DISPOSITIF AMÉLIORÉ DE PLANIFICATION DESTRAITEMENTS PAR BRACHYTHÉRAPIE AVEC IMPLANTSPERMANENTS, POUR PLANIFIER LE TRAITEMENT DESCANCERS AUTRES QUE LE CANCER DE LA PROSTATE.
La présente invention concerne un dispositif informatisé amélioré de planification des traitements par Brachythérapie interstitielle à faible débit de dose et avec implants permanents, rendant possible la planification de cette Brachythérapie pour les cancers autres que le cancer de la prostate.
La Brachythérapie avec implants permanents est une technique médicale consistant à implanter de la matière radioactive le plus souvent sous forme de grains contenant un matériau actif (Iode 125 ou Palladium 103, par exemple) à courte durée de demi-vie (60 jours dans le cas de l'iode), appelé implants, dans le lit tumoral d'un organe atteint par le cancer. Le rayonnement émis par la matière radioactive permet de tuer sélectivement les cellules malades en abîmant leur ADN, alors que les cellules saines ont une plus grande probabilité de survie si la dosimétrie est correctement planifiée.
Actuellement cette technique n'est principalement utilisée que pour le traitement du cancer de la prostate, en raison des limitations des dispositifs de planification des traitements existant actuellement sur le marché, comme expliqué ci-après.
Dans le traitement par Brachythérapie avec implants permanents, il est nécessaire de déterminer au préalable le nombre et l'emplacement des implants radioactifs à déposer dans l'organe malade. Cette détermination est assurée par un dispositif informatisé de planification des traitements, qui calcule les doses auxquelles sont soumis les tissus sains et malades en fonction de l'emplacement des implants. Pour atteindre ce but, le dispositif informatisé de planification utilise l'imagerie médicale pour délimiter au préalable le volume de l'organe malade, ainsi que ceux des organes sains à préserver. Ce dispositif, sur base des critères de dosimétrie précis, permet ensuite de déterminer l'emplacement des aiguilles, qui, au final, permettront d'introduire les implants dans l'organe, guidées par une grille de travail (voir Figure 1, Élément 1).
En raison du principe de modélisation des organes et de calcul des doses par les dispositifs de planification, la direction des aiguilles, c'està-dire la direction d'introduction des implants, doit être perpendiculaire aux plans des vues des organes délimitées au départ par ces dispositifs de planification. Autrement dit, la grille de travail guidant les aiguilles doit être parallèle aux vues générées par l'imagerie médicale.
Comme l'imagerie médicale RMN (Résonance Magnétique Nucléaire), Rayons X, ou Ultrasons ne produit des images scannées des organes que suivant l'axe tête-pied du patient, introduire les implants suivant cet axe n'est possible actuellement que pour la prostate: le docteur opérant avec une grille de travail face au rectum du patient est en effet capable d'accéder à cet organe (voir Figure 1, Élément 3) avec des aiguilles graduées (voir Figure 1, Élément 4).
Il dispose dans ce cas de l'imagerie générée par la sonde ultra-son (Figure 1, Élément 2) des vues en coupe de la prostate perpendiculaires à l'axe tête-pied et peut accéder à cet organe par la grille ainsi orientée (voir Figure 1, côté droit, Élément 1 ) .
De ce fait actuellement, seuls les patients mâles atteints du cancer de la prostate peuvent réellement bénéficier des sytèmes de planification de traitement par Brachythérapie à faible débit de dose avec implants permanents. Dans le cas des autres cancers, du fait de la difficulté, voir l'impossibilité, d'accéder à l'organe malade suivant l'axe tête-pied, ou même latéralement suivant un axe simplement perpendiculaire à l'axe tête-pied, cette planification des traitements par Brachythérapie ne peut être appliquée.
Par exemple, dans le cas du cancer du sein, comme la peau et le poumon sous-jacent constituent les organes à protéger, pour accéder pleinement au lit tumoral tout en étant capable de visualiser avec précision les zones à préserver et d'effectuer la dosimétrie, la grille d'introduction des aiguilles doit être orientée en biais, suivant un axe qui est incliné de façon arbitraire. L'imagerie médicale produisant de vues en coupe perpendiculaires à l'axe tête-pied, ou l'imagerie reconstruite par les dispositifs actuels de planification qui génèrent des vues simplement latérales ne conviennent pas au traitement des cancers du sein.
