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Thèse Année : 2022

Dosimetric studies for proton minibeam radiation therapy

Études de dosimétrie par radiothérapie par mini-faisceau de protons

Ramon Ortiz Catalan
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1220125
  • IdRef : 267307241

Résumé

In the last decades, radiotherapy has profited from numerous advances allowing a very high dose conformation to the tumor and a reduction in the dose delivered to normal tissues. However, the radio-induced toxicity in normal tissues remains one of the main limiting factors in radiotherapy, compromising the treatment of radioresistant tumors (e.g., glioblastomas), pediatric cancer, or tumors close to highly radiosensitive organs (e.g. the spinal cord). Several approaches have been proposed in recent years to diminish the side effects of radiation and improve the therapeutic index for those clinical indications. An example is spatially-fractionated radiotherapy (SFRT). This modality is based on delivering narrow beams separated spatially by a certain distance, creating a pattern of high doses intercalated by low-dose regions. This PhD thesis is framed within the development of an SFRT technique called proton minibeam radiation therapy (pMBRT). pMBRT has already shown remarkable tissue sparing along with high efficacy in terms of tumor control, as compared to conventional techniques. However, there are still some aspects of this technique that are not fully characterized and need further study (e.g., the biological mechanisms that underlie the favorable tissue response). The work of this thesis contributes to the further development of pMBRT in three main aspects. In the first place, it optimizes the dosimetric practice for this technique by evaluating the performance of different dosimeters in pMBRT conditions and performing a robustness analysis on the sensitivity of dose distributions to uncertainties in setup and irradiation parameters. Based on those results, guidelines and protocols to ensure reproducible and robust dosimetry are proposed. Following the proposed protocols, the needed dosimetry for the preclinical studies at our institution is performed. In the second part of this work, the potential of pMBRT for treating different clinical indications (i.e., brain, liver, and lung metastases) is evaluated by a treatment plan study in the context of preparing the clinical trials. The result of this study shows that pMBRT treatments can provide a similar tumor coverage with respect to conventional stereotactic techniques and reduce the integral dose to organs- at-risk. Moreover, the increased normal tissue- sparing potential in pMBRT allows the treatment delivery using a reduced number of fields and a single fraction while meeting normal tissue dose tolerances. Therefore, an increase in the therapeutic index may be expected in the treatment of those malignancies with pMBRT. Finally, a new form of pMBRT termed proton minibeam arc therapy (pMBAT) is proposed on the basis of delivering proton minibeam arrays through arcs, i.e., combining pMBRT with arc therapies. pMBAT maintains and adds up the individual benefits of pMBRT and arc techniques for normal tissue sparing in terms of the preservation of the spatial fractionation of the dose and reduction in both peak and valley doses, as well as the LET escalation. Therefore, this new approach may allow using more aggressive irradiation schemes, which could be advantageous in the management of radioresistant tumors. In summary, this thesis assists in the progress of pMBRT by optimizing the dosimetry practice in its current preclinical stage and exploring its short- and intermediate-term applications in clinics.
Au cours des dernières décennies, la radiothérapie a bénéficié de nombreuses avancées permettant de conformer une dose très élevée à la tumeur et de réduire la dose délivrée aux tissus normaux. Cependant, la toxicité radio-induite dans les tissus normaux reste l’un des principaux facteurs limitants de la radiothérapie, compromettant le traitement des tumeurs radiorésistantes (par exemple, les glioblastomes), des cancers pédiatriques ou des tumeurs proches d’organes hautement radiosensibles (par exemple, la moelle épinière). Plusieurs approches ont été proposées ces dernières années pour diminuer les effets secondaires des rayonnements et améliorer l’index thérapeutique pour ces indications cliniques. La radiothérapie à fractionnement spatial (SFRT) en est un exemple. Cette modalité est basée sur la délivrance de faisceaux étroits séparés spatialement par une certaine distance, créant un schéma de fortes doses intercalées par des régions à faible dose. Cette thèse de doctorat s’inscrit dans le cadre du développement d’une technique de SFRT appelée radiothérapie par mini-faisceaux de protons (pMBRT). La pMBRT a déjà démontré une remarquable préservation des tissus ainsi qu’une grande efficacité en termes de contrôle des tumeurs, par rapport aux techniques conventionnelles. Cependant, certains aspects de cette technique ne sont pas encore complètement caractérisés et doivent être étudiés plus avant (par exemple, les mécanismes biologiques qui sous-tendent la réponse tissulaire favorable). Le travail de cette thèse contribue au développement de la pMBRT sous trois aspects principaux. En premier lieu, il optimise la pratique dosimétrique de cette technique en évaluant la performance de différents dosimètres dans des conditions de pMBRT et en effectuant une analyse de robustesse sur la sensibilité des distributions de dose aux incertitudes des paramètres de configuration et d’irradiation. Sur la base de ces résultats, des lignes directives et des protocoles visant à garantir une dosimétrie reproductible et robuste sont proposés. Les protocoles proposés permettent de réaliser la dosimétrie nécessaire aux études précliniques menées dans notre institution. Dans la deuxième partie de ce travail, le potentiel de la pMBRT pour le traitement de différentes indications cliniques (c’est-à-dire les métastases cérébrales, hépatiques et pulmonaires) est évalué par une étude de plan de traitement dans le contexte de la préparation des essais cliniques. Les résultats de cette étude montrent que les traitements par pMBRT peuvent assurer une couverture tumorale similaire à celle des techniques stéréotaxiques conventionnelles et réduire la dose intégrale aux organes à risque. De plus, le potentiel accru de préservation des tissus normaux de la pMBRT permet d’administrer le traitement en utilisant un nombre réduit de champs et une seule fraction tout en respectant les tolérances de dose aux tissus normaux. Par conséquent, on peut s’attendre à une augmentation de l’index thérapeutique dans le traitement de ces tumeurs malignes avec la pMBRT. Enfin, une nouvelle forme de pMBRT appelée thérapie par arcs de mini-faisceaux de protons (pMBAT) est proposée sur la base de l’administration de matrices de mini-faisceaux de protons par des arcs, c’est-à-dire en combinant la pMBRT et les thérapies par arcs. La pMBAT maintient et additionne les avantages individuels de la pMBRT et des techniques d’arcs pour la préservation des tissus normaux en termes de préservation du fractionnement spatial de la dose et de réduction des doses de crête et de vallée, ainsi que de l’escalade du LET. Par conséquent, cette nouvelle approche peut permettre d’utiliser des schémas d’irradiation plus agressifs, ce qui pourrait être avantageux dans la gestion des tumeurs radiorésistantes. En résumé, cette thèse contribue à l’avancement du pMBRT en optimisant la pratique de la dosimétrie dans sa phase préclinique actuelle et en explorant ses applications cliniques à court et moyen terme.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03957981 , version 1 (26-01-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03957981 , version 1

Citer

Ramon Ortiz Catalan. Dosimetric studies for proton minibeam radiation therapy. Medical Physics [physics.med-ph]. Université Paris-Saclay, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPASP147⟩. ⟨tel-03957981⟩
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