Engineering challenges in protontherapy

lgbio2070  2022-2023  Louvain-la-Neuve

Engineering challenges in protontherapy
5.00 crédits
30.0 h + 30.0 h
Q2
Thèmes abordés
La protonthérapie gagne de plus en plus d'importance comme une modalité de traitement alternatif à la radiothérapie pour des types particuliers de patients et de cancers.
Comparés aux photons, les protons déposent leur énergie dans une région beaucoup plus localisée, ce qui permet de beaucoup mieux cibler la tumeur et réduit donc les effets secondaires, principalement au niveau des tissus sains.
Le cours se construit sur 4 piliers :
   Pilier 1 : l'oncologie par radiation.
-          Bases du cancer et de la carcinogenèse
-          Traiter le cancer avec des radiations : principes et éléments de radiobiologie
-          Etapes principales d'un protocole traitement par radiothérapie
-          Introduction à la thérapie par particules : principes et état de l'art
-          Radioprotection : blindage de la zone de traitement, protection du personnel et du patient
-          L'économie de la santé : options de traitement et aiguillage/orientation des patients, remboursement et impact sur les services de sécurité sociale
   Pilier 2 : les technologies pour la protonthérapie. Ce pilier donne un regard spécifique sur le processus de « livraison » du proton, çàd couvrant la génération du proton, son accélération (synchrotron/cyclotron), son convoyage par champs magnétiques, et jusqu'au dépôt dans une zone bien définie dans le patient.
-          Produire et accélérer des protons: cyclotrons et synchrotrons
-          Conception détaillées de cyclotrons (et synchro-cyclotrons)
-          Ligne de guidage du faisceau, magnéto-optique
-          Robotique : structures tournantes, systèmes de positionnement
-          Faisceau thérapeutique : pencil beam scanning (balayage par un faisceau fin)
-          Sécurité et assurance qualité dans les technologies médicales : automates de sécurité, interlocks, redondances, dispositifs de mesure du faisceau (chambres d'ionisation) et analyse des données du faisceau
   Pilier 3 : technologies auxiliaires pour la protonthérapie. Ce pilier couvre les dispositifs et flux de données associés au traitement (sa préparation, son exécution, et sa vérification), avec toutes leurs spécificités, en comparaison aux traitements par radiothérapie conventionnelle (rayons X).
-          Système de planification de traitement (treatment planning system, TPS), gestion informatique des dossiers oncologiques (oncology information system, OIS), imagerie ; rôle de l'intégration software
-          Calcul de dose, ce incluant des méthodes analytiques et stochastiques par simulations Monte Carlo, l'optimisation des plans de traitement, l'évaluation de leur robustesse face aux incertitudes et l'optimisation robuste.
-          L'imagerie dans et en-dehors de la salle de traitement (computed tomography (CT), on-board cone-beam CT (CBCT), imagerie par résonnance magnétique (MRI)). Reconstruction et analyses d'images.
-          Vérification in vivo de la longueur de parcours des protons: caméra à gamma prompt, radiographie proton et tomographie par émission de positons (PET)
Pilier 4 : les traitements du futur.
-          Le guidage par image : état de l'art et perspectives, évolution vers des traitements adaptatifs
-          Résoudre les challenges de la protonthérapie : voies d'innovation (incertitudes de longueur de parcours, imagerie du proton, etc.)
-          Traitements émergents : introduction à la thérapie par faisceau d'ions
Traitements émergents : combinaison de la radiation et de la médication
Contenu
La protonthérapie gagne de plus en plus d’importance comme une modalité de traitement alternatif à la radiothérapie pour des types particuliers de patients et de cancers. Comparés aux photons, les protons déposent leur énergie dans une région beaucoup plus localisée, ce qui permet de beaucoup mieux cibler la tumeur et réduit donc les effets secondaires, principalement au niveau des tissus sains.
Le cours se construit sur 4 piliers :
Pilier 1 : l’oncologie par radiation.
  • Bases du cancer et de la carcinogenèse
  • Traiter le cancer avec des radiations : principes et éléments de radiobiologie
  • Etapes principales d’un protocole traitement par radiothérapie
  • Introduction à la thérapie par particules : principes et état de l’art
  • Radioprotection : blindage de la zone de traitement, protection du personnel et du patient
  • L’économie de la santé : options de traitement et aiguillage/orientation des patients, remboursement et impact sur les services de sécurité sociale