Le dispositif informatisé amélioré de planification des traitements par Brachythérapie avec implants permanents, objet de cette invention pallie à l'imperfection des systèmes existants en ajoutant la fonction de réorientation arbitraire des vues en coupe de l'organe malade. Il procède par reconstruction digitale de l'organe dans l'espace, partant de l'imagerie médicale générée suivant l'axe têtepied. Il permet au docteur d'effectuer des translations de l'organe reconstruit dans les trois axes principaux x, y, z de l'espace, ainsi que des rotations de l'organe autour de ces trois axes. Il permet ensuite de générer des vues en coupe suivant l'axe visé une fois l'organe bien orienté pour le traitement par Brachythérapie.
Toute la planification qui en découle, comportant la délimitation des organes, ainsi que la détermination de l'emplacement des aiguilles et des implants, et la dosimétrie s'effectuent sur base des nouvelles vues en coupe, ré-orientées.
Pour construire l'organe en trois dimension à partir de l'imagerie médicale, le système lit les informations fournies par les fichiers générés par les scanneurs, souvent sous le format DICOM, ou parfois NEMA, ou autres équivalents, par lesquels l'intensité des pixels et leurs coordonnées sont fournies. A chaque point
(x,y,z) fourni par l'imagerie médicale l'intensité I(x,y,z) est donc connue. A un point intermédiaire, le système effectue une interpolation pour en obtenir l'intensité.
Pour effectuer une translation de l'organe suivant un vecteur T(Tx,Ty,Tz,l), le système applique la transformation matricielle :
<EMI ID=1.1>
où (X,Y,Z,1) sont les coordonnées homogènes du
<EMI ID=2.1>
translation.
Pour les rotations, les transformations matricielles similaires sont effectuées. Ainsi pour une rotation autour de l'axe x d'un angle A, le système caractérise la rotation par la matrice
<EMI ID=3.1>
Et les coordonnées (X,Y,Z,1) du point d'origine, se transforment en (X',Y',Z',W') après rotation par cette transformation matricielle :
<EMI ID=4.1>
Les translations et rotations sont effectuées dans le but d'obtenir une nouvelle vue frontale de l'organe mieux appropriée que les vues initiales fournies par l'imagerie médicale (Voir Figure 2, Élément 2, avec les 4 coins bien orientés).
Cette nouvelle vue frontale coïncide avec le plan représentant en fait l'emplacement de la grille de travail (Voir Figure 2, Élément 1).
Après translations et rotations, l'axe tête-pied d'origine (voir Figure 2, Élément 3) est totalement ré-orienté dans une direction arbitraire, en fonction de l'orientation de la tumeur à traiter. Les nouvelles vues de l'organe orientées pour l'introduction des aiguilles, permet par contre la planification du traitement comme suivant les procédures connues avec les dispositifs de planification de Brachythérapie existants.
IMPROVED BRACHY THERAPY TREATMENT PLANNING DEVICE WITH IMPLANTSPERMANENTS FOR PLANNING TREATMENT OF DESCRATORS OTHER THAN PROSTATE CANCER.
The present invention relates to an improved computerized planning device for low dose rate and permanent implant interstitial Brachytherapy treatments, making it possible to plan this Brachytherapy for cancers other than prostate cancer.
Brachytherapy with permanent implants is a medical technique consisting in implanting radioactive material most often in the form of grains containing an active material (Iodine 125 or Palladium 103, for example) with a short half-life (60 days in the case of iodine), called implants, in the tumor bed of an organ affected by cancer. The radiation emitted by the radioactive material makes it possible to selectively kill the diseased cells while damaging their DNA, while the healthy cells have a greater probability of survival if the dosimetry is correctly planned.
Currently this technique is mainly used for the treatment of prostate cancer, because of the limitations of current treatment planning devices currently on the market, as explained below.
