Mémoire présenté à de - Library and Archives Canada · 2004. 11. 29. · la prostatectomie...
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RICHARD TASCHEREAU CARACI'ÉR~SATION ET SIMULATION DE LA MIGRATION DES SOURCES DANS LE PAR IMPLANTS PERMGNENTS TRANSP~UNÉAUX DU CANCER DE LA PROSTATE Mémoire présenté à la Faculté des études supérieures de l'université Laval pour l'obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.) Département de physique FACULTÉ DES SCIENCES ET DE &NIE UNIVERSITÉ LAVAL SEPTEMBRE 1998 O Richard Taschereau, 1998
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RICHARD TASCHEREAU
CARACI'ÉR~SATION ET SIMULATION DE LA MIGRATION DES SOURCES
DANS LE PAR IMPLANTS PERMGNENTS TRANSP~UNÉAUX
DU CANCER DE LA PROSTATE
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures de l'université Laval
pour l'obtention du grade de maître ès sciences (M.Sc.)
Département de physique FACULTÉ DES SCIENCES ET DE &NIE
UNIVERSITÉ LAVAL
SEPTEMBRE 1998
O Richard Taschereau, 1998
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Rés tr mé
Le traitement du carcinome de la prostate par implantation transperinéale
permanente de sources radioactives connaît une popularité grandissante en
Amérique du nord. La migration des sources est le nom donné à l'ensemble des
phénomènes causant um erreur de positionnement des sources rad b a c tives,
pendant ou après l'implantation. La caractérisation de la migration établit que
la cause principale de mauvais positionnement est rai déplacement longitudinal
causé par la friction entre les tissus et l'aiguille utilisée pour l'insertion. Ce
déplacement dégrade la qualité de l'implant. L'indice de qualité "dose volume
histogram" passe de plus de 99% en prévisionnel à 82% ai post-implant. Lin
programme de simulation par ordinateur est développé à partir de
la caractérisation. Le programme génère de façon aléatoire un ensemble
d'implants simulés sur lesquels sont mesurés les indices de qualité. L'utilisation
du programme permet d'améliorer la technique en la rendant moins sensible
la migration.
Avant -propos
Ce projet de maîtrise, a cheval entre Les disciplines que sont la médecine et
la physique a été très enthousiasmant et enrichissant. 11 a allié le plaisir
scientifique d'analyser des données et d'en extraire une signification à
la satisfaction de contribuer à l'améiioration de la santé d'autrui.
Aussi, je remercie chaleureusement Jean Pouliot, physicien médical, d'abord
pour m'avoir proposé le sujet mais aussi pour son support et son encouragement
constant. Je remercie également le Dr Jean Roy, radio-oncologue, et Daniel
Tremblay, physicien médical pour leur aide, leurs remarques et suggestions
toujours pertinentes. Merci aussi à René Roy pour l'intérêt soutenu dont il a fai t
preuve et pour l'aide matérielle qu'il a apportée.
Finalement, j'exprime ma reconnaissance au centre de recherche de l'HG tel-
Dieu de Québec pour son soutien financier sans lequel la réalisation de ce projet de
maitrise n'aurait pas été possible.
AVANT-PROPOS ....................................................................................... i i
... ........................................................................ TABLE DES MA-ES ...111
.......................................................... LISTE DES FIGURES .................. ... v i
LISTE DES
INTRODUCTION ....... ., ........................................................................ ....l
..................................................................... Les implants permanents 1
....................................................................... Le traitement de A à Z - 2
Objectifs du projet de recherche .......................................................... 3 * . .......................................................................... Pertinence de 1 etude - 5
.......................................................................... Structure du document 5
C H A P ~ E I : DOSIMI?TRIE POST-IMPLANT .............................................. 7
7 Objectif ..................................... .. / ..................................................... ............................................................................................. Méthode 7
.............................................................................. Données de base 7 ........................................................................... Reconstruction 3D 8
............................................................ Correction des coordonnées 10 ................................................................. incertitude et précision 11
............................................................................. Calculs de dose 11 ......................................................................... indices de qualité 13
....................................................................... Résultats et discussion 14
........................................................................................ Conclusion 15
Objectifs ........................................................................................... 17
......................................................................... Méthode .......... ...... 17 ............................... Appariement des sources pré- et post-implant 17
Quantités étudiées ....................................................................... 19 ............................................... Déplacement individuel des grains 20
Transformations collectives .......................................................... 21 .................................................... Déplacement du centre de masse 21
Angle d'insertion .......................................................................... 3 ...................................................................................... Courbure 26
........................................................... Coordonnées normakiées 28 * . ................................................................... Facteur d etirement Sf 28
......................................................... Coefficient d'agglomération 28
....................................................................... Résultats et discussion 30 .................................................... Divergence des trains de sources 30
Agglomération des sources à la base .............................................. 32 Variation de longueur ................................................................... 33
............................................ Impact des aiguilles de stabüisation 34 ............................................................................ Sources perdues 35
Corrélations ................................................................................. 36
Conclusion ..................................................................................... 37
.............................................................. CHAPITRE III : MODELISAIION 38
............................................................................................ Objectif 38
........................................................................................... Méthode 38 ............................................................................. Agglomération 40
..................................................................................... Etirement 40 ..... Bruit aléatoire .................................................................... 41
...................................................................................... Courtnlre 41 Angulation ......... .... ................................................................. 42 Translation .................................................................................. 42 Validation du modèle .................................................................. 43
Résultats et discussion ..................................................................... 4-4
Conclusion ....................................................................................... 45
................................................................ CHAPITRE IV : SIMULATIONS 46
........................................................................................... Objectifs 46
.......................................................................................... Méthode 46 Amélioration de la méthode de planification actuelle .................. 46 Comparaison des planifications uniforme et optimisée .................. 47
............................................................ Comparaison des activités 49
Résultats et discussion ..................................................................... 49 Présentation des résultats ............................................................ 49 Amélioration de la méthode actuelle ........................................... 49 Distribution optimisée venus uniforme ......................................... 51 Influence de l'activité .................................................................. 53
r C ........................................................................................ Conclusion 33
CONCLUSION ................................................. 56
. . REFERENCES ............................................................................................ 58
ANNEXE A : Calcul détaillé de la reconstruction 3D ............................... .... 60
ANNEXE B : Le programme d'optimisation IODOSE ................................... 63
ANNEXE C : Article sur fa caractérisation des sources ............................ ., ... 67
LISTE DES FIGURES
....................................... Figure 1 O Schéma de la démarche suivie 4
........................ Figure 2 O Localisation des aiguilles de stabilisation 8
Figure 3 O Prise de clichés et repère cartésien ................................. 9
.................... Figure 4 O Sélection des paires d'images ................ .. 1 O
......................................... Figure 5 O Histogrammes dose.volume 1 3
Figure 6 O Canal approchant la position de l'urètre ......................... 1 4
Figure 7 O Appariement des sources pré- et post-implant ................... 1 8
................................................... Figure 8 O Implant reconstruit 1 9
Figure 9 . .Mesure de l'angle d'insertion dans le plan sagittal ............. 2 3
..................... Figure 10 O Deux possibilités de trajectoire divergente 2 4
.......................... Figure 11 a Angle d'insertion sans égard à un plan 2 5
Figure 12 O Deux possibilités de trajectoire convexe ........................ 2 7
Figure 13 O Différentes valeurs du coefficient d'agglomération k ......... 2 9
.............................. Figure 14 O Résultats des mesures individuelles 3 0
................................ Figure 15 . Résultats des mesures collectives 3 1
......................... ............... Figure 16 . Agglomération à la base .. 3 2
Figure 17 . Effet des aiguilles de stabilisation .................. ... ......... 3 4
Figure 18 . Validation du modèle ............................................. 4 4
Figure 19 O Chargement uniforme : disposition des sources ..... .. ........ 4 8
Figure 20 O Variantes de la méthode actuelle par optimisation ............ 5 0
Figure 21 O Distribution optimisée versus uniforme ........................ 5 1
Figure 22 O DVH(l60) en fonction de l'activité .............................. 5 3
.................................... Figure 23 . Dmax en fonction de l'activité 5 3
Figure 24 . Influence de l'activité. tous volumes confondus ............... 5 4
Figure 25 . Activité totale .......................... .... - 5 4 .....................
LISTE DES TABLEAUX
........................................... Tableau i O Dosirnétrie post.implant 1 3
................................ Tableau 2 O Sommaire des quantités mesurées 2 0
TabIeau 3 O Localisation des sources perdues ................................. 3 5
Tableau 4 . Paramètres des distributions aléatoires .......................... 3 9
................... Tableau 5 O Données de planification ..... ................. - 5 2
Int rodzrct ion
Les irnplan t s perrnanen ts
Le traitement par implants permanents trampérinéaux en est un contre
L'adéno-carcinome de la prostate. La technique existe depuis les années 60
(approche rétropubique), mais à cause de mauvais résultats dus à une mauvaise
sélection de patients et à l'absence de planification eue a été abandonnée. Elle
est réapparue à la fin d e années '80 (approche transpérinéale mise au point par
Blasko et Ragde de SeattleL?. Cette fois, une meilleure sélection de patients
était faite et l'on bénéficiait d'avancements technoiogiques tels cpe : une
dosirnétrie assistée par ordinateur, l'emploi d'un gabarit d'implantation et de
meilleures techniques d'imagerie. La technique cornait une popularité
grandissante depuis3.
Le traitement consiste en l'introduction dans la prostate de petits cylindres de
titane renfermant un isotope radioactif. Ces sources radioactives sont déposées au
moyen de longues aiguilles insérées au travers du périnée. Les sources y restent à
demeure pour y délivrer leur dose de radiation. La dose est élevée à l'intérieur de
la glande et décroît rapidement à l'extérieur de celle-ci. Cette caractéristique
permet d'épargner les tissus et organes sains avoisinants; cependant elle rend 1 e
traitement inefficace et donc inapproprie dans les cas où il existe urie extension
extra-capsulaire de cellules cancéreuses. Le traitement vise donc essentiellement
les cas de cancer précoce confinés à la glande. Les sources sont disposées selon l'une
des trois méthodes suivantes : distribution uniforme, distribution en périphérie et
distribution optimisée. Le groupe de Blasko préconise une distribution uniforme
tandis que le groupe de l'Hôtel-Dieu de Québec (H.-D.Q.) prône la distribution
optimisée.
Un autre traitement populaire de cancer précoce est la prostatectomie
radicale. Ii existe une certaine rivalité entre ces deux méthodes, chacune a y an t
ses partisans (et ses détracteurs) tant dans le public que dans la communauté
médicale. Toutefois, la popularité des implants s'est accrue au cours des dernières
années. Il y a plus de MO centres aux États-unis qui offrent ce traitement et juxlu'à
tout récemment, L'Hôtel-Dieu de Québec était le seul endroit au Canada à l'offrir.
D'autres centres canadiens ont de%ute ou planifient d'offrir les implants dans
la prochaine année. Plusieurs facteurs expliquent cette popularité : un taux de
survie (connu jusqu'à 9 ans) sans évidence de maladie égal ou supérieur à
la prostatectomie radicale, un taux de problèmes d'incontinence et d'impotence
bien inférieur à la prostatectomie, des coûts d'intemention et de suivi moins
élevés et une augmentation de l'incidence des cancers précoces (en partie à cause
de nouvelles méthodes de dépistage comme le test sanguin de PSA - prostate
specific antigen).
La maladie s'accompagne presque toujours d'une augmentation du \-olume de
la glande. Aussi, une fois le diagnostic pose, le radio-oncologue prescrit souvent
une thérapie hormonale d'une durée de quelques mois dont l'objectif est de stopper
- du moins temporairement - i'évolu tion du cancer. Ceci a pour effet de réduire
le volume de la prostate. Ces quelques mois écoulés, an procède à une étude du
volume de la prostate. Il s'agit d'un examen échographique effectué a\.ec une
sonde endo-rectale. Des images en coupe (vue transverse), espacées de 5 mm, sont
acquises et conservées sur ordinateur. Sur chaque image, les contours de la glande
sont tracés puis numérisés. On obtient ainsi une représentation trid imensionneHe
de la prostate.
11 reste alors a déterminer le nombre et l'emplacement des sources
radioactives de façon a obtenir une distribution de dose satisfaisant certains
critères cliniques. Ces critères étaient, au moment d'entreprendre la présente
étude: une dose périphérique minimum, l'uxuformité de la distribution de dose A
l'intérieur du volume, un nombre d'aiguilles peu élevé et une diposition
harmonieuse d'aiguilles. Pour des raisons d'ordre pratique, les sources ne peument
m p e r n'importe quelle position dans l'espace. Les positions permises sont
discrètes et forment une structure à la manière d'un cristal cubique dont la ma i 1 le
élémentaire aurait 5 mm d'arête. Un programme d'optimisation (voir l'annexe A )
est utilisé pour choisir une disposition de sources satisfaisant au mieux les critères
mentionnés. L'isotope utilisé est soit de 1'1-125 (émission de gamma, énergie 28
keV, demi-vie 60 j), soit chi Pd-103 (émission de gammas, énergie 21 keV, demi-
vie 17 j). Ce dernier, à cause de sa courte demi-vie, procure m débit de dose é levé
et est utilisé dans les cas de tumeurs à développement rapide. Typiquement, pour
un cas à 1'1-125, on utilise de 15 à 20 aigiiilles et de 10 à 60 sources.
