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Revue des Accélérateurs Médicaux Particules Lourdes Jean DATCHARY (Oncologue-Radiothérapeute) et Samuel MEYRONEINC (Ingénieur) Rencontres SFP-Accélérateurs - Arronax, Nantes, 8 octobre 2018

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Revue des Accélérateurs Médicaux Particules Lourdes

Jean DATCHARY (Oncologue-Radiothérapeute) et

Samuel MEYRONEINC (Ingénieur)

Rencontres SFP-Accélérateurs - Arronax, Nantes, 8 octobre 2018

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I- Accélérateurs Médicaux Apparition et Développement

Jean DATCHARY (Oncologue-Radiothérapeute)

Rencontres SFP-Accélérateurs - Arronax, Nantes, 8 octobre 2018

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Apparition des linacs-électron médicaux

Georges Chicotot 1907

Victor Despeignes Juillet 1896

1896 : tube de Crookes (Rayons X) (linac électrostastique 20-30 kV) Naissance Radiologie Naissance Radiothérapie

1947 : 1er linac-électron à RF (Stan U) (William Hansen, Sigurd & Russel Varian)

1952 : 1er linac-électron médical (8MeV) au Hammersmith H (Londres) ; 1er pt 1953

Truebeam Varian

2016 : Varian Medical Systems produit plus de 1.000 linacs/an

Parc RT française Statistiques INCa 2016

860 praticiens / 172 centres 500 linacs / 527 appareils RT 192000 pts / 4,1.106 séances

1957 Gordon Isaacs

Varian Associates

1956 : linac-électron médical (6MeV) du Stanford-Lane H (San Francisco) construit par les frères Varian. Cet enfant fut traité par Henry Kaplan

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Apparition des cyclotrons médicaux

Médicalisation des 27,5- & 37-inch C.

o 1936 Médecine nucléaire [14C,18F,24Na,32P,59Fe,131I,…99mTc,…] Radiobiologie [n0 > Photon]

o 1938 : 1ère Neutronthérapie [Robert Stone et John Lawrence]

1936 : 1ères expérimentations médicales Médecine Nucléaire et Neutronthérapie Cyclotrons Standards (Rad Lab, Berkeley)

Livingston & Lawrence 27,5-inch Cyclotron

1934 (27,5-in) : 2D+ 5 MeV 1937 (37-in) : 2D+ 8 MeV

60-inch Crocker Medical Cyclotron

Premier cyclotron médical

1939 : 2D+ 16 MeV - 4He2+ 40 MeV

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184-inch Cyclotron Synchrocyclotron depuis 1946 Médicalisation à partir de 1952

4.000 tons ; 467 cm

Débuts de la RT par ions légers - Protons : 340 MeV 30 pts traités (1954-1957) - Ions He (1957-1986)… 2.054 pts traités (1957-1992)

Poursuivie ensuite au BEVALAC - Ions Ar, Si, Ne surtout et C : 433 pts traités (1975-1992)

1954 : 1ère Protonthérapie (John Lawrence, Berkeley)

Les 2 frères Lawrence à Berkeley

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Médicalisation des Synchro-Cyclotrons à protons

Uppsala 230cm & 600t (1951-1977)

73 pts traités (1957-1976)/H+ 185-MeV

St Petersbourg 6m & 10.000t (H+ 1-GeV)

1.386 pts traités (1975-2012)

2nd Harvard Cyclotron 650t (1949-2002)

9.116 pts traités (1961-2002)/H+>165-MeV

Orsay 320cm & 1.000t (1975-2010)

5.063 pts traités (1991-2010)/H+ 201-MeV

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BEVATRON Grand synchrotron à focalisation faible ouvert 1953-1954 H+ 6-GeV ; anneau de 36m 1995 : découverte de l’antiproton

BEVALAC Relié au SuperHilac (injecteur), le BEVATRON devient le BEVALAC. Poursuite des expérimentations débutées avec l’ion hélium au 184-inch SC et premières études portant sur d’autres ions légers

1975 : médicalisation du Bevatron Lawrence Berkeley National Laboratory

Ions He : total de 2.054 pts traités au 184-inch SC et au BEVALAC (1957-1992)

Ions Ar, Si, Ne essentiellement, et C : 433 pts traités au BEVALAC (1975-1992)

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1990 : 1er Synchrotron médical (H+)

Synchrotron OPTIVUS

7m- ; H+ 370 MeV

1 LF ; 3 gantries 10m-

Synchrotron construit au FERMILAB (Batavia, IL) : encore opérationnel, c’est le 1er accélérateur de protons médical. Depuis son ouverture en 1990 jusqu’en fin 2016, 19.400 patients ont été traités à Loma Linda.