In the treatment with Brachytherapy with permanent implants, it is necessary to determine beforehand the number and location of the radioactive implants to be deposited in the diseased organ. This determination is made by a computerized treatment planning device, which calculates the doses to which healthy and diseased tissue is subjected according to the location of the implants. To achieve this goal, the computerized planning device uses medical imagery to delimit beforehand the volume of the diseased organ, as well as those of the healthy organs to preserve. This device, based on precise dosimetry criteria, then makes it possible to determine the location of the needles, which, finally, will allow to introduce the implants in the organ, guided by a working grid (see Figure 1, Element 1 ).
Due to the principle of organ modeling and dose calculation by planning devices, the direction of the needles, ie the direction of insertion of the implants, must be perpendicular to the planes of views of the organs initially delineated by these planning devices. In other words, the working grid guiding the needles must be parallel to the views generated by medical imaging.
As NMR (Nuclear Magnetic Resonance), X-Ray, or Ultrasound medical imaging produces scanned images of the organs only along the patient's head-foot axis, introducing implants along this axis is currently only possible for the prostate. : the doctor operating with a working grid facing the patient's rectum is indeed able to access this organ (see Figure 1, Element 3) with graduated hands (see Figure 1, Element 4).
In this case, it has the imaging generated by the ultrasonic probe (FIG. 1, Element 2) of sectional views of the prostate perpendicular to the head-foot axis and can access this organ through the grid thus oriented ( see Figure 1, right side, Element 1).
As a result, only male patients with prostate cancer can actually benefit from low dose rate Brachytherapy treatment planning systems with permanent implants. In the case of other cancers, because of the difficulty, see the impossibility, to access the ill organ along the head-foot axis, or even laterally along an axis simply perpendicular to the head-foot axis, this planning of Brachytherapy treatments can not be applied.
For example, in the case of breast cancer, as the skin and the underlying lung constitute the organs to be protected, to fully access the tumor bed while being able to accurately visualize the areas to be preserved and perform the dosimetry , the needle introduction grid must be oriented obliquely along an axis that is arbitrarily inclined. Medical imaging producing sectional views perpendicular to the head-foot axis, or imaging reconstructed by current planning devices that generate merely lateral views are not suitable for the treatment of breast cancers.
The improved computerized device for planning Brachytherapy treatments with permanent implants, which is the object of this invention, alleviates the imperfection of existing systems by adding the function of arbitrary reorientation of sectional views of the diseased organ. It proceeds by digital reconstruction of the organ in space, starting from the medical imagery generated along the head axis. It allows the doctor to perform translations of the reconstructed organ in the three main axes x, y, z of the space, as well as rotations of the organ around these three axes. It then makes it possible to generate sectional views along the target axis once the organ is well oriented for treatment with Brachytherapy.
All the planning that follows, including the delimitation of the organs, as well as the determination of the location of needles and implants, and the dosimetry are done on the basis of new sectional views, re-oriented.
To build the three-dimensional organ from medical imaging, the system reads the information provided by the files generated by the scanners, often in DICOM format, or sometimes NEMA, or other equivalents, whereby the intensity of pixels and their coordinates are provided. At each point
(x, y, z) provided by medical imaging intensity I (x, y, z) is known. At an intermediate point, the system interpolates to obtain the intensity.
To perform a translation of the organ along a vector T (Tx, Ty, Tz, l), the system applies the matrix transformation:
<EMI ID = 1.1>
where (X, Y, Z, 1) are the homogeneous coordinates of
<EMI ID = 2.1>
translation.
For rotations, similar matrix transformations are performed. Thus for a rotation around the x-axis of an angle A, the system characterizes the rotation by the matrix
<EMI ID = 3.1>
And the coordinates (X, Y, Z, 1) of the point of origin, transform into (X ', Y', Z ', W') after rotation by this matrix transformation:
<EMI ID = 4.1>
The translations and rotations are performed in order to obtain a new frontal view of the organ more appropriate than the initial views provided by the medical imagery (See Figure 2, Element 2, with the 4 corners well oriented).
This new front view coincides with the plan that actually represents the location of the work grid (See Figure 2, Element 1).
After translations and rotations, the original head-foot axis (see Figure 2, Element 3) is completely re-oriented in an arbitrary direction, depending on the orientation of the tumor to be treated. The new views of the organ oriented for the introduction of the needles, on the other hand allows the planning of the treatment as according to known procedures with existing Brachytherapy planning devices.