombre spécifié d'UM soit délivré. Pendant le repositionnement des lames, le faisceau est arrêté. La procédure continue et chaque fois l'accélérateur délivre la quantité d'UM spécifiées.

Pendant l'irradiation, les mâchoires du collimateur principal ont été positionnées à l'extérieur du champ carré ou rectangulaire qui encadre la région totale à irradier. En pratique. des dimensions de champs de l'ordre de 10 x 10 cm ont été utilisées. Des marges de 0,2 cm dans la direction Y et 0,4 cm dans la direction X (direction du déplacement des lames) ont été appliquées par rapport aux lames les plus écartées, afin que la pénombre ne soit formée que par les lames et non par les mâchoires.

Des films (AGFA Structurix) ont été utilisés pour intégrer la dose délivrée par le système de collimation dynamique. Les films ont été placés à la profondeur du maximum (dmax) dans un fantôme homogène de polystyrène. perpendiculairement à l'axe du faisceau. La distance source-film a été égale à 100 cm.

Modu1ation d'intensité pur collimateur multilames. L'énergie du faisceau utilisé à été de 6 MV. Les conditions d'irradiation des films sont précisées sur la figure 4.

Pour les deux exemples de champs d'intensité modulée présentés dans cet article, le maximum de l'intensité désirée exprimée en nombre d'UM a été égal à 80. Pour rester dans la région linéaire de la réponse du film tout en gardant un nombre de pas important, nous avons interposé dans le faisceau un atténuateur, constitué d'une plaque de laiton de 2,11 cm d'épaisseur (transmission de 0,497), placée sur le porte-caches (figure 4). Ainsi, pour les conditions d'irradiation données la dose maximale intégrée par les films était de l'ordre de 40 cGy. D'après une courbe d'étalonnage prédéterminée pour ce type de films, cette dose maximale reste dans la région de linéarité de la réponse du film. La variation de la densité optique du film après l'irradiation est donc proportionnelle à la variation de la dose.

Afin d'illustrer les principes de l'algorithme, nous présentons le calcul des trajectoires des lames (calcul sans mesures) pour deux exemples de profils d'intensité modulée (figures 5 et 6). Le premier est un profil simple et linéaire en coin. Le second est un profil arbitraire.

Fig 4. Conditions d'irradiation des films: La distance source-film est de 100cm. Le film est placé perpendiculairement à l'axe du faisceau, à la profondeur dmax, dans un fantôme homogène de polystyrène. Une énergie de 6 MV est utilisée. Un atténuateur, constitué d'une plaque de laiton de 2,11 cm d'épaisseur (transmission de 0,497), est placé sur le porte-caches.

Fig 5. Application de la technique itérative sur un profil en coin (a). Les trajectoires de lames, exprimées à la fois en fonction de la position (b) et en fonction du temps (c), sont calculées pour deux valeurs différentes de la vitesse maximale de déplacement des lames (indices 1 et 2). On remarque que pour Vmax = 0,4 crn/UM, la lame a seule peut produire le profil désiré tandis que pour Vmax = 0,2 cm/UM, les deux lames sont employées pour la production du profil.

Fig 6. a. Profil d'intensité désiré arbitraire. b. Le temps cumulé (en UM) au bout duquel le bout de chaque lame passe au-dessus d'un point donné x. Lame a: trait en pointillés lame b trait plein. c. Positions des lames en fonction des UM.

La figure 8a1 montre l'intensité (fluence dans l'air en UM) souhaitée, normalisée sur l'axe du faisceau au point x = 0 cm y = 0 cm. La figure 8b1 montre la densité optique du film mesurée et normalisée au même point. La densité optique peut être considérée comme proportionnelle à la dose déposée à dmax, car on est resté dans la région linéaire de la réponse du film. La figure 8c1 montre la comparaison entre l'intensité relative désirée et la densité optique relative mesurée le long de la 20^e lame, c'est-à-dire au centre du champ.

On observe un bon accord entre les valeurs souhaitées et les mesures, avec toutefois un "arrondi" en début et en fin de courbe expérimentale. Plusieurs commentaires s'imposent:

- la méthode MLC dynamique ne permet pas toujours de réaliser strictement ce qui est souhaité. Sur la figure 8c1, on observe en particulier que la partie de la courbe caractérisée par des valeurs nulles n'est pas correctement reproduite. Les différences observées s'expliquent par le fait que la transmission au travers des lames, la pénombre, et la diffusion par le collimateur de la machine interviennent dans les mesures alors qu'ils avaient été négligés dans le calcul de la position des lames;

- de plus, le dispositif expérimental est source de "lissage": le film a été positionné à dmax et les photons diffusés par le milieu interviennent dans les données mesurées. L'utilisation de la plaque de laiton est également à mettre en cause dans le processus de lissage expérimentai de la courbe. D'ailleurs, dans le cadre de cette étude de faisabilité, en réalisant l'approximation du mouvement continu par des positions discrètes de lames, on s'attend à obtenir des marches d'escalier mais le "lissage" expérimental atténue l'effet attendu.

Fig 7. L'ensemble des lames à chaque instant forme une fenêtre qui se déplace dans le champ.

Des outils logiciels ont été mis au point pour convertir une fluence souhaitée en mouvement de lames. Ces outils ont fait l'objet d'une validation à la fois théorique et expérimentale et les résultats sont satisfaisants.

L'analyse des résultats démontre la possibilité d'appliquer une collimation dynamique en utilisant le collimateur multilames afin de créer des champs d'intensité modulée. La procédure est générale et peut être employée lorsque le volume cible n'est pas trop large par rapport à la zone couverte par le déplacement des lames. La méthode peut être appliquée dans tous les cas nécessitant une modulation d'intensité. Bien que notre approche néglige certains phénomènes liés aux caractéristiques physiques du faisceau de photons, nous avons obtenu un bon accord entre la distribution de dose souhaitée et celle obtenue sur la machine de traitement équipée du collimateur multilames. Pour répondre aux exigences de la modulation d'intensité, celui-ci doit comporter un grand nombre de lames, de faible largeur au niveau de l'isocentre, et ayant la capacité de dépasser largement l'axe du collimateur. En effet, d'une part, la résolution spatiale de la modulation produite est d'autant plus élevée que le nombre de lames est grand et que leur largeur au niveau de l'isocentre est faible et d'autre part, avec la technique de la fenêtre glissante, comme les lames opposées démarrent du même côté du champ et se déplacent vers l'autre côté, les dimensions maximales du champ modulé sont d'autant plus importantes que la capacité de dépasser l'axe du collimateur est grande. Pour une irradiation complètement dynamique, les lames doivent également avoir la possibilité de se déplacer pendant l'irradiation avec des vitesses variables.

Il reste à appliquer notre logiciel à une collimation véritablement dynamique qui est maintenant disponible sur l'accélérateur que nous avons utilisé et à prendre en compte certains phénomènes négligés jusqu'à présent. La prise en compte des caractéristiques mécaniques et physiques du collimateur multilames (accélération/décélération, pénombre, transmission, fuites, etc), est nécessaire pour le calcul de la dose. Il faut de plus mettre au point les méthodes dosimétriques adaptées à ce mode de fonctionnement et définir une procédure de contrôle de qualité, avant de pouvoir réaliser une utilisation dynamique clinique du collimateur multilames.

Les auteurs tiennent à remercier MC Murillo et H Szymanowski, pour leurs conseils et leur collaboration, ainsi que professeur C Kappas pour les entretiens fructueux que nous avons eu avec lui. Nous adressons également nos remerciements à Varian Médical - France.