Un jour ou deux avant L'intervention, les aigudies d'implantation sont
chargées avec les sources en respectant la disposition produite par le programme
d'optimisation. Au besoin, des espaceurs en catgutw (un matériau b io-absorbab le)
sont insérés entre les sources d'une même aiguille. L'intervention elle-même est
d'une durée de 45 minutes et se déroule avec le patient sous anesthésie générale,
péridurale ou locale. Le patient est placé en position de lithotornie e t
l'implantation s'effectue sous guidage échographique. Le patient est
généraiement apte à être Libéré le jour même. Quelques jours plus tard, des clichés
radiologiques du bassin sont effectués et permettent au radio-oncologue
d'apprécier, du moins qualitativement, l'implant. Occasionnellement, on procède
au calcul de la distribution de dose réellement reçue (dosimétrie post-implant).
Objectifs du projet de recherche
L'observation des clichés radiologiques pos t-implan t montre une différence
entre les positions planifiées des sources et leurs positions réelles (on appelle
migration tout phénomène responsable d'une erreur de positionnement). Après
deux années d'exercice, d'importantes questions se posent : quel est l'impact de
la migration sur la dosimétrie post-implant ? queiles en sont les causes ? une
distribution uniforme de sources (Seattle) domerait-eue de meilleurs résultats ?
que peut-on faire pour améliorer la méthode actuelle ? C'est autour de ces
questions que s'articule le projet de recherche. La Figure 1 schématise
la démarche suivie. Nous avons étudié rn trentaine de patients ayant reçu des
implants entre 1995 et 1997. À partir des clichés radiologiques, nous avons
déterminé les coordonnées spatiales (3D) de chaque source de chaque implant. Ces
informations constituent les données de base de L'étude.
Le premier objectif est de mesurer l'impact de la migration sur la qualité de
t'implant en effectuant la dosimétrie post-implant pour chacun des cas. Le second
objectif est de caractériser la migration des sources, c'est-à-dire de décrire de
façon quantitative et dé taillée les erreurs de positionnement. Cette connaissance
a deux usages. D'abord eiie permet de comprendre puis d'expliquer la migration
en identifiant les phénomènes physiques en cause. Ensuite, elie permet d'élaborer
m modèle de la migration (le 3ième objectif) i.e. la recette pour déformer m
implant. Le quatrième et dernier objectif est l'exploitation du modèle. 6i
produisant des implants simulés ai peut comparer la robustesse de différentes
méthodes et prévoir les effets que peuvent avoir des modifications à la méthode
de planification actuelle.
Clichés radiologiques
Coordonnées 30 des sources
Caractérisation de la migration (Chapitre II)
Identification des causes
Recherche de remèdes
Dosirnétries post-implant (Chapitre 1)
Élaboration du modèle (Chapitre III)
Simulations (Chapitre IV)
Comparaison Amélioration des methodes de notre méthode
Figure 1 - Schéma de la démarche suivie.
Pertinence de l'étude
Il y a consensus sur l'importance d'effectuer les dosirnétries post-implant et
sur le fait que l'outil le plus approprié pour l'évaluation de la qualité est le "dose
volume histogram" (DVH)? Curieusement toutefois, ces résultats ne sont à peu
près jamais publiés. L'étude la plus détaillée nous vient d'Europe et fait état de
21 cas'. On peut expliquer cette prudence dans la publication par le fouillis
relatif qui existe à ce niveau : différentes méthodes de calcul de dose (TG43 et
autres), des méthodes d'imagerie donnant des volumes de prostate différentsb,
la difficulté à identifier les sources et à obtenir leurs coordonnées spatiales, le
moment de la prise d'image, qui varie de deux heures à plusieurs jours selon les
centres, la variation importante du volume de la prostate dans le temps'. etc. Au
sujet de la migration, l'étude la plus exhaustive porte sur 4 cass; quant aux
simulations, aucune publication n'en fait mention.
La présente étude se démarque donc par le nombre de cas étudiés,
la caractérisation détaillée et la publication complète des résultats de
dosimetrie post-implant. Mais aussi, et surtout, elle se distingue par son
originalité en étant la première à développer et à utiliser des simulations pour
la prédiction de résultats.
Structure du doczcrnenf
Chaque chapitre est consacré à un objectif. Il contient l'énoncé de l'objectif, une
description de La méthodologie, les résultats, une discussion et une conclusion.
Le chapitre premier traite de la dosimétrie post-implant. La technique de
reconstruction spatiale de coordomées des sources y est expliquée et les indices de
qualité de l'implant y sont définis. il présente les résultats de la dosimétrie des
30 patients et contient une discussion sur la qualité des implants effectués, sur
l'influence du type d'anesthésie et de l'usage d'aiguilles de stabilisation de
la prostate.
Le second chapitre présente la caractérisation de la migration. II explique le
processus d'appariement des sources pos t-implant et prévisiomeUes et décrit Les
différentes mesures effectuées. Les résultats sont présen tés, suivis d'une discussion
sur l'importance relative des différents déplacements et d'une explication des
causes physiques.
Le chapitre trois a pour sujet la modélisation. La migration y est représentée
comme l'application successive d'altérations primitives à des aiguilles initia les
non déformées. Les altérations primitives sont décrites et le moyen pour valider le
modèle est exposé. Suit une discussion sur la qualité d u modèle et ses limitations.
Le quatrième chapitre traite de l'exploitation des simulations. On y compare
deux méthodes : distribution d o r m e de sources et distribution optimisée. On
évalue également l'effet d'une variation de I'activi té individuelle des sources
dans une planification optimisée. Finalement, m démontre comment L'emploi de
simulations a pennis d'améliorer la méthode de planification actuelle.
Le mémoire se termine par une condusion générale 5-w l'ensemble de
la recherche.
Chapitre 1
Objectif
Évaluer l'impact de la migration sur la qualité de l'implant de même que
l'effet de l'emploi d'aiguilles de stabilisation de La prostate lors de
l'intervention.
M é t h o d e
Données de base
Nous avons étudié 30 cas de patients ayant rgu des implants permanents
d'iode-125 (dont l'activité individuelle des sources est de 0,64 mCi) entre juin 1995
et juin 2997. Ces cas totalisent 389 aiguiiies et 24ûû sources. Sur les 30 cas, 20 ont
été effectués sous anesthésie générale et IO sous péridurale. Pour 10 cas, des
aiguilles de stabilisation de la prostate ont été employées. Les aiguilles, qui sont
implantées au début de l'intervention et demeurent en place pour toute la durée de
celle-ci, visent à stabiliser la glande- En minimisant les mouvements de
la prostate, on espère réduire les erreurs de positionnement.
il existe plusieurs façons d'utiliser de telles aiguilles. La Figure 2 montre le
moyen employé à 1'H.D.-Q. Les deux aiguiiies (numéro 20) sont insérées
parallèlement l'une à l'autre dans les régions Latérales postérieures gauche et
droite.
Aiguilles de stabilisation parallèles
vue transverse
Figure 2 - Localisation des aiguilles de stabilisation.
Pour déterminer les coordomées spatiales post-implant des sources d'un
patient, nous utiiisons trois clichés radiologiques isocentriques pris à différents
angles. La Figure 3 A montre un schéma de la prise de clichés. Le patient repose
sur la table en position décubitus dorsal. La tête de L'appareil (qui contient
la source émettrice de rayons X) et la cassette à film forment un ensemble
solidaire qui peut tourner autour du patient permettant ainsi la prise de clichés
selon différents angles. Sur chaque film obtenu, les coordonnées 2D des images de
chaque source sont numériçées. En utilisant les c w r d o ~ é e s 2D d'une paire
d'images (sur deux films différents) an peut calculer les coordonnées 3D de
La sourcet . LES coordonnées 3D obtenues sont selon un repère dont l'origine est a
i'isocentre (voir Figure 3 B).
Figure 3 - Prise de clichés et repère cartésien
A) Deux positions successives de B) L'axe des X sort de la gauche du patient, I'appareiI. La source se situe à I'axe des Y lui sort du ventre et I'axe Z est l'intersection des deux droites reliant dirigé vers tes pieds. la tête de L'appareil à l'image de ta source sur le tîim.
Pour que la méthode de reconstruction réussisse, certaines conditions doivent
être rencontrées. D'abord, le même nombre de sources doit être recensé sur chaque
film, et chaque source doit être identifiée avec certitude. Ensuite, les deu.. images
considérées pour reconstruire les coordonnées doivent provenir de la mèrne ~;ource.
Cela paraît évident, mais avec un nombre élevé d'images et les différents points
de vue des films, le pairage devient vite problématique. Pour nous assister dans ce
processus de pairage d'images, nous avons développé m programme ai Pascal. 1 1
considère les images de toutes Les sources sur les trois films comprises à l'intérieur
d'une bande de largeur déterminée (voir Figure 4), et établit pour toutes les
combinaisons possibles de paires d'images (film gauche - fiim droit) les
coordonnées 3D.
Le calcul détaillé de la reconstruction 3 0 est présen té en annexe A.
--
oblique gauche antéro-postérieur oblique droit
Figure 4 - Sélection des paires d'images.
Des paires d'ima es sont sélectionnées, Pune sur le film gauche et l'autre sur le droit, j l'interieur d'une %ande de largeur déterminée.
U effectue ensuite une projection antéro-postérieure (AP) à partir des
coordonnées obtenues et compare la position de la projection avec les images chi
Cilm M. Les paires d'images dont la projection concorde avec le film SLP sont
retenues pour considération future; les autres sont rejetées. Le processus est répété
en déplaçant la bande de bas en haut de façon à balayer toute la surface du film.
Une fois le baiayage complété, toutes les paires qui avaient été retenues sont
analysées et une solution finale (qui n'utilise chaque image qu'm seule fois) est
produite.
Correction des coordonnées
Le patient n'est pas dans la même position lors de l'échographie
prévisionnelle (ou lors de l'implantation) que lors de la prise de clichés (position
de lithotornie versus décubitus dorsal) et la prostate vue latéralement n'a pas
Ia même orientation. On modifie donc les coordonnées 3D en leur faisant subir une
rotation autour de l'axe des X de fason à ce qu'elles soient valides dans le repère
utiiisé lors de l'échographie prévisionnelle. Cette rotation est habituellement de
l'ordre de 10 à 15 degrés.
La prostate n'apparaît pas sur les clichés et pourtant la cornaissance de sa
position est indispensable à la dosimétrie. Nous contournons le problème en
utüisant les contours obtenus lors de l'échographie prévisionnelle : l'on superpose
les sources post-implant sur les contours en faisant coincider le centre de masse des
sources post-implant avec celui des sources prévisionnelles. Après cette opération,
toutes les coordonnées (contours, sources prévisionnelles et p os t- im plan t ) sont
mesurées d'après le même repère et peuvent donc être utilisées conjointement.
lncertit ude et précision
De nombreux facteurs contribuent à l'incertitude des coordonnées. Au niveau de
la reconstniction mentionnons : les ajustements de l'appareil à rayons X et des
capteurs d'angle et de distance, la mobilité du patient (la séance dure environ 20
minu tes), l'incerti tude dans la numérisation des coordonnées des images ( position
du zéro, orientation du film, position de chaque source) et les erreurs de pairage
d'images. S'ajoute a cela l'incertitude cr* par l'ignorance de la position et des
dimensions réelles de la prostate. Nous estimons néanmoins que la procédure
donne une précision de +15 mm.
Crzlctils de dose
Les calculs de dose sont effectués selon les recommandations du "task group -43"
de I' American Association of Physicis ts in Medicine (AAPM)9. Nous faisons
l'approximation de sources ponctuelles et isotropes. Pour ce cas, l'ex pression du
débit de dose en fonction de la distance radiaie r et du temps t est :
àt S, : débit de kerma dans l'air
A : constante de débit (eau)
g(r) : fonction de dose radiale
, , : facteur d'anisotropie.
Pour l'iode-125, les vaieurs recommandées sont les suivantes :
S, = 1,27 x activité exprimée en mCi ,
A = 0,88 ,
O,, = a93 ,
g ( r ) = a , + a , r c a , ~ + a , i + a , r 4 + a , i , p o u r ~ ~ r < 7 m ,
avec
a = 1,013 76 ,
a, = 1,227 47 x 10-' ,
a= = -1,730 25 x IO-' ,
a, = 4,023 78 x IO-' ,
a., = -3,852 27 x IO-' ,
a,= 1 x 8 3 ~ IV.
La dose reçue ai un point a une distance r de la source est l'intégrale de O à
1'- du débit de dose :
La prostate est divisée en voxels ("volume elements") de 1,02 x IO4 an-'
(hauteur et largeur de 1,429 x IO-' an, profondeur de 0 5 an). La dose reçue par
diaque voxel est la somme de toutes les contributions des n sources implantées :
En réalité, il y a une imperfection inhérente à toute méthode utilisant m
volume de prostate fixe, que ce soit notre méthode avec contours prévisionnels CU
d'autres faisant appel a l'imagerie par tomodensitométrie axiale (CT) ou par
résonance magnétique, car le volume varie dans le temps. Une méthode
rigoureusement exacte tiendrait compte de ce fait, et la dose reçue d'une source par
un voxel deviendrait :
Une telle méthode nécessiterait de nombreuses prises d'images pour chaque
patient et requerrait beaucoup d'efforts de calcul, ce qui n'est pas envisageable
dans un contexte clinique.
Indices de qualité
La qualité d'un implant - prévisionnel ou post-implanta tion - est évaluée
à parür de deux indices dosirnétriques de qualité : le DVH(160) et la dose
maximum à L'urètre, décrits dans tes paragraphes suivants.
À partir du volume du voxel et de la dose qu'il reçoit, cm peut bâtir UI
histogramme (Figure 5 A) montrant Le pourcentage du volume de la prostate
recevant une dose donnée. L'usage veut que l'on utilise plutôt 1' in tegrale (Figure 5
B) de ce graphique (pour être rigoureux c'est 10Ooh moins l'intégrale) que l'on
nomme "dose-volume histograrn" (DVH). Pour une dose donnée, la valeur de
l'ordonnée est le pourcentage de volume recevant au nroins cette dose.
A) Forme diffhntielle 8) Forme intégrale Of0 vol. OYa vol.
