Comment la trajectoire des protons est rendue visible à l’aide d’un prototype d’IRM en faisceau

L’objectif de la radiothérapie protonique dans la lutte contre le cancer est de tuer autant de cellules tumorales que possible tout en protégeant les tissus sains environnants. Comme il n’existe pas encore de méthode directe pour cartographier la plage du faisceau pendant l’administration de la dose, les médecins travaillent avec des marges de sécurité autour de la tumeur qui affectent la conformité de la distribution de la dose et réduisent le ciblage précis.

Les scientifiques de Dresde dirigés par le professeur Aswin L. Hoffmann ont réussi à visualiser la trajectoire du faisceau de protons dans un fantôme rempli de liquide à l’aide d’un prototype d'”IRM dans le faisceau”. En utilisant cette méthode, ils ont révélé la portée du faisceau de protons pendant l’irradiation.

Contrairement aux photons, les protons possèdent un avantage important : ils ont une portée définie, c’est-à-dire un point auquel ils libèrent leur énergie maximale. En radiothérapie par protons, cette propriété permet d’arrêter le rayonnement à l’intérieur du tissu tumoral et d’appliquer une forte dose de rayonnement dans cette zone, tout en réduisant fortement la dose délivrée aux tissus sains environnants.

La radiothérapie par protons est donc principalement utilisée pour traiter les enfants, mais aussi les adultes atteints de tumeurs situées à proximité de tissus normaux très sensibles aux rayonnements. Pour contrôler l’administration de la dose, une méthode directe est nécessaire pour mesurer et imager la portée du faisceau par rapport à l’anatomie du patient pendant l’irradiation.

Comme une telle méthode n’est pas encore disponible, des marges de sécurité ont jusqu’à présent été utilisées autour du tissu tumoral, ce qui conduit à une irradiation du tissu normal et limite la dose maximale possible dans la tumeur.

Le groupe dirigé par Hoffmann étudie l’intégration technique de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) et de la protonthérapie depuis 2016. À l’aide d’un prototype “in-beam MRI”, Hoffman et son groupe ont réussi pour la première fois au monde à visualiser le faisceau de protons dans un fantôme rempli de fluide et en utilisant cette méthode pour révéler la portée du faisceau de protons pendant le rayonnement.

“Le résultat de nos travaux pourrait considérablement modifier l’assurance qualité de la protonthérapie. Auparavant, les mesures étaient souvent effectuées indirectement, mais désormais, l’imagerie par faisceau de protons peut se produire directement lors de l’application de la dose”, explique Hoffman. “Mon rêve est de pouvoir appliquer cette méthode à l’avenir pour le suivi des traitements des patients.”

L’étude a démontré la faisabilité de la visualisation par faisceau de protons en milieu liquide. Comme prévu, les images IRM obtenues pendant l’irradiation ont montré que la profondeur de pénétration augmentait avec l’augmentation de l’énergie des protons, et donc la force du signal IRM augmentait également avec l’augmentation du courant protonique.

“Ce résultat est une étape importante dans la protonthérapie guidée par l’image”, déclare le professeur Mechthild Krause, directeur d’OncoRay. “L’imagerie IRM en temps réel a déjà fait son chemin dans la radiothérapie photonique conventionnelle. Le professeur Hoffmann et son équipe travaillent sur un prototype pour un nouveau dispositif d’irradiation qui devrait également établir l’imagerie IRM en temps réel en protonthérapie.”

Les résultats du groupe de Hoffmann donnent l’espoir qu’une nouvelle dimension dans le traitement des patients atteints de cancer sera possible. Actuellement, un nouveau système d’IRM à grande échelle est en cours d’installation dans le bâtiment OncoRay.

Cela permettra pour la première fois d’effectuer simultanément une irradiation protonique et une IRM en temps réel, tout en offrant également la possibilité de faire varier la direction et l’intensité du champ magnétique par rapport au patient. Cela pourrait permettre une utilisation plus précise de la protonthérapie dans quelques années pour les tumeurs mobiles en ce sens qu’elle préservera encore mieux le tissu sain et irradiera le tissu tumoral avec un dosage plus élevé.

Le travail est publié dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.