Imaging issues specific to hadrontherapy (proton, carbon, helium therapy and other charged particles) for radiotherapy planning, setup, dose monitoring and tissue response assessment - Archive ouverte HAL Access content directly
Journal Articles Cancer/Radiothérapie Year : 2020

Imaging issues specific to hadrontherapy (proton, carbon, helium therapy and other charged particles) for radiotherapy planning, setup, dose monitoring and tissue response assessment

Spécificités de l’imagerie pour l’hadronthérapie (protonthérapie, thérapie par ions carbone, hélium et autres particules chargées) pour la planification, le repositionnement, le contrôle de la dose et l’évaluation de la réponse tissulaire

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Abstract

Imaging is critical to each step of precision radiation therapy, i.e. planning, setup, delivery and assessment of response. Hadrontherapy can be considered to deliver more precise dose distribution that may better spare normal tissues from intermediate low doses of radiation. In addition, hadrontherapy using high linear energy transfer ions may also be used for dose escalation on biological target volumes defined by functional imaging. However, the physical characteristics of hadrontherapy also make it more demanding in terms of imaging accuracy and image-based dose calculation. Some of the developments needed in imaging are specific to hadrontherapy. The current review addresses current status of imaging in proton therapy and the drawbacks of photon-based imaging for hadrons. It also addresses requirements in hadrontherapy planning with respect to multimodal imaging for proper target and organ at risk definition as well as to target putative radioresistant areas such as hypoxic ones, and with respect to dose calculation using dual energy CT, MR-proton therapy, proton radiography. Imaging modalities, such as those used in photon-based radiotherapy (intensity modulated and stereotactic radiotherapy), are somewhat already implemented or should be reaching “routine” hadrontherapy (at least proton therapy) practice in planning, repositioning and response evaluation optimizable within the next five years. Online monitoring imaging by PET, as currently developed for hadrontherapy, is already available. Its spatiotemporal limits restrict its use but similar to prompt gamma detection, represents an area of active research for the next 5 to 10 years. Because of the more demanding and specific dose deposit characteristics, developments image-guided hadrontherapy, such as specific proton imaging using tomography or ionoacoustics, as well as delivery with MR-proton therapy, may take another 10 years to reach the clinics in specific applications. Other aspects are briefly described such as range monitoring. Finally, the potential of imaging normal tissue changes and challenges to assess tumour response are discussed.
L’imagerie est essentielle à chaque étape de la radiothérapie de précision, et en particulier la planification, la vérification du repositionnement en salle, la vérification de la dose et l’évaluation de la réponse. Certains des développements nécessaires en imagerie sont spécifiques à l’hadronthérapie du fait des caractéristiques du dépôt de dose et des interactions dans la matière. Cette brève revue porte sur l’état actuel de l’imagerie en protonthérapie et sur les inconvénients de l’utilisation d’une imagerie X pour les hadrons. Elle décrit les exigences de la planification de l’hadronthérapie en ce qui concerne l’imagerie multimodale pour la définition de la cible et des organes à risque, ainsi que les pistes actuellement identifiées pour cibler spatialement et temporellement l’hypoxie tumorale. Le calcul de la dose par tomodensitométrie à double énergie, la protonthérapie-IRM et la radiographie par protons sont des voies de recherche actuelles en imagerie pour réduire les incertitudes liées à l’imagerie X dans le calcul de la dose. Les modalités d’imagerie utilisées en radiothérapie classique par photons en planification, repositionnement et évaluation de la réponse sont globalement toutes transposables ou déjà présentes et optimisables en hadronthérapie dans un horizon de 5 ans. L’imagerie de contrôle en ligne, actuellement spécifique à l’hadronthérapie, par TEP est déjà disponible. Ses limites spatiotemporelles restreignent son usage mais sont une voie de recherche active, comme la détection de gamma prompts, pour les 5-10 années à venir. Les problématiques de radiothérapie guidée par l’image spécifiques à l’hadronthérapie, plus requérante du fait du dépôt de dose “fini”, telles que la tomographie par protons ou la ionoacoustique, le seront probablement dans un horizon de 10 ans dans des applications particulières. Les aspects de vérification du parcours des hadrons sont brièvement décrits. Enfin, le potentiel de l’imagerie pour analyser des effets infracliniques dans les tissus normaux et les défis liés à l’évaluation de la réponse tumorale sont discutés.
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hal-02535459 , version 1 (07-10-2021)

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Cite

J. Thariat, J. Herault, A. Beddok, L. Feuvret, D. Dauvergne, et al.. Imaging issues specific to hadrontherapy (proton, carbon, helium therapy and other charged particles) for radiotherapy planning, setup, dose monitoring and tissue response assessment. Cancer/Radiothérapie, 2020, 24 (5), pp.429-436. ⟨10.1016/j.canrad.2020.01.010⟩. ⟨hal-02535459⟩
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