Figure 5 - Histogrammes dose-volume
La valeur du DVH à 160 GY (la valeur de la prescription pour l'iode-125) est
l'indice le plus important et le plus répandu de la qualité d'un implant. En
prévisionnel, la valeur du DVH(160) est typiquement supérieure à 99%. Pour
atteindre ce degré de couverture, m utilise environ un mCi d'activité par
centimètre cube de prostate (e-g. 30 mCi pour 28 cc). L' autre indice de qualité est
la dose maximum que reçoit l'urètre. En effet, selon Wallner et a l .'O, des hautes
doses à l'urètre provoquent une nécrose des tissus et entraînent des complications
telles l'incontinence et de l'inconfort lors de la miction. Ces états peuvent
nécessiter de la médication, une hospitalisation ou même une chirurgie.
Figure 6 - Canal approchant la position de l'urètre
A) Le canal est de 5 mnde large, passe par le centre de masse (cm) de la prostate et traverse la glande sur toute sa longueur. B) Des points de dose sont dlsp()lj& en quinquonce dans chaque coupe transverse. La dose maximum Dmax à l'urètre est la valeur de dose couvrant exactement 95 % du volume du canal.
La dose seuil 5 ne pas dépasser est estimée a -KK) Gy. Ne cormaissant pas
la position exacte de l'urètre, nuus l'estimons en bâtissant un canal de 5 mm de
large traversant la prostate sur toute sa longueur dont la base passe par le centre
de masse et s'élevant jusqu'aux Limites de la glande (Figure 6). La dose maximum
Dmax que reçoit l'urètre est définie comme étant la dose dont la couverture est
exactement 95 % du volume du canal. En d'autres termes, 5 "L du volume reçoit une
dose supérieure a Dmax.
Részdtnts et discussion
Le sommaire des résultats de calcul de DVH post-implant et de dose
maximum a L'urètre est présenté au Tableau 1. La première Ligne donne Le résultat
général, Le. un DVH moyen de 82%, ce qui représente une baisse de 17% environ
par rapport au DVH prévisionnel. L'écart type de 9"/0 indique une t-ariabili té
prononcée d'un patient à l'autre. Curieusement, les résultats pour le groupe avec
aiguilles de stabilisation semblent moins bon (77,6 % versus û-4 O&) qye pour le
groupe sans stabilisation (on se serait attendu au contraire !), mais cette
différence n'est pas statistiquement sigruficative (nous avons effectué le test non-
paramétrique de localisation de Mann-Whitney1'). De même, les résultats pour
les deux groupes anesthésie locale/ pénduraie ne présentent pas une différence
significative- Quant à la dose maximum a l'urètre, elle se situe autour de 260 Gy
ce qui est assez faible.
Moyenne Écart-type
(%) ("hl
DVH (1 60)
aiguilles de avec 77.6 10.5 stabilisation 1 sans 84.0 7.4
DVH (140) globai 90.9 5.8
GY (GY)
Dmax urbtre global 261 53
Tableau 1 - Dosirnétrie post-impIant.
Il y a une baisse marquée du DVH(160) de 99% à 829'0, mais quel en est
l'impact clinique ? Stock et al . * ont observé que dans le cas des implants
prostatiques ii existe une couverture minimum - pour laquelle il y a réponse
biologique a la dose - qui est de 9ooh du volume recevant au moins 140 Gyr . Notre
valeur de DVH(110) est de 91% (avant-dernière Ligne du Tableau 1) ce qui
représente tout juste la note de passage. En fait c'est un tiers des patients qui
reçoivent une couverture inférieure a la couverture minimum et par consequent
insuffisante.
Une couverture DVH(140)190% est équivalente a une couverture DVH( 160)X30''c, puisque la pente est d'environ -0,5%/Gy autour de 150 Gy (voir Figure 5A).
La migration dégrade donc de façon significative la qualité des implants, au
point de compromettre l'efficacité du traitement. D'autre part, I'emplo i
d'aiguilles de stabilisation de la prostate ne semble pas avoir d'impact sur
la migration (une explication sera donnée au chapitre suivant). 1 n'est donc pas
nécessaire d'insister sur leur usage d'autant plus qu'elles contribuent au
traumatisme. De même, le type d'anesthésie n'influence pas les résultats (nous
voulions vérifier si les mouvements occasiomels des pa tientç mus péridu raie
affectaient l'implant). Il n'y a donc pas de contre-indication à laisser le patient
choisir le type d'anesthésie qu'il préfère.
Chapitre II
CARACTÉRISATION DE LA MIGRATION
Décrire de façon quantitative et détaillée les erreurs de positio~ement des
sources de façon a :
renseigner sur les modes importants de déplacement pour en
déduire les causes physiques qui en sont responsables;
être en mesure de reproduire le plus fidèlement les déplacements,
c'est-à-dire élaborer un modèle;
pouvoir évaluer l'effet de l'emploi d'aiguilles de stabilisation de
la prostate.
M é t h o d e
Appariement des sources pré- et post-implant
Pour un patient dome, nous connaissons déjà les coordonnées spatiales des
sources post-implant telles qu'établies par la méthode décrite au chapitre
précédent. Nous connaissons égaiement les coordomées prévisionneiles telles que
précisées au moment de la planification. il nous reste à comaitre quelles
coordonnées post-implant correspondent à queues coordonnées prévisio~eiies.
Ce processus d'appariement de coordonnées pré- et post-implant s'effectue
manuellement en visualisant sur écran d'ordinateur les deux ensembles de sources
pré- et post- d'un patient (voir Figure 7 ).
Figure 7 - Appariement des sources pré- et post-implant
A) Disposition des sources post-implant. 8) Positions planifiées des sources et des aiguilles (plan de chargement). Le processus d'appariement consiste à pairer les coordonnées pré- et post-implant de chacune des sources. Le processus s'effectue en identifiant des upes de sources post-im lant pouvant provenir d'une aiguille donnée du plan rTment. Far exemple, upe de 4 sources encerclées en 4) correspond à l'aiguille e 4 sources encerdée e n r
Nous avons modifié urie mini-appiica tion (applet) JAVA de démonstration
pour qu'eue puisse afficher un quadrillage, les sources pré- et post-implant avec
des symboles distinctifs de mâne que les coordomées de la source lorsque poktée
par la souris. En variant le point de vue au besoin, l'on parvient à repérer et
identifier des groupes de sources dans l'ensemble post-imphnt qui correspondent
aux sources d'une même aiguille dans l'ensemble prévisionnel. On peut ainsi
associer à chaque groupe de coordonnées pos t-imp f an t les coordonnées
prévisionnelles des sources de l'aiguille correspondante. Ce processus
d'appariement est répété pour chaque aigude et pour chaque patient. La Figure 8
montre m implant entièrement reconstruit. Dans certains cas l'implant est trop
déformé et l'appariement devient impossible pour certaines régions de
la prostate. Sur les 1400 sources implantées, nous avons pu apparier avec succès
1200 d'entre elles, soit 84% (ce pourcentage se compare avantageusement au 4O0&
obtenu dans une autre étude8).
Figure 8 - Implant recowtwit
Quanti tés étudiées
Nous avons de3uté par la mesure d'une quantité qui allait de soi : 1 e
déplacement individuel des grains dans l'espace. Toutefois, des informations
beaucoup plus riches pouvaient être extraites des données si l'on considère le fa i t
qui suit. L'observation des implants reconstruits (Figure 8) permet de reconnaître
et d'identifier des aiguilles et ce en dépit des distorsions (angle, courbure,
déplacement) qu'elles ont pu subir. Cette observation suggère que la migration des
sources est davantage un phénomène collectif affectant les sources d'une même
aiguille qu'un phénomène individuel. C'est pour cette raison que nous effectuons
surtout des mesures de quantités collectives plutôt qu'individuelles.
Pour satisfaire les objectifs mentionnés en delut de chapitre, certaines de ces
quantités sont mesdes exdusivement pour fin d'élaboration du modèle et
d'autres pour renseigner sur le phénomène. Le Tableau 2 présente le sommaire des
quantités étudiéest , leur type et leur usage. Les nuuuim d'kpations décrivant
la façon dont est faite la mesure sont également indiques. Ces équations sont
encadrées et numérotées dans le texte.
Usage
WPe Statistiques Modele Description
X X deplacernent du centre de masse (éqs. 2.3 a 2.5)
X angle d'insertion selon les plans sagittal et coronal (éqs. 2.6 et 27)
collectif angle d'insertion sans égard à un plan (6q. 2.8)
X courbure dans les plans sagittal et coronal (6qs. 2.9 à 2.1 2)
X X facteur d'etirement (éq. 2.1 3)
X X coefficient d'agglomération (éq. 2.14)
individuel X d4placement dans l'espace (éqs. 2.1 et 2.2)
Tableau 2 - Sommaire des quantités mesurées
Déplncernent individuel des grnins
soit pi=[xpi, Ypi, zpilT et qi=[xqiI yqiI ZqilT les vecteurs position des sources
prévisionneiies et post-implant (respectivement) d'une aiguille comportant n
sources. Le vecteur déplacement de chaque grain est donné par :
*Toutes les données ont été mesurées et agrégées au moyen d'un programme Pascal que nous avons écrit. Les analyses statistiques et les histogrammes ont ete effectub à l'aide du logiciel Mathematica.
Compte tenu de la géométrie en cause, il nous paraît approprie d'exprimer le
vecteur déplacement en coordonnées cylindriques :
Transformations collectives
Pour l'analyse des transformations coi.lectives, seules les aiguilles de plus
d'un grain dont tous les grains ont été appariés sont considérées : les aiguilies d'un
seul grah ne peuvent faire l'objet d'étude d'angle d'insertion ou de courbure. De
plus, à cause de leur petit nombre, la quantité d'information ainsi négligée est
peu importante- Pour éviter La redondance au cours du processus d'analyse,
lorsqu'une information pertinente sur une transformation a été extraite des
domees, l'effet de cette transformation est reüre des données avant de poursuivre
la caractérisation.
Par exemple, après avoir mesu& l'angle d'insertion dans le plan sagittai, le
train de sources est redressé dans ce plan et de nouvelles coordonnées sont assignées
aux sources. De nouvelles coordonnées sont ainsi attribuées après la plupart des
mesures et nous utilisons le signe := (une notation empruntée au langage C) pour en
témoigner. Ainsi, l'expression :
signifie que les coordonnées q i de chaque source sont remplacées par La valeur du
membre de droite. Dans les paragraphes qui suivent nous décrivons en détail les
quanti tes mesurées.
Déplacement d n centre de masse
Rappelons que pi=[xpi, Ypi, zpilT et qi=[xqi, Yqi, zqijT sont les vecteurs position
des sources prévisionnelies et post-implant (respectivement) d'une aigu ille
comportant n sources. Nous définissons tout d'abord les centres de masse des trains
de sources pré- et post-implant :
Exprimés en coordonnées cylindriques, le centre de masse prévisionnel :
i Ypcm epcm = tan- - (xpcm 1,
et le centre de masse post-implant :
Le vecteur déplacement du centre de masse exprimé en coordonnées
cylindriques est donc :
Te1 que mentionné précédemment, nous éliminons l'effet de La transformation
- en I'occurence le déplacement du c-m. - m translatant le train de sources pour
faire coüicider te c-m. avec l'origine. Les coordonnées post-implant sont donc
réassignées comme suit :
Angle d'insertion
Nous mesurons dans un premier temps les angles d'insertion tels que \.us selon
chacun des plans sagittal et coronal.
Trajectoire 0' de
l'aiguille
Figure 9 - Mesure de l'angle d'insertion dans le plan sagittal
L'an le d'insertion est mesuré entre la tra'ectoire de l'aiguille et 18axe%orizontal, avec le sens positif dans le sens mti-horaire.
Pour le plan sagittal (voir Figure 9), une régression linéaire est effectuée
(méthode de Choleski pour les systèmes incompatiblesu) sur les points formés des
couples ( yqi, zqi) avec i= 1, ... , n pour obtenir une droite d'équation :
Y = % + a 1 z.
L'angle d'insertion 8, du plan sagittal est donné par :
0, = t a d ai.
Le train de sources est par la suite redressé, c'est-à-dire que les coordonnées
subissent une rotation de 8, autour de l'axe des x . Les nouvelles coordonnées
deviemen t :
- - O O
Q i := 0 COS 0, - sin 0, qi l 1 O sin 8, cos 8, - .
Nous procédons de la même manière pour la mesure de L'angle d'insertion
dans le plan coronal. Une régression Linéaire est effectuée sur les points formés
cette fois des couples (xqi, zqi) avec i = 1, ... , n pour obtenir une droite d'équation :
x = q + a l z
et L'angle d'insertion eY du plan coronal est donné par :
Le train de sources est à nouveau redresse par une rotation de q. autour de
I'axe des y, et les nouvelles coordonnées sont :
O - sin 8,
1 O Qi
sin 8, O cos 8, - 4 -
Il est nécessaire de corriger les angles 0, et O, ainsi obtenus. La prostate
possède une forme ayant approximativement une symétrie de révolution autour
de l'axe Z (céphalo-caudal). Une aiguille ayant déposé LEI train de sources
divergent (de l'apex vers la base) présentera m pente dont le signe dépendra de
la localisation de l'aiguille. On peut voir a la Figure 10 deux faqons dont peut se
présenter une trajectoire divergente : la trajectoire du haut montre une aiguille
insérée dans la partie antérieure de la glande et a une pente négative tandis que
la trajectoire du bas montre une aiguille insérée dans la partie postérieure et cl
une pente positive.
Figure 10 - Deux possibilités de trajectoire divergente
Cette coupe sagittale montre u'une trajectoire divergente peut résenter une pente négative ou positive saon que 1 aiguille a été insérée &ns la partie antérieure ou postérieure de la prostate.
