Un programme mathématique optimise la radiochirurgie

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Jean-Philippe Thiran et Marc Levivier © 2020 EPFL

Jean-Philippe Thiran et Marc Levivier © 2020 EPFL

L’EPFL et la start-up Intuitive Therapeutics ont développé un outil permettant de planifier un traitement optimal de radiochirurgie par Gamma-Knife. Depuis juillet, les premiers patients en bénéficient au CHUV.

Utilisée principalement sur les lésions cérébrales, la radiochirurgie est un type de radiothérapie qui a la particularité d’administrer des rayonnements radioactifs à haute dose, avec une extrême précision, et en une seule fois, plutôt que durant plusieurs séances d’affilée. Une méthode plus adaptée pour certaines tumeurs cancéreuses et qui permet d’éviter une opération au cerveau notamment pour certaines tumeurs bénignes, des malformations vasculaires, ou en cas de névralgies et de Parkinson. Avec l’appareil appelé Gamma Knife par exemple, le patient reçoit des rayons gamma pouvant provenir de 192 faisceaux différents. L’enjeu est de pouvoir cibler précisément la zone à irradier en épargnant les zones alentour, tout en minimisant la durée du traitement.

Habituellement, les plans de traitement sont réalisés à la main. Pour chaque patient, un neurochirurgien travaille en collaboration avec un radio-oncologue et un physicien afin de choisir le nombre et l’emplacement des faisceaux à utiliser, ainsi que leur taille, leur forme et leur puissance, de manière à couvrir l’entier de la cible à traiter.

La qualité du plan de traitement dépend essentiellement de l’expérience de l’utilisateur. Pour y remédier, la start-up Intuitive Therapeutics a décidé de créer un outil qui calcule automatiquement les meilleurs paramètres. En 2015, elle fait appel au professeur Jean-Philippe Thiran du Laboratoire de traitement des signaux 5 (LTS5) de l’EPFL. Ensemble, ils développent IntuitivePlan, un programme aujourd’hui en vente sur le marché.

Les mathématiques au service de la médecine

Le programme IntuitivePlan repose sur un système de planning inverse optimal. Sur son ordinateur, l’utilisateur définit la dose de rayonnement spécifique à chaque région, ainsi que la dose maximale à ne pas dépasser dans les zones alentour. Le programme va alors déterminer le plan de traitement optimal qui répond au mieux à ces critères tout en s’ajoutant une contrainte de durée - le but étant que le temps d’exposition du patient aux rayonnements radioactifs soit le plus court possible. «La planification du traitement est un processus d’optimisation combinatoire qui est par nature coûteux en termes de calcul, explique Jean-Philippe Thiran. Pour y parvenir, nous avons choisi d’utiliser une technique mathématique appelée optimisation convexe.»

Avec sa puissance de calcul, le programme peut ainsi proposer une combinaison optimale en moins de 2 minutes. «Manuellement, l’élaboration d’un plan me prend en moyenne 20 à 30 minutes, parfois plus pour les cas complexes», assure le professeur Marc Levivier, l’un des meilleurs spécialistes mondiaux du Gamma Knife. Le chef du service de neurochirurgie et directeur du Centre Gamma Knife du CHUV confie même : «Souvent nous n’aurions pas pensé ou tout simplement pas pu conceptualiser manuellement les plans proposés par le programme.» Plus qu’un simple gain de temps, l’utilisation d’un processus automatique permet donc également d’avoir des plans de meilleure qualité.

Premières utilisations prometteuses

A partir de l’idée originale, Intuitive Therapeutics a réalisé un logiciel finalisé, répondant aux besoins des clients. Avec l’obtention du marquage CE tout récemment, le programme peut maintenant être utilisé en routine clinique. Depuis juillet de cette année, les patients bénéficient de cette nouvelle manière de faire au CHUV. «Je fais entièrement confiance au programme, mais dans un premier temps, j’ai tout de même prévu de réaliser à la fois un plan manuel et des plans générés par IntuitivePlan, de les comparer et de sélectionner le meilleur pour le traitement du patient. Les résultats sont très prometteurs», précise Marc Levivier.

Pour l’heure, le programme IntuitivePlan est uniquement compatible avec les Gamma-Knife. Mais les ingénieurs travaillent déjà à l’adaptation du concept pour d’autres appareils de radiothérapie.

Références

Marc Levivier, Rafael E Carrillo, Rémi Charrier, André Martin, Jean-Philippe Thiran, A real-time optimal inverse planning for Gamma Knife radiosurgery by convex optimization: description of the system and first dosimetry data, J Neurosurg. 2018. doi: 10.3171/2018.7.GKS181572.