Loma Linda UMC San Bernardino

Californie

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09/11/2016 PFRS CAEN

9 / xx 9 / xx

Evolution des accélérateurs de protons médicaux (1990-2010)

HITACHI 70-250 MeV

MITSUBISHI 75-370 MeV

CPO 201 MeV IBA C230 MeV

ACCEL-VARIAN 250 MeV

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ORSAY 2010

NICE 2017 CAEN 2018

Actualités 2018

Evolution des accélérateurs de

protons médicaux

Bmax = 3 T

Bmax = 2,2 T Bmax = 5,6 T

Bmax = 10 T

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360° GANTRY : 10 m(Ø), 120 tonnes

LIGNES FIXES

LIGNE MOBILE

Trois salles de traitement (2 LF, 1 LM)

Installation de Protonthérapie (ICPO 2010)

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IBA Single Room Proton Therapy System (Nice, Caen)

ProteusONE Compact

Gantry

220° Gantry

Installation compacte 13x30 m2

S2C2 50 tons 230 MeV 2,5 m ()

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10.692 pts traités de 1994 à fin 2016

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HIT Center ouvert en 2009 Heidelberg : Synchrotron 20m Protons 220 MeV (1.523 pts en fin 2016) Ion-C 430 MeV/uma (2.430 pts fin 2016)

Gantry 13 m, L 25, 600 t

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1er cyclotron isochrone SC à Ions légers ?

- Une seule machine dédiée à l’accélération des ions légers - Simple à construire - Simple d’emploi - Peu encombrante - Peu coûteuse

Machine innovante p : 250 MeV C : 400 MeV/uma

Bmax = 3,5 T

700 tons

6,6m

- Fx d’ions tels que (Z/A = ½) - Faisceaux continus - Intensité appréciable - Vallées profondes focalisation - Supraconduction faible

cyclotron isochrone supraconducteur C400

Ions (Protons, He, Li, B, C, N, O, Ne) )

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C400 : the ARCHADE multi-ion SC cyclotron

- Une seule machine dédiée à l’accélération des ions légers - Simple à construire - Simple d’emploi - Peu encombrante - Peu coûteuse

Machine innovante p : 250 MeV C : 400 MeV/uma

cyclotron isochrone supraconducteur C400

Ions (Protons, He, Li, B, C, N, O, Ne) )

Bmax = 3,5 T

700 tons

6,6m

- Conçu à Doubna (2006-2009) sous la direction d’Y. Jongen

- Vendu par IBA à NHa en 2009 - Fx d’ions tels que (Z/A = ½) - Faisceaux continus (intensité+)

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Normandy Region

ARCHADE (Assoc loi 1901)

2008

Medical institution CRLCC F. Baclesse

Research Institutions CHU Caen

The ARCHADE project in Caen

After ASCLEPIOS (2002-2007)

2008 : Pure scientific multi-ion project with a unique industrial partner (IBA)

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Normandy Region

ARCHADE (Assoc loi 1901)

2008; 2010

Medical institution CRLCC F. Baclesse

Research Institutions CHU Caen UNICAEN ENSICAEN

GANIL CYCERON

CNRS CEA Etc. CYCLHAD (SAS)

2010; 2017

SAPHYN (SEM) 2009

Stocke holders

The ARCHADE project in Caen

2012 : Protontherapy facility (Proteus-One) → Scientific project with mixed Research & Therapy activities → CYCLHAD (SAS) for multi-ion logistics

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Normandy Region

ARCHADE (Assoc loi 1901)

2008; 2010

CYCLHAD (SAS) 2010; 2017; 2022

(Nha) Normandy Hadrontherapy (SAS)

2018; C400

SAPHYN (SEM) 2009

Stocke holders

Medical institution CRLCC F. Baclesse

Research Institutions CHU Caen UNICAEN ENSICAEN

GANIL CYCERON

CNRS CEA Etc.

The ARCHADE project in Caen

2018 : C400 product & development by NHa

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Normandy Region

ARCHADE (Assoc loi 1901)

2008; 2010

CYCLHAD (SAS) 2010; 2017; 2022

Normandy Hadrontherapy (SAS)

2018; C400

SAPHYN (SEM) 2009

Stocke holders

Medical institution CRLCC F. Baclesse

Research Institutions CHU Caen UNICAEN ENSICAEN

GANIL CYCERON

CNRS CEA Etc.