O L
O
Pente positive
Aussi, pour caractériser la divergence ou la convergence , il est nécessaire de
s'affranchir de La localisation des sources. Nous procédons donc à une opération
qui consiste à rabattre le demi-plan inférieur sur le demi-plan supérieur. Pour ce
faire, il suffit de multiplier la valeur de l'angle par le signe de la coordomée x
ou y des sources prévisiomdes :
j 1 "CO \ S i g W =, O X=O ,
1 DO . Ces nouveaux angies (préfixés de la lettre f pour eq folded B.) caractérisent
la divergence ou la convergence dans les plans sagittal et coronal. Le choix de y,,
est arbitraire puisque tous les yp, sont égaux en prévisionnel.
Dans un second temps, nous calculons un angle d'insertion O sans égard à m
plan, i-e. mesuré par rapport à l'axe longitudinal z (voir Figure 11).
4 Trajectoire de
Figure 11 - Angle d'insertion sans égard à un plan
L'angle d'insertion sans égard à un ptan @ est caicde d'après les angles d'insertion des plans sagittal (8,) et coronal (8,). Le signe attribue à est négatif si la trajectoire diverge de l'apex vers ia base (tel qu'iltustré).
Par trigonométrie an peut facilement déduire O à partir des deux angles déjà
calculés 9, et eV. La formule pour @ est :
0.5 Q = tan-' (tan' 0, + tan' O!) .
On doit toutefois effectuer üne correction à B, puisque celui-ci a été m e s e
après avoir effectué une rotation autour de l'axe des x. Cki peut montrer que tan 8,.
doit être remplacé par tan 8, / cos 8, alors la formule corrigée pour O devient :
-s cos? e,I .
Tel que mesuré, l'angle @ n'a pas de signe et est toujoun positif. Il est
souhaitable de lui attribuer un signe de telle sorte que ce signe reflète le caractère
convergent ou divergent du train de sources. Nous choisissons comme convention ui
signe positif pour indiquer une convergence de l'apex vers la base - la direction
d'insertion de llai@e - et u n signe négatif pour une divergence.
L'attribution du signe de 0 s'effectue d'après les signes de f9, et fû, de
la façon suivante : le signe de 4 est positif si f8, 1 0 et fûY XI ; il est négati F
autrement.
Cotrrbirre
Lacourbure de la trajectoire du train de soues est obtenue en ajustant une
parabole au travers des coordonnées des sources. Tout d'abord, pour le plan
sagittal, l'ajustement est Fait sur les couples (yqi, zqi) et l'on obtient une parabole
d'équation :
y = ilos + alr z?.
Les coefficients a,, et a, caractérisent la courbure dans le plan sagi t tai.
L'effet de lacourbure est retiré en calculant de nouvelles coordo~ées (seule
la composante y est affectée) :
On répète les mêmes opérations pour le plan coronal (couples (xqi, zqi)) et l'on
obtient la parabole :
x = a + al, 2'.
Les coefficients a, et a2, caractérisent la courbure dans le plan coronal. L'effet
de la courbure est retiré et les coordonnées sont modifiées:
Xqi := Xqi - (& f zqi2),
De la même façon cpie pour l'angle d'insertion, une aiguille ayant déposé u-t
train de sources incurvé de façon convexe présentera une courbure dont le signe
dépendra de la localisation de l'aiguille. On peut voir à la Figure 22 deux taçons
dont peut se présenter une trajectoire convexe.
Courbure négative + Courbure positive
Figure 12 - Deux possibilités de trajectoire convexe
Cette coupe sa@ttaIe montre qu'une trajectoire convexe peut r&enter une courbure négahve ou positive selon que Iraiguilie a été insérke $ans la partie antérieure ou postérieure de la prostate.
Pour s'affranchir de la localisation des sources, il suffit de corriger les
coefficients trouvés (a,,, a,,, a, et a,=) en les multipliant par Le signe de
la coordonnée x ou y des sources prévisionnelles :
Ces nouveaux coefficients (préfixés de la lettre f pour folded l B )
caractérisent la convexité ou La concavité dans les plans sagittal et coronal.
Coordonnées Z normalisées
Les coordonnées normalisées zn et zsi (pré- et post-implant respectivement)
sont définies de La façon suivante :
Zpi ' Zpmin z,j = Zpmax - Zpmin
Facteur d'étirement Sf
Le facteur d'étirement (ou de rétrécissement) Si est défini cornme le ratio des
Iongueurs des trains de sources (post-implant / prévisionnel) :
Coefficien t d 'aggloméra tion
Nous cherchons une relation entre les coordonnées Zr, et Zsi (pré- et post-
normalisées) de la forme :
En prenant le logarithme naturel de part et d'autre, on obtient :
On peut obtenir la valeur de k en effectuant ure régression linéaire sur les
points formés des couples (ln zn, in &. La Figure 13 montre i'effet de différentes
valeurs de k. Dans Le cas idéai où il n'y a pas de distorsion des positions, alors
tsi = z, et la valeur de k = Z (Figure 13 8). Pour des valeurs de k < 1 (Figure
13 A), les sources ont tendance à s'agglomérer vers l'apex tandis que pour des
valeurs de k > l (Figure 13 C) les sources s'agglomèrent vers la base de
la prostate. Pour ces raisons, le coefficient k
d'agglomération.
est appelé coefficient
Figure 13 - Différentes valeurs du coefficient d'agglomération k.
Trois possibilités de déformation d'une aiguille de 4 sources. En abscisse : la coordonnee z prévisromeile normalisée et en ordonnée la coordonnée z post-implant normalisétt. La base se situe a zero et l'apex à 1. Les sources s'agglomérent vers l'a ex en A) et vers la base en Cl. En 8). la relation est idéale; chaque source est exactement à & position prévue et Ir graphique forme une droite.
Résultats et discussion
Les résultats des différentes mesures sont présentés à la Figure 14 (mesures
individueiles) et à la Figure 15 (mesures coilectives), Nous allons montrer que de
t'analyse de ces données se dégagent quelques phénomènes macroscopiques qui se
répercutent sur L'ensemble des mesures.
Divergence des trains de sources
Les aiguilles (ou trains de sources) ont tendance à diverger de l'apex vers
la base de la prostate (i.e. selon l'axe d'insertion de l'aiguille). La divergence se
manifeste sur plusieurs mesures. D'abord dans la distribution de l'angle
d'insertion (Figure 15 C) : cette distribution n'est pas centrée à zero mais autour de
-7O ce qui, selon notre convention signifie une divergence.
Déplacement N
individuel lai, l (coordonndes cyîindrlqueç)
A) Ar (éq. 2.1) lm 50
myenne : 0.33 cm kart-type : 0.21 cm :7JuL- O 05 1. cm
. -
B) & (éq. 22)
moyenne : 0.46 cm 190 100 écart-type : 0,42 cm 50
Figure 14 - Résultats des mesures individuelles.
Les mesures individuelles sont celles qui sont effectuées sur chaque source, individuellement. La quanti te N représente le nombre de grains.
Daplacament du N80 centre de masse
60 (coordonnées cyiindfiques)
A) Aï (W. 2.3) 40 - -
20 moyenne : 0,13 cm --type : 0.21 cm
moyenne : 0,40 cm écart-type : 0,36 cm
Angle d'insertion sans égard h un plan
C) @ (dq. 2.8) 20
moyenne : -7,4 * ecart-type : 7,6 10
Facteur d'étirement
moyenne : 0,92 écart-type : 0,33
Coefficient d'agglomdration
E) k (éq. 2.14)
moyenne : 1,59 écart-type : 0,69
Figure 15 - Résultats des mesures collectives.
Les mesures collectives sont celles qui ont trait aux phénomàies qui affectent l'ensemble des sources d'une même aiguille. Ainsi, chaque mesure est effectuée sur le train de sources qui forme I'aigurlle et non sur les grains individuels. La quanti té X représente le nombre d'aiguilles.
Ensuite, elle affecte le déplacement radial du centre de masse du train de
sources (Figure 15 A) qui est majoritairement positif et indique un éloignement par
rapport au centre de la prostate. Les causes principales de la divergence sont
la rotation de la glande au moment de l'insertion de L'aiguille et l'œdème-En
effet l'aiguille, lorsqu'insérée, applique un moment par rapport au centre de
masse de la prostate qui tend a la faire tourner : la trajectoire du train de sources
devient alors divergente par rapport à l'axe de la prostate'. Quant à l'œdème,
nous avons observé qu'il se manifeste dès les premières minutes et peut causer urte
augmentation de volume de 30 à 4û O/O à la fin de l'intervention. La prostate etant
généralement plus volumineuse à la base, l'œdème affecte donc davantage les
sources qui y sont placées.
Agglomération des sources à ln base
Ce second phénomène, l'agglomération des sources à la base, est mis en
évidence par l'observation de la distribution chi coefficient d'agglomération k
(Figure 15 E) : plus de 85% des aiguilles ont un coefficient supérieur à 1, ce qui
signifie que les sources s'agglomèrent vers la base.
Figure 16 - Agglomération à la base
Cette erreur est due à la friction entre l'aiguille et les tissus de la pros ta te.
La Figure 16 illustre comment la friction cause l'agglomération à la base : ai A )
l'aiguille est en bonne position, prête a être retirée; en B) L'aiguille est retirée
tirant et déformant la glande, les sources sont déposées dans ces tissus déplacés e t
déformés; en C) la prostate reprend sa forme et sa position avec comme résultat
que les sources ne sont pas au bon endroit. Nous avons pu obsewer ce phénomène à
l'échographie en cours d'intervention.
Variation de longueur
La longueur ctu train de sources varie de façon importante (facteur
d'étirement, Figure 15 D). La distribution est à peu près centrée (moyenne 0,92)
mais qu'il y a plusieurs dizaines d'aiguilles subissant des variations de longueur
de 50°h (facteur d'étirement 0,5 et 15). La contraction (S, c 1) peut s'expliquer par
le mouvement de la prostate et l'élasticité des tissus comme pour l'agglomération
à la base. L'allongement du train de sources est principalement dû à
la manipulation de l'aiguille lors de son retrait.
La variation de longueur et I'agglomération à la base se reflètent également
dans le deplacernent du centre de masse selon Figure 15 B) et le déplacement
individuel selon z (Figure 14 B). On peut donc affirmer qye l'erreur de
positionnement la plus importante se manifeste selon l'axe z, c'est-à-dire selon
l'axe d'insertion de l'aiguille.
Impact des aigu illes de stabilisation
Valeurs moyennes des quantités
Aiguilles de stabilisation degre de
avec 1 sans oignfication (n=100) (n=1W (p-value)
A) Angle d'insertion sans égard b un plan -820 &,go 0,16
6) Facteur d'dti rament 0.87
Figure 17 - Effet des aiguilles de stabilisation
0.95 0.02
0) w@acament radial 433 cm des grains
Valeurs moyennes de diverses mesures collectives et individuelles. L e degré de signification (p-value) représente la probabilité que les deux distributions (avec et sans aiguilles de stabilisation) soient semblables. Pour conclure différence entre les deux cas (avec/sans) il faut donc avoir une faible v x t r degre de signification.
0,34 cm 0 . n
La Figure 17 montre les résultats comparés - avec et sans aiguilles de
stabilisation - des moyennes de trois mesures collectives et des deux mesures
individuelles. Les différences statistiquement significatives sont au niveau chi
facteur d'étirement et du coefficient d'agglomération : il semble qye l'emploi
d'aiguilles de stabilisation dégrade la situation au Lieu de l'améliorer. En effet
les trains de sources raccourcisçent et s'agglomèrent davantage à la base lorsqu'il
y a stabilisation. Nous n'avons pas d'explication pour ces résultats. En revanche,
m constate qu'il n'y a pas de différence dans la distribution des déplacements
radial ou axial des grains. L'emploi d'aiguilles de stabilisation ne procure donc
aucun avantage au niveau de la réduction de la migration (la mème condusion
s'appliquait à la dosimetrie post-implant). Ceci n'est pas surprenant puisque
l'erreur de positionnement la plus importante s'effectue selon l'axe des z
(longitudinai) et que les aiguilles de stabilisation - insérées selon le même
axe - ne peuvent empêcher le mouvement de la prostate selon cet axe.
Soir rces perd iles
Dans la moitié des cas, m ne dénombre pas autant de sources dans l'ensemble
post-implant qu'ai prévisionriel : les patients perdent des sources. Ils en perdent
principalement via l'urètre, mais aussi par le biais des vaisseaux sanguins.
Certaines sources migrent à quelqyes centimètres pour se fixer dans les tissus
conjonctifs avoisinants - elles sont alors considérées comme perdues puisqu'elles
ne délivrent aucune dose utiie - mais il y a déjà eu un cas (pas parmi ceux
étudiés) où la source s'est rendue jusqu'à un poumon.
Position sources sources sources perdues probabilité ratio prévisionnelle implantdes perdues localisées de perte extra/intra
Tableau 3 - Localisation des sources perdues
Pour tous les patients, nous avons un total de 27 sources perdues. Au moment de
l'appariement, il a été possible de déterminer pour 11 sources perdues leur
emplacement prévisionnel. Nous avons classifié ces positions prévisionnelles en
intra-capsulaire ou extra-capsulaire (à moins de 2 mm a l'extérieur de
la prostate). Le Tableau 3 indique la position prévisionnelle des sources perdues.
intracapsulaire
extracapsulaire
BtJ
'estimation
27
11 73'
130'
1303
6
5
11
0.5 X
3.8 % 7.5
La répartition intra / extra capsulaire du nombre de sources implantées est une
estimation basée sur l'expérience passée (environ 10% des sowes sont implantées
tout juste à l'extérieur de La prostate). D'après le tableau, la probabilité de perte
d'une source est 7.5 fois plus élevée (3,8/0,5) lorsque la source est implantée à
L'extérieur de la prostate. Un test de x2 montre que la différence obsewée est
statistiquement significative et que les deux groupes (intra et extra capsulaire)
appartiement à des populations distinctes ( "p-value" c 0,001).
