Study and development of physical models to evaluate biological effects of ion therapy : the study of local control of prostate cancer

par Marie-Anne Chanrion

Thèse de doctorat en Physique médicale

Sous la direction de Michaël Beuve et de Wolfgang Sauerwein.

Soutenue le 18-12-2014

à Lyon 1 en cotutelle avec l'Universität Duisburg-Essen , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon , en partenariat avec Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Andrea Wittig.

Le jury était composé de Urszula Jelen.

Les rapporteurs étaient Joël Hérault, Iuliana Toma-Dasu.

  • Titre traduit

    Étude et développement de modèles physiques pour évaluer les effets biologiques de l'hadronthérapie : cas de l'étude du contrôle tumoral local du cancer de la prostate


  • Résumé

    La radiothérapie externe est un traitement anticancéreux locorégional efficace et curatif. Néanmoins, il y a toujours des malades qui meurent de tumeurs locales non-contrôlées. Les nouvelles techniques en radiothérapie visent toujours à trouver un moyen d'augmenter la dose à la tumeur tout en réduisant au minimum la dose aux tissus sains adjacents. Une des dernières techniques innovantes est l'hadronthérapie par ions carbone. Ces dix dernières années ont vu augmenter le nombre de nouveaux centres d hadronthérapie dans le monde avec des faisceaux d'ions carbone, forts des résultats promettant des projets pilotes Berkeley (USA), Chiba (Japon) et Darmstadt (Allemagne). Les avantages théoriques des ions carbone sont: une meilleure balistique et une meilleure efficacité dans la destruction des cellules tumorales. Ainsi cette technique a le potentiel d'augmenter le contrôle des tumeurs, particulièrement pour celles inopérables et radiorésistantes. Les effets biologiques varient le long de la trajectoire des ions de haut TEL (Transfert d'´Énergie Linéique) comme les ions carbone. Ainsi des modèles radiobiologiques sont nécessaires pour quantifier les effets biologiques. Il existe plusieurs modèles radiobiologiques qui reposent sur des approches et des approximations théoriques différentes. Ces modèles ont été développés au sein de chacune des institutions où se déroulaient les projets pilotes. Au stade actuel des connaissances, il semble peu probable d'atteindre une rapide convergence des résultats produits par ces différents modèles. Parmi les modèles radiobiologiques utilisés en clinique, il y a le Local Effect Model (LEM), développé en Allemagne et implémenté dans les systèmes de planification de traitement certifiés CE, le modèle de la National Institute of Radiological Science (NIRS), employé dans les centres japonais d'hadronthérapie possédant un système d'irradiation passif, et le Microdosimetric Kinetic Model (MKM) employé dans les centres japonais d'hadronthérapie possédant un système d'irradiation actif en mode pencil beam scanning


  • Résumé

    External beam radiotherapy (EBRT) is a therapy technique aiming at treating locoregional tumors with high efficiency. However, many tumors remain uncontrolled. Newest EBRT techniques always aim at increasing the dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Carbon-ion beam therapy is one of these promising techniques. The number of clinical centres offering carbon-ion beam radiotherapy has been increasing over the world for the last decade. This keen interest spread after very promising results from pilot projects at Berkeley (USA), Chiba (Japan) and Darmstadt (Germany). The theoretical advantages of carbon-ionsare better spatial selectivity in dose deposition and better efficiency in cell killing. They have thus the potential to increase the control of tumors, particularly for unresectable radioresistant tumors. In high linear-energy-transfer (LET) radiations, such as carbon-ion beams, biological effects vary along the ion track, hence, to quantify them, specific radiobiological models are needed. There exist several radiobiological models based on very different theoretical approaches and approximations. They were created and improved in each of the pilot institutions. At the current state of knowledge, no convergence between the model results seems to be possible in the very near future. Clinically employed radiobiological models are the Local Effect Model (LEM) developed in Germany and implemented in CE-certified treatment planning systems, the National Institute of Radiological Science (NIRS) model employed in Japanese centres with passive beam delivery systems and the microdosimetric kinetic model (MKM) in Japanese centres with active scanning beam delivery systems


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