Pilier 2 : les technologies pour la protonthérapie. Ce pilier donne un regard spécifique sur le processus de « livraison » du proton, çàd couvrant la génération du proton, son accélération (synchrotron/cyclotron), son convoyage par champs magnétiques, et jusqu’au dépôt dans une zone bien définie dans le patient.
  • Produire et accélérer des protons: cyclotrons et synchrotrons
  • Conception détaillées de cyclotrons (et synchro-cyclotrons)
  • Ligne de guidage du faisceau, magnéto-optique
  • Robotique : structures tournantes, systèmes de positionnement
  • Faisceau thérapeutique : pencil beam scanning (balayage par un faisceau fin)
  • Sécurité et assurance qualité dans les technologies médicales : automates de sécurité, interlocks, redondances, dispositifs de mesure du faisceau (chambres d’ionisation) et analyse des données du faisceau
Pilier 3 : technologies auxiliaires pour la protonthérapie. Ce pilier couvre les dispositifs et flux de données associés au traitement (sa préparation, son exécution, et sa vérification), avec toutes leurs spécificités, en comparaison aux traitements par radiothérapie conventionnelle (rayons X).
  • Système de planification de traitement (treatment planning system, TPS), gestion informatique des dossiers oncologiques (oncology information system, OIS), imagerie ; rôle de l’intégration software
  • Calcul de dose, ce incluant des méthodes analytiques et stochastiques par simulations Monte Carlo, l’optimisation des plans de traitement, l’évaluation de leur robustesse face aux incertitudes et l’optimisation robuste.
  • L’imagerie dans et en-dehors de la salle de traitement (computed tomography (CT), on-board cone-beam CT (CBCT), imagerie par résonnance magnétique (MRI)). Reconstruction et analyses d’images.
  • Vérification in vivo de la longueur de parcours des protons (caméra à gamma prompt, radiographie proton et tomographie par émission de positons (PET))
Pilier 4 : les traitements du futur.
  • Le guidage par image : état de l’art et perspectives, évolution vers des traitements adaptatifs
  • Résoudre les challenges de la protonthérapie : voies d’innovation (incertitudes de longueur de parcours, imagerie du proton, etc.)
  • Traitements émergents : proton-thérapie rotationnelle
  • Traitements émergents : introduction à la thérapie par faisceau d’ions
  • Traitements émergents : combinaison de la radiation et de la médication
Méthodes d'enseignement
Le cours combine une série de séances ex-cathedra - donnant une forte importance sur les aspects « systèmes » d'un centre de protonthérapie - et des projets de groupe (apprentissage par projet, APP) menés par les étudiants. Les groupes sont composes de X étudiants (à déterminer). Les modalités pratiques (présentiel/comodal/distanciel) dépendent des conditions sanitaires.
Les sujets possibles pour les travaux de groupe (APP) sont :
-          Le pré-dimensionnement des équipements principaux (accélérateur, aimants d'une ligne de faisceau, besoins globaux en énergie/puissance/rapport de masse, ...)
-          Reconstruction CT/CBCT de base
-          Moteur de calcul de dosage de base
-          Stratégies pour gérer les incertitudes (par exemple au-travers de marges et/ou de planification robuste)
-          Last but not least, quelques activités pratiques pourraient être envisagées au sein du centre en protonthérapie Leuven/Louvain à l'horizon 2019-2020
Une visite sur site d'un centre de protonthérapie à proximité (max. 3 heures de voiture) pourrait être envisagée.
Modes d'évaluation
des acquis des étudiants
Les laboratoires comptent pour 50% de la note. Pour chaque projet, l’évaluation porte sur la qualité de la programmation et du rapport fourni.
Pour chaque projet, les rapports doivent être rendus deux semaines après la dernière session de laboratoire correspondante. Si la date limite n'est pas respectée, il y a une pénalité de 2 points pour chaque 48 heures entamées. Il n'y a pas de possiblité de rendre son rapport ou d'améliorer sa note pour la seconde session en Aout. 
L’examen final compte pour 50% de la note. C'est un examen oral avec préparation. La préparation se fait à cahier ouvert.
Autres infos
Tous les cours sont donnés sous format hybride (présentiel et distanciel). Les cours en présentiel sont donnés sur le site de Louvain-la-Neuve. 
Ressources
en ligne
Voir le site Moodle : https://moodleucl.uclouvain.be/course/view.php?id=11642
Bibliographie
Harald Paganetti "Proton Therapy Physics" CRC Press
Faculté ou entité
en charge


Programmes / formations proposant cette unité d'enseignement (UE)

Intitulé du programme
Sigle
Crédits
Prérequis
Acquis
d'apprentissage
Master [120] : ingénieur civil biomédical

Master [120] en sciences physiques [à finalité spécialisée Physique Médicale : UCLouvain-KULeuven]