Corrélntions
Nous avons recherché des corrélations entre les différentes quanti tés
mesurées, entre eues et avec d'autres paramètres tels que le nombre d'aiguilles, le
nombre de grains implantés, le volume de la prostate, le DVH(160), etc.
La majorité des variables ne sont pas liées entre elles. Certaines, comme l'angle
d'insertion et la distance radiale de l'aiguille, présentent un faible lien.
Cependant, rien n'est suffisamment significatif pour en faire mention. Tou te fois,
pour les fins du modèle élaboré au chapitre suivant, nous avons retenu une relation
entre l'écart-type de la distribution du coefficient d'agglomération k et le nombre
de sources dans l 'a igde. La relation s'exprime de la faqon suivante :
où n est le nombre de grains dans l'aiguille.
Conclusion
Nous avons identifié deux erreurs systématiques swenant lors de
l'implantation : la divergence des aiguilles et L'agglomération à la base.
La première est due à Ia rotation de la prostate et la seconde à la friction
entraînant m déplacement de la glande et un étirement des tissus. Puisqu'elles
surviennent au moment de l'intervention il est permis de croire que l'on puisse
améliorer la procédure. Par exemple, il serait possible d'appliquer un lu b ri f ian t
ou revêtement anti-adhésif sur les aiguilles - du teflon par exemple - pour
réduire la friction et les déformations qui s'ensuivent. Par ailleurs, depuis que ces
faits ont été portés à l'attention du radio-oncologue qu i pratique les interventions,
celui-ci observe les déplacements de ta prostate (vue sagittale) tors du retrait de
l'aiguille. 6i procédant lentement, il peut ajuster le retrait en fonction des
déplacements qu'il observe.
Nous prévoyons effectuer une nouvelle caractérisation de La migration sur des
implants récents pour évaluer si cette nouvelle façon de procéder procure des
bénéfices tangibles.
Chapitre III
Objectif
Développer un modèle mathématique de lamigration permettant
la génération d'implants simulés.
Méthode
La caractérisation de la migration a permis d'identifier et de mesurer les
transformations collectives que subissent les aiguilles (ou trains de sources). En
s'appuyant sur ces observations il devient possible d'élaborer la recette pour
déformer une aiguille et, partant, un implant complet. Le modèle est simple; i 1
prévoit l'application successive de transformations de base à chaque aiguille d'un
plan de chargement de façon à obtenir un ensemble d'aiguilles déformées, c'es t-à-
dire m implant simulé. L'intensité de chaque transformation est choisie au
hasard en fonction des distributions observées lors de la caractérisation. Le
Tableau 4 donne pour chaque transformation la valeur moyenne et l'écart-type de
la distribution employée.
Transformation variable moyenne écart-type
Agglomération
Étirement
Bruit aléatoire AX AY
Courbure
Angulation
Translation
n : le nombre de sources dans I'aiguille
Tableau 4 - Paramètres des distributions aIeatoires
Chaque transformation ap liquée aux aiguiiles est basée sur une cju plusieurs variables. La vakur de ces variables est choisie de facon aléatoire selon une distribution ayant les paramètres (moyenne et Gcart-
e) indi ués. Entre arenthèses est indique le numéro d'équation 5, efinissant a variable ( apitre deux). dp 7 Pou chaque valeur de variable qui doit être choisie au hasard (pour les
besoins d'une transformation), le tirage au sort s'effectue au moyen d'une
distribution de probabilités ga~ssienne"'~ s'approchant de la distribution réelle.
Cette gaussienne possède les paramètres - moyenne et écart-type - tels
qu'inscrits au Tableau 4 pour cette variable. Les paragraphes qui suivent
expliquent en détail l'application de chacune des transformations.
Agglomérntion
Soit pi=[xpi, Ypi, zpiJT avec i=l, ... , n les coordonnées des n SOUKS d'une
aiguille prévisiomelle à déformer, nous allons établir graduellement Ies
coordo~ées qi=[xqi, Yqi, zqilT de l'aiguille déformée en appliquant
successivement les diverses transformations. Tout d'abord la longueur de
l'aiguille prévisionnelle est calculée :
lp, = M ~ X [ Z ~ J - Min[zpi]
de même que les coordonnées z normalisées :
Ensuite, le coefficient d'agglomération k est choisi au hasard selon
la méthode décrite plus haut et respectant la distribution caractérisée par les
valeurs du Tableau 4. La nouvelle valeur de la coordonnée z normalisée de~pient :
Étirement
Le facteur d'étirement Sf est choisi au hasard (toujours selon le Tableau 4) e t
appliqué aux coordo~ées z:
* La méthode o u effectuer un tirage aléatoire selon une distribution de probabilite gaussienne !écrite par Rubinstein.
puis le centre de masse du train de source est replacé à l'origine :
Bruit aléatoire
Le bruit aléatoire est appliqué dans le plan transverse seulement. N valeurs
de Ax et de Ay sont choisies au hasard et assignées awu coordonnées :
puis le c-m. est replacé à l'origine :
La courbure est appliquée dans les plans sagittal et coronal. Les coefficients
q,s et &-, de la parabole du plan sagittal (qc et de la parabole du plan
coronal) sont évalués comme suit :
où les coefficients f%,, fa,, f a , et f+ sont choisis de façon aléatoire selon
la méthode décrite en de'but de chapitre. La multiptication par le signe de y
(signe de x) pour le plan sagittal (coronal) est nécessaire puisque
la caractérisation de ces paramètres avait été réaliçée après une multiplication
par le signe de y ou x (voir équations 2-9 à 2-12 du chapitre deux). La courbure est
ensuite appliquée aux coordomées :
Angriln t ion
L'angulation est appliquée dans les plans coronal et sagittal. Les angles 8, et
8 , sont cdcuiés comme suit :
où f0, et fOY sont choisis de façon aléatoire selon la méthode décrite en début de
chapitre. La multiplication par le signe de x ou y est nécessaire puisque
la caractérisation de ces paramètres avait été réalisée après une multiplication
par le signe de y ou x (voir équations 2.6 et 2 7 du chapitre deux). L'angulation est
appliquée par une rotation de 0, autour de l'axe des y (plan coronal) et de 8,
autour de l'axe des x (plan sagittal) :
avec i= 1, ... , n.
Trnnslnt ion
La dernière transformation est la translation du centre de masse. qui
s'effectue selon un système de coordonnées cylindriques. D'abord, le centre de
masse de l'aiguille prévisionnelie est calculé :
puis traduit en coordom6es cylindriques :
I Ycm BCm = tan- (-) xcm .
Des vaieurs dr, dû et dz du déplacement du centre de masse sont choisies de
façon aléatoire (toujours la même méthode) et ajoutés aux coordomées du c.m. :
rem := r,., + @
oc, := O,, + de, := Gm + dz,
et le tout est reconverti en coordonnées cartésiennes :
Finalement, le déplacement du centre de masse est appliqué a u . coordonnées
de chacune des sources :
Vnlidntion du modèle
Pour déterminer dans quelle mesure le modèle produit des implants sirnules
semblables aux implants réels, nous avons rédige un programme informatique
reproduisant le modèle. Le programme prend comme données d'entrée un plan de
chargement et produit un nombre déterminé d'implants simulés à partir du même
plan de chargement.
Nous avons utilisé un ensemble de huit plans de chargement tires de huit cas
réels présentant des volumes de prostate de 26, 28, 31, 35, 36, 36, -KI et 45 cc. Ces
volumes représentent un bon éventail des volumes de prostate traités. Pour chacun
de ces plans de chargement, mus avons généré 20 implants çimulés, pour un t O ta 1
de 16û implants simulés. Ensuite, nous avons effectué la dosirnétrie post-impian t
sur chacun de ces 16û implants simulés pour obtenir les deux indices de qualité, soit
le DVH(Z6O) et Dmax, la dose maximum à l'urètre.
Résultats e t discussion
La Figure 18 montre les tracés des deux indices de qualité tels que calculés
pour les cas réels et les implants simulés.
Dmax à I'uretre
Figure 18 - Validation du modèle
Distribution gaussieme approchant la distribution des indices de qualité pour les cas réels et simulés.
Pour faciliter lacomparaison, des traces de gaussiennes approchant
la distribution (même moyenne et même écart-type) sont utilisés plutôt que des
histogrammes des distributions réelles. Pour le DVH(160), les moyennes chi
modèle et des cas réels sont de M% et 82%, respectivement et pour Drnax, les
moyennes sont de 279 Gy et 261 Gy (dans le même ordre). Nous avons effectué m
test de Student-t pour déterminer dans quelle mesure les distributions sont
semblables ou différentes. Le résultat est que l'on ne peut pas rejeter l'hypothèse
qu'elles soient semblables (degré de signification de O,11 et 0,15 pour DVH et
Dmax, respectivement) bien cpe la similarité ne soit pas très forte. En fait, les
différences semblent résider surtout dans la dispersion (pour le DVH) et dans
la localisation, au niveau de Dmax.
Le modèle n'est donc pas parfait; nous croyons néanmoins qu'il est
parfaitement utilisable. i5 effet, cri ne recherche pas une réplique fidèle du
phénomène, mais rai outil capable de donner une rétroaction ("feedback") sur
divers aspects de la planification. Un des défauts du modèle est de ne pas tenir
compte de la perte de sources, ce qui tend à surestimer les valeurs de DVH. Pou.
inclure le phénomène, il faudrait assigner une probabilité de perte à chaque
source en fonction de sa localisation intra- ou extra-capsulaire, tel que mis en
évidence au chapitre deux.
Chapitre IV
SIMULATIONS
Objectifs
Exploiter le modèle de la migration des sources afin :
d'améliorer la méthode actuelle de planification,
de comparer les qualités de traitement obtenues avec les
méthodes de planification à distribution de sources optimisée e t
à distribution uniforme,
de mesurer l'influence sur la qualité du traitement de 1' ac t i\-i té
individuelle des sources d m la planification à distribution
optimisée.
M é t h o d e
Amélioration de In méthode de plmification nctrirlle
A plusieurs reprises au cours de l'étude, nous avons apporté des changements
au programme d'optimisation IODOSE pour tenir compte des lacunes mises en
évidence par les simulations et tenter d'améliorer les résultats. Ainsi, nous
avons comparé l'immunité à la migration des planifications avec trois versions
différentes du programme, soit :
la version originale, c'est-à-dire le progr-murte utiiisé pu
traiter les 30 patients, en vigueur de 1995 à 1997 inclus,
la ersi ion 2, oùle programme est modifié de façon importante
par L'introduction d'un nouveau potentiel de protection de
l'urètre et la conversion des potentiels' paraboliques en
potentiels linéaires par segments,
la version 2 avec compensation, à~ la planification est faite en
tentant de compenser tes erreurs systématiques : divergence et
agglomération. Ici, l'espace des positions de sources permises
- le cristal cubique - est distorsionné pour refléter une
divergence de 8 deg~és et une agglomération à la base de
coefficient k=1,6.
Nous avons selectiome trois cas parmi les patients traités avant des
volumes de prostate de B,36 et 45 cc, ce qui représente l'éventail des volumes les
plus courants. Pour chaque cas nous avons effectué une planification avec les trois
versions mentionnées plus haut et avons produit 20 implants simules pour UI
total de 180 simulations (3 versions x 3 volumes x 20 simulations). Ensuite, nous
avons effectué la dosimétrie et mesuré Les deux indices de qualité DVH(160) e t
Dmax pour chacun des implants simulés.
Cornparnison des plnnifcntions unifornie et optiniisie
Nous voulons comparer ici les qualités de traitement obtenues avec les
méthodes de planification à distribution de sources optimisée employée a 1'H.-
D. Q. et à distribution uniforme très employée aux É.-U. Cette dernière, en de p i t
' Le lecteur trouvera davantage d'ex lications sur Ies ptentiels en annexe B traitant du programme d8ptunisation IO D&E.
de san nom, n'est pas rigoureusement urdorme et tonne un hybride avec
la distribution en périphérie.
La distribution (voir Figure 19), décrite par l'équipe du Vassar Brothers
Hosp i tal15, s'effectue de la façon suivante : dans les plans pairs, les grains sont
disposés de façon uniforme, à 1 an d'intervalle en X et en Y, et dans Les plans
impairs, les grains sont disposés en périphérie en suivant à peu près le contour.
De plus, on ne doit pas placer de sources a moins de 5 mm de l'urètre et à moins de
2 mm de la paroi rectale. L'activité individuelle des sources est ajustée lorsque
la distribution est complétée et doit être suffisante pour procurer un DVH( 160)
autour de 995%.
Figure 19 - Chargement uniforme : disposition des sources
A) Dans les plans pairs, les sources sont placées de façon uniforme. €3) Dans tes planci impairs, les sources sont placées en périphérie, en évitant toutefois la face du cotg du rectum Les sources placées légèrement à l'extérieur de la capsule prostatique sont tolérées.
Nous avons utilisé les mêmes trois cas que précédemment (t-olumes de 28, 26
et 45 CC), avons effectué une planification avec distribution urufonne et avons
généré 20 implants simulés pour chaque cas. Les indices de qualité DVH(16O) et
Dmax sont calculés comme précédemment.
Comparaison des acf iuités
Toujours avec les mêmes trois cas, nous avons fait une optimisation (avec
la version V2) en choisissant 5 différentes activités individuelles de source, soit
0,35,0,40,0,45,0$0 et 0,64 mCi. Ces valeurs représentent la gamme des activités
généralement utilisées dans les traitements par iode-125. De chaque
planification nous avons généré 20 implants simulés pour un total de
300 simulations (3 volumes x 5 activités x 20 simulations). La dosirnétrie a éttz
effectuée et les deux indices de qualité ont été mesurés.