Scientific project

Proton therapy

External users

The ARCHADE project in Caen

2020 : C400 construct on site in CYCLHAD

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Radiothérapie par ions légers dans le monde Fin 2016 (Statistiques PTCOG)

1954-2016 Pions Ions

Hélium Autres ions

(Ne, Si, Ar) Protons

Ions Carbone

Total

Installations fermées (19)

1 100 2 054 433 19 394 440 23 421

Installations ouvertes (69) 60(P) et 9(Ion-C)

0 0 0 129 951 21 140 151 091

Patients Traités

1 100 2 054 433 149 345 21 580 174 512

Extrapolation 2018 : 200 000 traitements (170 000/Protonthérapie & 30 000/Carbone-thérapie)

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0

20

40

60

80

100

120

140

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018

Forte progression du nombre des installations Particle-RT

depuis 2000

ARCHADE (CAEN) ouvert depuis juillet 2018

3ème installation française

En 2018 105 installations dans le monde

Installation Protonthérapie

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0

20

40

60

80

100

120

140

2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018

0

20 000

40 000

60 000

80 000

100 000

120 000

140 000

160 000

180 000

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

Protonthérapie Carbonethérapie

Protonthérapie 170.000 pts

Carbone-thérapie 30.000 pts

En 2018 105 installations dans le monde

Statistiques actuelles

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0

50 000

100 000

150 000

200 000

250 000

0

20

40

60

80

100

120

140

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020

Installations Patients

Etude d’incidence française* par « enquêtes en un jour »

- 12% d’indications de protonthérapie - 05% d’indications de carbonethérapie

Radiothérapie par ions légers dans le monde

*

Et en France, en 2016

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Particle Therapy Centres

ENLIGHT Meeting, UCL, London, 26 june 2018

18 11

26 9

17 4

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Courtesy of Manjit Dosanjh

ENLIGHT Meeting

UCL, London,

26 june 2018

18 11

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II- Cas du Centre de Protonthérapie

d’Orsay de l’Institut Curie

Samuel MEYRONEINC (Ingénieur)

Rencontres SFP-Accélérateurs - Arronax, Nantes, 8 octobre 2018

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Salle Y2 : T Oph + T Intracrâniennes 1991

Salle Y1 : T Intracrâniennes 1996

Synchrocyclotron

Cyclotron 2010

Bras Isocentrique

2010

Aile médicale

2010

Le cas du Centre de Protonthérapie d’Orsay

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Classements des sites de protonthérapie

0

5000

10000

15000

20000

25000

Lom

a Li

nd

a (L

LUM

C)

Bo

sto

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NP

TC)

Ors

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CP

O)

Vill

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PSI

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Orsay : 8 131 patients (3e)

Nombre total de patients traités fin 2016 – 61 centres de protonthérapie en activité

Données du Site web PTCOG

Nice : 5772 patients (7e)

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Le Pencil Beam Scanning: ça marche !

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1. Le sujet de maturité sollicitent toujours des sujets de conception

• Ex1: l’isochronisme- le conditionnement-le multi-pactoring

NASA Technology

Readiness Levels

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1. Le sujet de maturité sollicitent toujours des sujets de conception

NASA Technology

Readiness Levels

• Ex2: cas de la source d’ions et du PBS

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2. Les Principes transversaux de fiabilité

• Contrainte: les périodes d’ arrêt pour maintenance ou upgrade sont(très) courtes - (4 jours max)

exemple de l’upgrade du déflecteur

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2. Les Principes transversaux de fiabilité

Opportunité: s’appuyer sur

d’autres sites IBA et sur académiques (ex:ARW)

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3. Les spécificités de l’application clinique

Principes d’interaction et d’escalade au sein du centre

La certification médicale CE en pratique et en réel (ex: Night shift reports)

• Timlng et protcoles pour escalades

• (2 min - 10 min – 30 min- 1h- 2hour-1day)

• - Protocole d’ interface 1-1 (simple, pas affect)

• niveau de confiance dans le diagnostic –durée estimée

MedPhys Tech-Ing Therapist

Patient

Doctor

-

- Qui est l’owner de l’affaire

- Critical Components Identifiés

- Documentations - sécurités

IBA

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3. Les spécificités de l’application clinique Beaucoup d’autres sujets au moins aussi préoccupants

que la génération de faisceau

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III- Contraintes et Attentes Médicales Cas Clinique

