Iodinated contrast agent biodistribution : a study for synchrotron stereotactic radiation therapy

Le traitement des gliomes de haut grade représente un réel défi médical. Les techniques de thérapies actuelles sont principalement à visée palliative et leur efficacité est limitée. De nombreuses stratégies thérapeutiques sont explorées pour trouver un traitement curatif. La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovante dont le principe repose sur l'accumulation sélective d'un élément lourd (Z élevé) dans la tumeur, suivie d'une irradiation stéréotaxique avec un faisceau monochromatique de rayons X, de faible énergie (50-100 keV), issus d'une source synchrotron. Une augmentation de la dose déposée localement dans la tumeur est obtenue grâce au renforcement de l’effet photoélectrique dans ces conditions. Cette thèse s’inscrit dans le cadre des essais cliniques de phase I et II de la SSRT menés sur des métastases cérébrales, au synchrotron européen à Grenoble. Une injection systémique d’un agent de contraste iodé et un faisceau synchrotron de 80 keV sont utilisés lors de ces essais. L’efficacité de la SSRT repose directement sur la concentration de l’agent de contraste iodé accumulé dans la tumeur, sa stabilité au cours du temps et sa reproductibilité chez le même patient. L’objectif principal de ce travail a été d’évaluer et de modéliser les concentrations d'iode moyennes atteintes dans des métastases cérébrales, d’une part, et d’appréhender les impacts dosimétriques, engendrés par les variations spatiales et temporelles de ces concentrations sur le traitement des patients, d’autre part. Un protocole d'imagerie scanner a été conçu spécifiquement pour cette étude afin de permettre le suivi, temporel et spatial, des concentrations d'iode et l’extraction des paramètres de perfusion cérébrale dans une métastase cérébrale. Une méthodologie d'analyse expérimentale et une modélisation théorique de la bio-distribution d'iode dans des métastases cérébrales ont été développées. Un modèle mathématique reliant les concentrations d'iode aux paramètres de perfusion a été établi, dans le but de prédire les concentrations d'iode chez chaque patient et de réduire la durée du protocole de suivi. La reproductibilité de la prise de contraste a été caractérisée chez des patients à dix jours d’intervalle. Les impacts dosimétriques des écarts de concentrations d'iode observés sur les plans de traitement en SSRT ont été analysés. Ces derniers ont été comparés aux plans de traitement obtenus avec différentes techniques de pointe en radiothérapie afin d’évaluer les performances dosimétriques de la SSRT.Gliomas treatment is still a challenging disease in medicine. Available treatments are mainly palliative and their efficiency is limited. Since years, many therapeutic strategies have been explored to find a cure. Synchrotron stereotactic radiotherapy (SSRT) is an innovative treatment combining the selective accumulation of heavy elements in tumours with stereotactic irradiations using monochromatic medium energy x-rays from a synchrotron source. A localised dose enhancement in brain tumours is obtained due to the reinforced photoelectric absorption in these conditions. This thesis takes part in the framework of phase I/II clinical trials, which are underway at the European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble, France. These trials are realised on human brain metastasis using venous infusion of iodinated contrast agents and a 80 keV X-ray beam. The radiation dose enhancement depends on the amount of iodine in the tumour, its time course and its reproducibility for each patient. The aim of this work was to evaluate and model the amounts of iodine concentrations reached in brain metastasis, and to analyse the dosimetric deviations caused by spatial and temporal variations of these concentrations during the treatments. A CT cine scan protocol was designed especially for this study in order to extract quantitative iodine concentrations and associated brain perfusion parameters in human brain metastasis, as key parameters for treatment feasibility and quality. An experimental analysis methodology and a theoretical model of iodine biodistribution were developed. A mathematical relationship between iodine concentrations and perfusion parameters was established in order to estimate these concentrations for each patient in the future and to reduce the imaging dose, associated to the prolonged imaging acquisition time. The reproducibility of iodine uptake between the CT planning scan day and the treatment day was assessed (~10 days interval). The impact of iodine concentration variations on reference SSRT dosimetries was analysed. Finally, SSRT treatment plans were compared to those obtained with different cutting-edge radiotherapy techniques in order to evaluate dosimetric performances of SSRT