Résultats et discussion
Présentation des résultats
Dans cette section, chaque figure présentant des résultats montre le';
distribution des valeurs obtenues pour les deux indices de qualité DVH(160) et
dose maximum à l'urètre Dmax. Les résultats des différentes méthodes de
planification sont séparés par des traits pointillés tandis que la méthode est
identifiée par un ri~n court juste au dessus de l'axe horizontal. Chaque résultat
est un trait vertical avec un point au centre et représente la distribution des 20
implants simulés correspondant a la méthode de planification et au volume de
prostate qui s'applique. Le volume est inscrit au dessous de l'axe horizontal. Le
point situe la moyenne de la distribution et le trait la barre d'erreur c'est-à-
dire plus ou moins un écart-type.
Améliornt ion de ln méthode actrrrlle
Sur la Figure 20 cri remarque d'abord que les résultats obtenus avec
la version originale montrent me distribution s'approchant de celle obtenue
avec les 30 patients. En effet, la vdeur moyenne du DVH se situe autour de 84%.
Ceci est attendu puisqu'au chapitre précédent nous avons établi que le modèle
approche la réalité de façon satisfaisante. De tels résultats doivent être
considérés comme insuffisants puisque plusieurs cas reçoivent une couverture
inférieure à 80%.
La version 2 du programme donne de bien meilleurs résultats. D'abord, une
valeur de DVH beaucoup plus élevée - presque tous les cas présentent un DVH
supérieur à 90% - mais égaiement parce que la dose a l'urètre Dmax se situe en
deçà des ;KK) Gy autour d'une valeur moyenne de 300 Gy. Pour sa part, la version
avec compensation donne d'excellents résultats au niveau du DVH mais d é l i ~ ~ r e
une dose à l'urètre légèrement supérieure : cpelques cas sont au dessus de 400 Gy.
La compensation d'erreurs systématiques par modification de La disposition des
positions permises n'apporte d m aucun bénéfice additionnel en regard de
la version 2 sans compensation.
DVH ~ 1 6 0 ~ Dmax
a a
Original ' Version2 ' Compense Original ' Version2 * Compense
Figure 20 - Variantes de la méthode actuelle par optimisation
Une bonne méthode de planification doit livrer un DVH élex-é tout en
maintenant une basse dose à l'urètre. Ces objectifs sont en opposition. En effet, i 1
est facile d'obtenir un DVH élevé en "chauffant" la prostate, mais
cela entrainera une dose élevée à l'urètre. A l'inverse, cm peut "chauffer" moins
pour protéger l'urètre, avec comme conséquence une couverture de dose
insuffisante. C'est ce constat qui nous a poussés à introduire un potentiel de
protection de l'urètre dans la version 2 du programme. La version 2 est la seule à
atteindre ces deux objectifs.
Celle-ci est maintenant utilisée en clinique depuis quelques mois et nous
avons effectué des dosirnétries post-implant réelles sur une dizaine de cas.
La moyenne du DVH(160) est de 92% (avec un minimum de 88% et un ma..irnum
de 99%) et celle de Dmax est de 256 Gy (min. 200 Gy et max. 3-N Gv). Ces
résultats sont exceiients du point de vue dinique puisqu'aucun cas ne s'approche
des seuils de 80°A pour le DVH et de 4ûû Gy pour Dmax. ils vaiident aussi Le
modèle de la migration qui prédisait un DVH moyen d e 94 "6 et Dmax autour de
300 Gy et valident également i'ensemble de la démarche, i.e. l'utilisation même
d'un modèle comme outil d'amélioration de la planification dosirnétrique.
Distribution optimisée uersus uniforme
La Figure 21 compare les résultats obtenus avec la distribution optimiske
(ce sont les mêmes résultats identifiés "version 2" au paragraphe précédent)
avec ceux de la distribution uniforme. Cette dernière présente un DVH moven
autour de 8Soh et une faible dose à l'urètre (ce qui va de soi puisque le DVH n'est
pas très élevé).
Comme premier constat, mentionnons que les résultats de la distribution
uniforme sont comparables à ceux obtenus avec la version originale (Figure 20)
du programme d'optimisation (en fait légèrement supérieurs). C'est donc dire
que malgré un DVH moyen plutôt faible (82%), les résultats cliniques obtenus à
l'H.43.Q. ne sont ni pires ni meilleurs que ceux obtenus dans les grands centres
américains. Dans La même veine, <ai peut dire que la distribution uniforme
engendre des résultats insuffisants car certains cas sont sous la barre des SOOL
DVH a60 L Dmax 100 c 500 b
I I
60 1 00 Optimisé Uniforme Optimise ' Uniforme
h
28 36 45 28 36 45 28 36 45 28 36 45
Figure 21 - Distribution optimisée versus uniforme
Mais pl* important encore, avec le chargement uniforme de nombreuses
sources sont implantées à l'extérieur de la capsule prostatique (t*oir Figure 19) e t
nous avons montré (Tableau 3) que la probabilité de perte est beaucoup plus
élevée pour de teiles sources. En conséquence, puisque la perte de source n'est pas
induse dans le modèle, nous croyons que la simulation surestime la méthode de
distribution uniforme et que les résultats réels obtenus avec une telle méthode
sont moindres que cleux présentes. La méthode de planification optimisée
(version 2) est donc la seule à procurer à La fois une excellente couverture -
DVH moyen supérieur à 90% - et une dose à L'urètre en deqà du seuil de
morbidité.
Nous avons égaiement comparé l'activité totale délivrée par chacune des
deux méthodes, de même que le nombre de grains et d'aiguilles utilisés (Tableau
5). La principale différence réside dans le nombre de grains (qui atteint presque
le double pour la méthode uniforme) et le nombre d'aiguille utilisés. Les coûts de
traitement sont en majeure partie dus à l'achat des grains (au Canada du moins).
Or le coût des sources est le même queue que soit l'activité (pour des activités
inférieure à 0.65 mCi), il est donc nettement avantageux, du point de Lue des
coûts, d'utiliser le moins de grains possible. Le nombre d'aiguilles quant à lui
augmente le traumatisme chez le patient et la durée de l'intervention.
Activit6 Volume totde
Distribution (cc) (mCi) # grains # aiguilles
Optimisée 28 29,44 46 17 36 35,20 55 20 45 42,24 66 22
Uniforme 28 30.00 75 22 36 37,60 94 32 45 41,82 102 36
Tableau 5 - Domées de pIanification
En résumé, la planification avec optimisation est la seule à atteindre les
objectifs dosimétriques de qualité (DVH élevé, faible dose à l'urètre) et ce à
moindre coût et pour un plus faible traumatisme pour le patient.
Influence de l'nctioité
La Figure 22 montre les
effectuées avec des activités
valeurs moyennes sont assez
résultats de la comparaison des
de sources différentes. Au niveau
sembtables sauf pour la plus basse
planifica lions
du DVH, Les
activité (0,35
mCi) où le DVH est Légèrement inférieur aux autres. Pour la dose maximum à
l'urètre (Figure 23), les résultats sont comparables quelle que soit l'activité.
DVH ~ l 6 0 ~
Figure 22 - DVHfl60) en fonction de I'activité
Figure 23 - Dmax en fonction de I'activité
À la Figure 24 nous présentons les mêmes résultats, tous volumes confondus. 1 1
se dégage plus clairement qu'en deçà de 0,45 mCi le DVH(160) subit une légère
baisse. À la Figure 25, nous montrons pour chaque cas l'activité totale de
l'ensemble des sources (rappelons <pie plus l'activité individuelle est basse plus
il faut de sources). On remarque que pour 035 mCi, l'activité totale est
inférieure de 5 à 10% de celie obtenue avec 0,64 mCi. C'est une explication
possible pour le fait que le D W avec 0,35 mCi soit légèrement inférieur.
% DVHHI 6CL GY Dmax
'O0 I Mo I
Figure 24 - Influence de l'activité, tous volumes confondus
L'activité totale est plus basse parce que le programme d'optimisation ne
peut placer davantage de sources (en se limitant à l'intérieur de la capsule
prostatique) sans violer les limites, soit de la dose à l'urètre, soit de
l'homogénéité de la distribution. En d'autres mots, iI semble que pour obtenir une
couverture adéquate en utilisant des sources de faible activité, il soit nécessaire
de placer des sources à l'extérieur de La capsule - ce qui augmente
la probabilité de perte - comme c'est le cas avec La méthode de distribution
uniforme. Par ailleurs, au delà de 0,45 mCi l'insensibilité à la migration et
la qualité d u traitement sont identiques.
Activité Totale vs mCi individuelle
40
Figure 25 - Activité totale
Pour le choix d'une activité, on doit d m éviter les valeurs trop basses (0.35
et O,# mCi) qui ne réussissent pas à procurer une couverture adéquate si on 5e
restreint à des emplacements intra-capsulaires.
La version 2 du programme d'optimisation offre des résultats supérieurs à
la version originale tant en simulation que du point de we clinique. Le
DVH(160) moyen des patients implantés est maintenant de 92% soit un gain de
10 points par rapport à la première version. Le programme d'optimisation donne
également de meilleurs résuitats que la distribution uniforme et ce sans perte de
sources, avec moins d'aiguilles et de sources, à moindre coût et pour un plus faible
traumatisme pour le patient. Finalement, t'activité individuelle des sources n'a
pas d'influence sur la qualité du traitement pour des activités supéx-ïeures ai
égales a 0,45 mCi; les résultats sont identiques et excellents. L e choix de
l'activité doit alors se baser SUT d'autres considérations comme le coût et
la disponibilité des sources.
Conclusion
Cette étude a été réalisée sur un nombre important de patients traités par implants
permanents pour La prostate. Nous avons débuté en montrant (chapitre I) les résultats des
dosirnétries post-implant. La moyenne de l'indice de qualité le plus important (la valeur Q
DVH a 160 Gy) est de 82%' ce qui est une dégradation significative de la qualité au point de
compromettre la qualité du traitement : 20 des 30 patients ont reçu urie couverture de dose que
l'on peut qualifier d'insuffisante. Ces résultats, loin d'être nega tifs, sont comparables au
résultats obtenus dans les centres médicaux américains utilisant la méthode de plan if ica t ion
unif orme (chapitre IV).
Nous avons ensuite caractérisé la migration des sources (chapitre II) en quantifiant Les
déplacements collectifs affectant les sources composant une aiguille. Deux erreurs systématiques
responsables de l'essentiel de la migration ont été identifiées : la divergence des trains de
sources et l'agglomération des sources à la base. La première est causée par la rotation de
la glande et laseconde par la friction entre les hssus et l'aiguille. Nous avons tenté de
compenser - sans succès - ces erreurs systématiques en dis torsionnant L'espace (régulier) des
somes permises avant de procéder a l'optimisation (chapitre IV). Nous comptons investiguer
la possibilité d'employer un revêtement anti-adhésif sur la surface de l'aiguille pour réduire
la friction et Les déformations qui s'ensuivent.
La probabilité de perdre une source est 7 fois plus élevée si celle-ci est placée juste à
L'extérieur de la capsule prostatique. Cette pratique très utilisée aux É.-U. doit être remise en
question. Les résultats des chapitres 1 et II montrent également que l'usage d'aiguilles de
stabilisation de la prostate ne procure ni réduction de la migration ni amélioration de
la dosirnétrie post-implant. D'autres méthodes de stabilisation de Ia pros tate doivent 6 tre
envisagées.
Sur la base de la caractérisation, nous avons développé un modèle mathématique simple de
la migration qui a été intégré à m programme informatique. La réalisation de simulations a
permis d'améliorer de &on dramatique la méthode de planification qui permet maintenant
d'obtenir des résultats ciiniques de p d e qualité. Les simulations ont également mis en
évidence qu'une distribution optimisée de sources - telle qu'employée à 1'H.-D.Q. - offre une
meilleure immunité a la migration qu'une distribution uniforme de sources - méthode utilisée
par les grands centres américains -et ce a moindre coût et pour m plus faible traumatisme pour
le patient.
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Annexe A
Calcul détaillé de la reconstruction 3D
Soit les quantités suivantes décrivant la géométrie en cause tel qu'illustré à la Figure
1:
S : le vecteur pointant à la tête de l'appareil,
F : le vecteur pointant a l'origine du svstème
de coordonnées locales du film,
a et : les vecteurs unitaires (orthogonaux)
du repère local du film,
x' et y': les coordonnées locales de l'image
(dans Le repère du film),
M : le vecteur pointant à L'image d'une source,
8 : l'angle de rotation de L'appareil (mesuré
par rapport à l'axe des Y).
Figure 1 - Géométrie de la reconstruction 3D
Les vecteurs S et F s'expriment comme suit :
h
Les vecteurs 6 et p s'écrivent, en coordo~ées globales :
Finalement, l'image M s'écrit :
= -F (sin 8 i + cos 8 j) + x' (cos 8 i - sin 0 j) - y' k
L'équation de la trajectoire t (une droite), de paramètre k, reliant la tête de
I'appareil a l'image de la source sur le film est :
avec OS À 5 1,
ou, plus généralement, ia ième trajectoire reliant la tête de l'appareil a une image
Si en théorie, les deux droites obtenues avec deux clichés doivent se couper à L'endroit
où se situe la source d'iode-125, en pratique, à cause des incertitudes sur les mesures, tes
droites ne se coupent pas. Pour trouver la position de la source, cm procède alors comme
suit.