Jean DATCHARY (Oncologue-Radiothérapeute)

Rencontres SFP-Accélérateurs - Arronax, Nantes, 8 octobre 2018

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Agent de la SNCF de 28 ans Crâniopharyngiome sellaire et suprasellaire 2016 : amblyopie D + alt CV G → 1ère rés chir 2018 : HLH G → 2ème rés chir incomplète

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PROTONTHERAPIE

52,2 Gy 29 F

(1,8 Gy/F)

52,2 Gy 29 F

(1,8 Gy/F)

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Résultats concernant les OAR les plus critiques

GONDI Vinai et all : Int J Radiation Oncol Biol Phys, Vol. 85, No. 2, pp. 348-354, 2013

Conclusion: EQD2 to 40% of the bilateral hippocampi greater than 7.3 Gy is associated with long-term impairment in list-learning delayed recall after FSRT for benign or low-grade adult brain tumors.

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IV- Enjeux et Défis Futurs

Jean DATCHARY (Oncologue-Radiothérapeute) et

Sam MEYRONEINC (Ingénieur)

Rencontres SFP-Accélérateurs - Arronax, Nantes, 8 octobre 2018

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1. Des solutions pour avancer en gardant la confiance des parties prenantes

• Plus de traitements , Plus de recherche

• Baisser les coûts

– Organisation: ouvrir horaires, améliorer workflow, …

– technologiques: gestion de l’obsolescence, plus de monitoring systèmes (approche type TCP-NTCP)

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La bonne mesure entre monitoring éclairé et maintenance préventive

(inspiration du modèle TCP/ NTCP en RT)

TCP

NTCP

1- NTCP

TPC (1- NTCP)

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1. Des solutions pour avancer en gardant la confiance des parties prenantes

• Plus de traitements , Plus de recherche

• Baisser les coûts

– Organisation: ouvrir horaires, améliorer workflow, …

– technologiques: gestion de l’obsolescence, plus de monitoring systèmes (approche type TCP-NTCP)

• Parmi les sujets critiques

– les robustesses des plans (incertitude distale)

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IMRT PSPT IMPT Robust IMPT

Liu, Zhang and Mohan, 2013

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1. Des solutions pour avancer en gardant la confiance des parties prenantes

• Plus de traitements , Plus de recherche

• Baisser les coûts

– Organisation: ouvrir horaires, améliorer workflow, …

– technologiques: gestion de l’obsolescence, plus de monitoring systèmes (approche type TCP-NTCP)

• Parmi les sujets critiques

– les robustesses des plans (incertitude distale)

– le management : équipes linéaires / non linéaires

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2. les domaines de travail et de prospectives pour l’avenir

Industriels

• Systèmes industriels assez matures (PBS, HDR)

• Smaller & cheaper

• Ex: la supra-conductivité maintenable

• Imagerie compétitive (cf PhotonT)

• Instrumentations et sécurisation des faisceaux balayés

• Logiciels pour techniques adaptatives

Académiques

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53 8 October 2018

From A. Mazal

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2. les domaines de travail et de prospectives pour l’avenir

Industriels

• Systèmes industriels assez matures (PBS, HDR)

• Smaller & cheaper

• Ex: la supra-conductivité maintenable

• Imagerie compétitive (cf PhotonT)

• Instrumentations et sécurisation des faisceaux balayés

• Logiciels pour techniques adaptatives

Académiques

• Plus de convergences internes

• Plus de concepts

• Cas des prototypes

• Innovations radicales (ex: MBRT, flash, …)

• Associations (ex: nano-technologies)

• Travaux précliniques

• Radiobiologie ++

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Exemples pour l’Institut Curie

2018: un Linac True Beam Pour augmenter la densité clinique

2019: une plateforme Prè-clinique à côté du CPO

2019: une ligne de PT dédiée recherche

Un programme médico-scientifique d’innovation en radiothérapie et radiobiologie

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Le futur est lié au potentiel de la RT par ions légers…

Avéré et en développement dans le cas des protons Encore en cours d’expérimentation pour les ions-carbone A étudier lorsqu’il s’agit des autres ions légers (He, Li, O…)

...indissociable de l’évolution de la cancérologie

Exemple des associations de RT et d’immunothérapie Amélioration de la présentation des Ag tumoraux par la RT La RT peut engendrer une réponse immunitaire antitumorale Synergie de la RT avec différentes stratégies d’immunothérapie Les particules chargées seraient plus immunogéniques que les photons