Soit 6 la distance (au carré) entre deux points situés sur l'une et l'autre droite :
on cherche les A,,, et L- qui minimisent la distance 6. La condition du premier ordre
nécessaire et suffisante pour avoir un minimum est donnée par :
En solutiomant le système (deux équations, deux inconnues), on trouve les valeurs h,,,,
et A,,, et la position estimée s de la source d'iode-1Z est la moyenne arithmétique des
deux points sur les droites :
- Les expressions (plutôt longues) de chacune des composantes de s ne sont pas données
ici. Les calculs détaillés des solutions ont été effectués à l'aide de Mntlrmratica.
Annexe B
Le programme d'optimisation IODOSE
ln frod rrction
Le programme vise a déterminer le nombre et la position des sources qui satisferont au
mieux un certain nombre de critères. Pour ce faire, il utiliçe um technique d'optimisation
dite de recuit simulé (<a simulated annealing ~b). Celie-çi s'inspire du phénomène de
refroidissement d'un cristai ou Les atomes adopteront la position qui minimise l'énergie
globale du système.
Les critères ou contraintes d'optimisation sont exprimés sous la forme de potentiels
d'énergie. Ainsi, une disposition domée de sources se voit attribuée une valeur d'énergie
qui est la somme des énergies déterminées par les différents potentiels. L'optimisation
s'effectue de façon itérative en choisissant de façon aléatoire de nouvelles dispositions
de sources qui réduisent 1' « énergie >, totale. Pour éviter le piège des minima locaux, i 1
existe une probabilité d'accepter une nouvelie configuration même si celle-çi f a i t
augmenter l' (( énergie B, totale.
Fornze des pofen Ciels
La version originale du programme utilise des formes de potentiels paraboliques. Par
exemple, le potentiel de contour s'exprime par :
ài C : l'énergie de contour Di : la dose au point de contour i,
Do : Ia dose centrale du potentiel.
L'algorithme est sensible aux variations d' xc énergie >) et non à leur valeur absolue,
ce qui revient à dire que c'est la dérivée des potentiels qui a de l'importance. La zone de
confort - i.e. la plage de la variable indépendante pour laquelle la dérivée est Eaib le
<xi nulle -d'un potentiel parzbolique est très large car la dérivée varie de façon très
lente. Cette largeur de la zone de confort entraîne des résultats variables (d'un patient a
l'autre) et rendent l'ajustement des pondérations entre potentiels difficile. De la même
façon, hors de la zone de confort, la dérivée atteint des valeurs astronomiques et il est
difficile d'établir un équilibre entre les contraintes.
La version 2 du programme utihse des potentiels linéaires par segments. Il est plus
fade de pondérer les objectifs entre eux puisque la dérivée est constante hors de la zone
de confort. De plus, grâce à La discontinuité de la dérivée, il n'existe pas de zone grise e t
l'objectif est clairement défini avec la conséquence que les résultats sont plus constants
d'un patient à l'autre.
Nonrenclatiire des potentiels
Li existe 4 potentiels (pour la version 2) qui contrôlent l'optimisation : contour,
uniformité, urètre et cristal. La Figure 2 montre la forme que prend chacun d'eux. Les 3
premiers traduisent une valeur de dose en (< énergie 0 tandis que le dernier traduit ui
nombre de voisins en ic énergie )B.
Contour E "1 \: : : Dose
200 1 00
100 200 300 400
E Urètre
500 - 400 \ 300 -
Uniformité E
200 100 L-L 200 400 600 800 Dose
Cristal E
200 1 O0 iklL 1 2 3 4 Voisins
Figure 2 - Potentiels 1 inéaires par segment
Le premier potentiel, contour, assure le respect de la prescription. II garantit ui
minimum de dose en périphérie sans toutefois imposer un maximum; c'est pourquoi sa
(c vallée *, ne possède qu'un flanc gauche. Le second, uniformité, évite qu'il y ait des
points chauds, e.g. trois sources successives dans une même aiguille. Des points de
contrôle de dose sont disposés réphèrement a travers le volume de la prostate et servent
à la mesure de l'énergie au moyen du potentiel d'uniformité. C'est le flanc droit qui
limite la dose, le flanc gauche n'étant que la répétition du potentiel de contour ( 1 a
prescription est valide aussi à l'intérieur de la prostate).
Le potentiel d'urètre restreint la dose r g i e par l'urètre. Des points de contrôle de
dose, disposés en quinquonce le long d'un canal approchant la position de l'urètre servent
au c a l d de 1'<( énergie W. Finalement, le potentiel de cristal cherche à limiter le
nombre d'aiguilles - chaque aiguille possède m coût fixe de 300 unités arbitraires
d'énergie - et à minimiser ie traumatisme en favorisant cnie distribution uniforme
d'aigurlles. Ce potentiel est une fonction du nombre de voisins - selon le modèle de 1
voisins ~Nord, Sud, Est, Ouest - plutôt que d'une valeur de dose, comme c'est le cas pour
les autres.
Règle générale, une solution acceptable est trouvée après 50 k itérations. Cependant,
nous imposons toujours que le programme poursuive juçqu'à 200 k itérations pour tenter
d'éliminer les aigudes comportant un seul grain (souvent présentes à 50 k itérations); ce
qui produit m e meiileure solution. La solution y gagne encore m peu en qualité si l'on
poursuit jusqu'à 500 k itérations. Toutefois, 200 k constitue un compromis entre la qualité
de la planification et le temps de calcul qui est d'environ U3 minutes nu une station
SUN SparcStation 5.
Annexe C
Article sur la caractérisation de la migration des sources soumis pour publication à
l'International Journal of Radiation Oncology / Biology / Ph ysics le 12 décembre 1997.
CHARACTERIZATION OF SEED MIGRATION OF 1 ~ ~ 1 IN PERMANENT
PROSTATE IMPLANT AND IMPACT ON POST IMPLANT DOSIMETRY
R. Taschereau, B.Sc.A., J. Pouliot, Ph-D., J. Roy, M.D- and D. Tremblay, Ph.D.
Radiation Oncology Service, Centre Hospitalier Universi taire de Québec, Pa v il10 n
L'Hôtel-Dieu de Québec, Québec
Abstract
Purpose : This study characterizes seed migration and seed losses. It evaluates their im act an post-im Iant dosirnetry and assesses the benefits of parallelly inserted g sta ilization need !' es.
Methods and Materials : 30 prostate cancer cases treated with ultrasound guided '=I transperineal implantation representing 1400 seeds have been studied over a two year period, Post-implant reconstruction of source coordinates is accomplished using the method of isocentric films. Needle reconstruction is done interactiveIy cm a cornputer with the heIp of the planned ioadin , Migration is then characterized ushg individual (seed) displacements and col f ective (needle) behavior such as displacement, elongation and insertion angle. Finally, post-implant dosimetry is performed using the reconstmcted implant and the pre-planning prostate contours.
Results: 1200 of the 1400 -1 seeds have beai identified with confidence. T h e seed displacement is greatest in the Z (cranio-caudal) direction (4.5 mm average) whereaç it is about 2 nun (average) in the transverse directions. Friction between tissues and needle causes seeds to duster near the tip. The average post-implant DVH value at 160 Gy is 82 % with TG43 formdism or 90 % with previous constants. Stabilization needles, when inserted parallel to the Z axis have no noticeable effect on seed migration nor implant quality (DVH). Seeds implanted outside the prostatic capsule have 7 times more chances to migrate further from the prostate and be lost,
Conclusion : Source migration degrades the quality of implant. Still, coverage and homogeneity remain acceptable. A better method for stabilizing the prostate must be useci. The method must be aimed at reducing prostate motion in the cranio-caudal direction. The practice of implanting seeds outside the prostatic capsule must be ques tioned.
Introduction
Ultrasound guideci transperineal implantation for prostate cancer has become an
attractive alternative to other types of localized prostate cancer treahnen t because of
its lower morbidity and lower costs (1,2,11). Using such a treatment, it is important to
carefuily plan the seed distribution to achieve adequate coverage of the target volume
while sparing surrounciing tissues, urethra and rectum. The seed distribution should also
provide unifonn dose coverage, i.e. avoid hot or cold spots inside the gland. it is also ot
equd importance to perform post-implant dosirnetry to verify that adequate coverage
has been achieved (3). if not, then extemal beam radiation therapy rnight be used to
complement the treatment.
The major drawback of the method is that the seeds are rarely - if ever - implanted al the exact plamed location. The causes for this misplacement are :
inaccuracy in needle positionning, prostate motion, bleeding, prosta te swelling and
possibly post implant seed drift. This difference from planned position is known as
source migration (13).
The migration haç a direct impact m post-implant dose distribution. Our study
pursues the 3 foilowing objectives : characterize the migration of sources in terms oi
individual (seed) and collective (needle) displacement, measure the impact on post-
implant dosirnetry of this migration, and assess the benefits of stabiiization needles.
Emphasis has been put m obtaining a detaiIed description of seed migration. More
than a mere description, the detailed characterization done in this study contains
enough information to make computer simulations possible. Su& simulations could he lp
evaluate and compare different pLanning techniques.
Methods and materials
Planning
A few weeks before the implant, the patient cornes to the center tvhere a volume
study of his prostate is conducted using transrectal ultra-sound apparatus (3,12). During
the procedure, the patient is positioned in the lithotomy position. The ultrasound (US)
images thus acquired are transverse slices of the prostate, taken 5 mm apart. Each
image is stored cn a cornpub hard disk and printed for use during the implant
procedure itseif. The radiation oncologist outlines the prostate contours an each image
directly on computer. Prostate volume is evaluated by sumrning the volume of each slice
(area ümes 5 mm).
Using contours, pre-implant planning is perforrned- A differential loading scheme is
used where each patient receives a uniform dose through optimization of a non-urufonn
seed distribution. This is accomplished by a computer program using fast simulated
annealing to achieve optimum seed arrangement (9). We foiiow . W M Task Group
43 (8) recomrnended formalism in computing dose values (point source approximation
with anisotropy constant). The outputs of the planning dosimeiry procedure are : a
needle loading plan, isudose curves for each plane and a dose-volume histogram ( DVH)
for the prostate. The DVH average value at 160 Gy (the prescribed dose) is about 99 "(,.
In the loading plan, some seeds may be located outside (within 2 mm) the prostate ( 10).
We employ individual l'I seeds with a 0.64 mCi apparent activity. Typically, U) to 60
sources are irnplanted using 15 to 20 needles.
The implant procedure is accomplished with the patient under regional (ep idural)
or general anesthesia (patient's choice). Two s tabilization needles (20-ga., no anchor)
are first inserted through the template into the prostate parallel to the Z axis (cranio-
caudal) to help minimize prostate motion (45) (some patients were irnplanted withou t
stabllization needles). Pre-loaded needles with '"1 and chromic ca tgu tTX1 as spacers a re
used for implantation under ultra-sound guidance. A 5 mm spacer is always placed aiter
the last seed in the pre-loaded needles.
Post-inzplant reconstrziction
The first step is the determination of the 3D coordinates of al1 implanted sources.
About 3days after the implant, 4 radiologie films of the patient's pelvis are taken a t
different angles (1 antero-posterior, 1 lateral and 2 oblique films). The 3D coordinates
of the center of each seed an each film are digitized. TO get the 3D coordinates, we use
an algorithm based cm the method of Wcenûic films. With this method, a pair of ZD
coordinates of the seed's images an 2 different films are used to compute the 3D
coordinates.
For the method to be successful, one must be certain that the 2 images belong to the
same seed. When the number of seeds is large - such as in prostate implants - the
probability of mismatching images between films is high. To minimire mismatching,
we use a computer prograrn which tries out different combinations of seeds images and
validates the resuit by using one of the other 2 films. It is only when al1 the seeds
projections match the 3 fïims (within a certain tolerance) that the 3D coordinates are
considered valid. We beiieve that rnethods using oniy 3 films are prone to make
aismatches and yield incorrect results.
It also happens that the count of seeds differ from one film to the other because some
seeds are hidden by others. With the use of 4 films, it is (alrnost) always possible to
find a pair of films with distinguishable seeds. If necessary, the reconstruction is done
by steps considering 2 or more transverse sections of the prostate and using dif ferent
pairs of films for each section. Due to uncertainty in digitizing, as weil as in the pair ing
process, the method has been estimated to yield coordinates accurate within k 1.5 mm.
The next step is to assign each seed to its implantation needle, i-e. to reconstwct each
needle. Using a 3D view of the seeds rn a computer and comparing it w î th the plamed
loading, we interactively reconstruct each needle in the pos t-implant (figure 1-a ). The
3D reference system is defined as shown in figure 1-b. The pre-implant reference system
origin is located arbitrarily somewhere outside the prostate. The pos t-imp lant
reference system is arbitrarily chosen with the origin at about the center of the
prostate.
For the seeds location to be cornpared, one needs a cornmon reference system for both
pre- and post- implant locations. Therefore, the center of m a s of each implant (pre-
and post-) are made to coinade. Further adjushnents are done by rotating the post-
implant about the x axis to reflect the fact that the patient was in a dorsal position
when the film was taken as opposed to a Iithotomy position rvhen the US images were
obtained. The implant is rotated until the reconstnicted needles are approximatelv
parallel to the insertion axis. This rotation ranges from IO0 to lS0. Finally, a slight
rotation about the z a i s is occasiomaly appiied when the radiation oncologist confkms
that the prostate was tilted d u ~ g the implant.
Post-implant dosinretry
Once post-implant reconstruction is done, post implant dosimetry can be calculated.
Post-implant prostate contours cannot be obtained from radiologie films, so p re-planning
contours are used. Precise post-implant contours - obtained by a CT scan for example - wodd not yieid a more accurate dosimetry since it is known that prostate volume
increases (15) a few days after the implant and continues to change during the following
weeks. Exact post-implant dosimetry would then require the knowledge of volume
evolution with tirne, i.e. a Ci scan for every patient for several weeks; a hig hly
impracticai situation. Pre-planning contours can reasonablv be seen as an estimated
average of post-implant volume.
in assessing the quality of an implant, no single value can be used; one must recouse
to several dosimetric indices. Prostate coverage is evaluated by perfonning dose volume
histogram (DVH) anaiysis and keeping DVH(160) value which represent the
percentage of the volume covered by the prescrived dose (160 Gy for "1). The use of
DVH(160) aione as a quality measure cm be misleading. While it indicates hotv w e Il
the target volume has been covered, it gives no indication on high dose areas which can
be harmful especially in the urethra region. The homogeneity index (HZ) is better
suited in assessing the volume coverage by a usefui dose. The HI is defined as the
percentage of the volume receiving between 100% and 150% of the prescribed dose
(6,241.
The method used in calculating doses ais0 greatly inauences the results. Dose
differences of up to 11% have been observed between TG43 fonnaiism and conventional
dose calculation methods (7). AU dose calculations are performed using TG43 formalism.
Migrat ion characterizn tion
The characterization consists in determinhg quantitatively how the seeds migra te.
Looking a t a reconstructed implant (figure l), me can see that the seeds disp lacemen ts
are not totaliy at random ; they foiiow more or less a collective pattern ùnposed by the
needle. This suggests that quantities representing this coilective behavior, i.e. that oi
the needle, be computed. Therefore, two types of quantities have been computed to
characterize seed migration. Their definitions are as foilows :
seed (individual) quantities;
axial dispiacements (dong the 3 dues); the
displacement being defined as seed pnst-implant position minus planned position;
needle (coliective) quantities;
insertion angle; the angle of a straight line fitted
through the poçt-implant coordinates of the seeds forming a needle and the z axis (see
figure 2). A negative dope means diverging from apex to base;
needle center of mass displacement; deiined as the ratio
of the radial distances of the center of mass (post-implant over pre-implant);
O length ratio; d e h e d as the ratio of lengths of the post-
and pre-implant needle, the length being the distance between the first and last seed;
O "2" relation; representing the 2-post vs 2-pre relation
of the seeds composing a needle. To determine the relation, the position of each seed in
a needle is first normalized relative to the first seed (tip). This operation is done ai
pre-implant as weii as ai post-implant needles. The two variables thus obtained are :
the 2-pre normalized pozition (Zn) and the 2-post-implant normalized position (Zpn )-
A nomalized position is always comprised between O and 1; the first seed always belng
O and the last seed always king 1. Figure 3 shows typical obsemed "2" relations. X
power function of the form :
is fitted through the normalized positions. Hence, the
"2" relation coefficient (ZRC) is a unique value characterizing the relation.
Results and discussion
Thirty cases, implanted by the same radiation oncologist, have been studied over a 2
year period (mid 1995 to mid 1997) representing l4ûû seeds and 389 needles. û4 "ij of the
seeds (1200) were identified with confidence in the 3D reconstruction process. The
positive assignment of the remaining seeds was considered doubtful. We chose not to
indude hem in our anaipis. Ten patients (out of 30) have been implanted w i th
stabilization needles.
Sred displacemen f
The statistics about individual seed displacements are shown in Table 1, columns A
and B. The o v e d displacernent has an average of 6.2 mm with a standard det~iation of
4 mm. This value is comparable to what has been reported by Roberson et al (13). Notice
that the amplitude (and SD) dong the z axis is about twice as much as in the x or y
axis. Hence, the displacement dong the z axis is the major contnbutor to the overall
displacement. This peculiar phenomenon in the z direction has been investigated
further by looking at the collective (needle) behavior.
Sred train shrinking
The seed train inside a needle has a tendancy to shrink. As s h o w in table 2 rorr A,
the length ratio has an average close to 1 (0.9), which means no elongation or
contraction on the average. But by looking at the quartile values, it can be seen that the
distribution is skewed to the left, so that 50 9'0 of the needles have SM, about 3 ";)
have stayed the sarne and 25 O/O have elongated.
The clilster effect
The "2" relation coefficients (ZRC) are presented in row B of table 2. SO O!, ot needles
have a ZRC coefficient larger than 1, irnplying a positive cunrature of the relation ( a s
with cuve C in figure 3). This positive curvature reflects the fact that seeds located
near the tip of the needle have the tendancy to cluster near the base planes.
This cluster effect is most likely caused by prostate motion and friction between
prostate tissues and the needle. Figure 4 iilustrates this phenomenon. Ps the needle is
retracted, prostatic tissues are pulled and stretched, and the seeds are deposited in
these stretched tissues. As the needle is hirther retracted, tissues resume their original
position causing the seeds to cluster. We later confirmeci this effect by looking at a
longitudinal plane with the US device while the needle was pulled out. The use of
RapidStrandTM might give some advantage here, but it predudes differential loading
since seeds are reguiarly spaced.
Needle transverse positioning
Row C of Table 2 shows the radial inaease (in the transverse plane) of the center of
mass of the needles The inaease is presented as the ratio of the post-position over the
pre-position. There is a 12O/0 inaease in average in radial distance. With the
reasonable assumption that the needie transverse positionning error is srnall cri
average, this increase c m be rnostly attributed to prostate swelling. That Ïs to sav th a t
prostate volume has increased up to 40% (assuming uniform sweiiing) 3 davs after the
implant.
Diziergence fronr apex to bnsr
Row E of Table 2 presents the distribution of insertion angles. Notice that they are
apparent angles : a combination of the actual insertion angle and prostate motion as the
needle is inserted. Results show that more than half of al1 inserted needles have a
negative angle, meaning divergence h m apex to base. f t should also be noted t ha t
individual cases do not exhibit the full range of angles; some patients had al1 thei r
needles diverging and others a mix of converging and diverging.
Post-inzplnnt dosinzetry
The average coverage indices are 82"/0 for DVH(l60) and 369'0 for DVH(240) while
the average HI is 46 O/O (Table 3, columns A and B). This represents a degradation of
about 17% from the planned DVH(160) (which was 99%).
It has been suggested (16) that adequate 151 implants should receive a minimum of
140 Gy over 90% of the volume, i.e. DVH(l4O) 1 90%. Since many centers still use the
old constants in dose computations, we cm LW an equivalence between T-3 and rm
TG43 doses (7), that is DVH(160) r m TG43 is equal to DVH(I4-l) TG43. Hence,
considering DVH(1U) as the coverage index, air results indicate that 90 "0 of the
volume is covered by the minimum dose (144 Gy). In this perspective, we can state t h a t
acceptable coverage and good uniformity have been achieved.
Two factors in our methodology may affect the results. The first is the uncertainty ot
using an estimated average post-implant volume (the pre-planning contours) and the
second is the positioning of the post-implant seed distribution over pre-planning
contours using center of masses. The method of positioning is correct as long as s y stema tic
errors are s m d , which was our assumption.
Stabilization needles
Rows C to F of Tables 1 and 3 compare the results obtained with and without
stabilization needles. The results are very similar. Table 1 shows no difference in the
average displacement in ail directions. In Table 3, the DVH(l6O) value rnay e m a
little lozver for the cases with stabilization needles. However, even with 30 patients,
this difference is not statisticaily significant.
Hence, paralely inserted stabilization needles do not seem to improve the quality
of the implant. This is easily understandable since it has been shown that the major
displacement occuxs in the cranio-caudal direction cm which these needles can have
Little or no effect.
Another hinderance is related to the fact that stabilization needles are inserted
through the template. When positioning (or repositioning) the US probe during the
implant procedure, the radiation oncologist also moves the template which is solidary
with the probe. This motion of the template moves the stabilization needles and may
have adverse effect an prostate position hence lirniting any benefit the needles migh t
bring. A better method to mininuze the cranio-caudal displacement mut then be
investigated.
Locntiori. of lost seeds
Of the 1-100 seeds implanted, a total of 27 have migrated outside the prostate and
were lost. Half of the patients lost at least one seed, m e loosing up to 4. The location
of these missing seeds have been determined for 11 of them. By comparing the location
of lost seeds with prostate contours, we found that 5 were located just outside the
prostate capsule. Since we estimate to place about 20°/0 of the seeds outside the capsule,
we calculated that these se& have 7 times more chances to be lost than other seeds.
This has questioned our practice of positioning seeds outside the gland. We altered our
planning program to forbid seedç located outside the prostate. Since then, 10 patients
have been implanted and none has lost a single seed.
Type of nnrsthesia
Under regional anesthesia, some patients did move a little during the implant, so rve
investigated if this could adversely affect the DVH. We compad average DVH(160)
of patients who received generai anesthesia to the DVH(160) of patients who had
epidural. We found no significant ciifference between the 2 groups, so there is rio
objection in Ietting the patient choose the type of anesthesia he prefers.
Conclusion
We have investigated seed migration on 1200 identified seeds by characterizing the
displacement both individuaiiy (seed) and collectively (needle). The displacement
dong the z axis (cranio-caudal) is the major contributor to migration. Seeds have the
tendancy to cluster near the tip. This phenornenon is caused by prostate motion and
friction between prostatic tissues and the needle : as the needle is retracted, prostatic
tissues are p d e d and stretched and the seeds are deposited in these stretched tissues.
The use of paralleIly inserted stabilitation needles had no noticeable effect m
migration.
In order to improve implant quality, a more efficient rnethod to minimize the cranio-
caudal displacement must be investigated. Two approaches can be used. The fi rst would
be to improve prostate stabilization. Dattoli and Waliner (4) have reported the use of
obliquely inserted 18-ga. needles directly against the perineum, not through the
template. We have started to use this approach. The analysis of seed migration tv il1
tell us in the future if any benefits are to be gained by this method. The use of needles
with retractable hooks (anchors) would &O fall in this first category. Another
approach would be to try to minimize friction between the needle and prostatic tissues.
Seeds implanted outside the prostatic capsule have 7 times more chances to migrate
outside the prostate and be lost, so the practice of implanting seeds outside the
prostatic capsule must be questioned. in spite these adverse effects, post-implant
dosimetry indicates that acceptable coverage and good uniforrnity have been achiel-ed.
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Figure captions
Fig. 1. A) 3D view of a reconsûucted post-implant. The '+' signs identify sources; grid iines are spaced 1 an apart B) the coordinate system : the z axis is in the
cranio-caudal direction, the x axis is in the right to left direction and the y axis is in the postero-anterior direction.
Fig. 2. The insertion angle is obtained by fitting a straight line through the post- implant coordinates of a needle's seeds and measuring the angle relative to the z ais. A negative angle (as shown here) indicates divergence from apex to base.
Fig. 3. Tpical Z relations observed on needles. Shown here are 3 possibilities for a needle of 3 seeds. Zn and Zpn are the norrnalized Z coordinates in the pre- and post-
implant needle respectively. The filted curve is a power function of the form Zpn=Znuc. The exponent 44 u c P) - the " Z relation coefficient - is a unique value
characterizhg the relation. With cuve A, zrc iç lower than 1 while with curve C it is greater than 1. The straight line B (zrc=l) is the ideal relation. Most relations
are of type C-
Fig. 4. The effect of friction between the needle and tissues. A) the needle full!. inserted in place. B) As the needle is retracted, the gland is pulled out ( i ) and the tissues are stretched (ii). Deposited seeds are p d e d towards base (iii) when the tissues resume their original position. C) Final seed arrangement. Seeds tend to
cluster near the base (tip). Middle seeds are most affected.
Table 1. Absolute values of individual displacements along each axis. The three columns give the average and standard deviation for all implants and implants
done with and without stabilizing needles.
Table 2. Summary of ail the distribution statistics that apply to needles : average, standard deviation, value at first quartile (QI), the second quartile or median (Q1) and value at third quartile (Q3). The length ratio is the factor by which the length
of the needle has changed; the Z relation coefficient characterizes the seed distribution within a needle. Please refer to text for a detaiied explanation of each
row.
Table 3. Post-implant dosimeiry. The DVH(160) and DW(210) are the percentages of the prostate volume receiving at least 160 Gy and 240 Gv, respectively. The
homogeneity index (HI) is the ciifference between the two DVH values and represents the percentage of the prostate volume receiving a useful dose.
anterior face Y
feet
Figure 1 - Reconstructed post-implant
Ypost (cm)
+ seed
8
. - - - - - - - - - - - - -2 - 1 -0.5 :
1 2
BASE APEX
-)x left
Figure 2 - Insertion angle
Figure 3 - Typical Z relation
Figure 4 - Effect of friction
Al l implants Stabilizing needles
without wi th (20 cases) (10 cases)
Ave SD Ave SD Ave SD (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm)
Column ID A B C D E F
X axis 2.0 1.6. 1.9 1.5 2.1 1.6
Y a i s 2.2 2.0 2.2 2.0 2.2 2-0
Z axis 4.6 4.2 4.5 4.0 4.7 4.2
Overall 6.2 4.0 6.1 3.9 6.3 4.0
Table 1 - Individual seed displacement
Distribution parameters
RowIDUnits Ave Sû QI 02 Q3
Length Ratio A ) - 0.92 0.33 0.72 0.90 1.09
"Zn relation coefficient BI - 1.59 0.69 t.18 1.50 1.86
Radial increase of center of mass C ) - 1.12 2.10 1.00 1.10 1.21
Z displacement of center of mass DI (mm) 0.2 5.4 -3.6 0.2 3.0
Angle of insertion EI -7.4 7.6 -10.6 -7.5 -4.0
Table 2 - Needle statistics
- -
A l l implants Stabilizing needles
wi thout w i t h (20 cases) (10 cases)
Ave SD Ave SD Ave SD Coiurnn 10 A 6 C D E F
( 70 ) ( O ! 1 ( O/o 1 ( O/o ) ( O10 ) ( 343 )
DVH(I60) 81.9 8.9 84.0 7.4 77.6 10.5
Table 3 - Post-implant dosimetry
l MAGE EVALUATION TEST TARGET (QA-3)
APPLIED IMAGE. lnc - = 1653 East Main Street
