FR2672220A1 - Appareil de traitement de lesions cerebrales par rayonnement gamma. - Google Patents

Abstract

Cet appareil comprend un ensemble sources-collimateur (2) à peu près hémisphérique, et une table porte-patient (4) mobile équipée d'un dispositif stéréotaxique (26) destiné à coopérer avec la tête du patient, l'ensemble sources-collimateur comportant un grand nombre de sources de rayons gamma associées respectivement à des canaux qui sont tous orientés vers un même point de focalisation (18). Le dispositif stéréotaxique est indépendant de l'ensemble sources-collimateur, et la table (4) comprend des moyens de déplacement dans l'espace, notamment de déplacements X, Y, Z, par rapport à cet ensemble sources-collimateur.

Description

La présente invention est relative à un appareil de traitement de lésions cérébrales par rayonnement gamma, du type comprenant un ensemble sources-collimateur à peu près hémisphérique, et une table porte-patient mobile équipée d'un dispositif stéréotaxique destiné à coopérer avec la tête du patient, l'ensemble sources-collimateur comportant un grand nombre de sources de rayons gamma associées respectivement à des canaux qui sont tous orientés vers un même point de focalisation
Des appareils à rayonnement gamma ont été proposés pour la neurochirurgie non intrusive du cerveau; pour traiter les lésions cérébrales sans ouvrir la boite cranienne. La destruction des lésions est obtenue par concentration précise d'un rayonnement gamma sur les zones à traiter telles que des malformations veineuses ou des tumeurs.Ces appareils sont souvent désignés sous le vocable "appareils de chirurgie gamma" ou "bistouris gamma.

Dans ces appareils, on dispose de sources externes de rayonnement gamma qu'il s'agit de diriger et de concentrer de façon précise sur la lésion traitée pour faire absorber par celle-ci la dose souhaitée sans léser notablement les tissus intermédiaires qui s'interposent entre les sources et la lésion, ni les tissus environnant la lésion et, d'une façon générale, en réduisant au minimum les doses de rayonnement absorbées par les tissus sains.

Ceci est obtenu par deux technologies différentes.

Dans une première technologie, on dispose d'une seule source très intense comme une source à accélérateur linéaire ou une source au cobalt télémanipulée. Cette source est collimatée de façon à émet tre un faisceau cylindrique étroit. Elle est, pendant le traitement, animée d'un mouvement tournant orbital autour de la tête du patient de façon que le faisceau passe toujours par la lésion traitée (point focal) tandis que les tissus intermédiaires entre source et lésion sont sans cesse renouvelés. C'est l'ensemble de la source qui doit ainsi tourner, avec son collimateur et sa protection biologique, les deux étant constitués de métaux lourds Les jeux et déformations mécaniques, joints à la dispersion du faisceau, se répercutent au niveau de la précision de la zone traitée.

Une deuxième technologie, décrite dans le brevet US-A- 4 789 898, du type mentionné plus haut, consiste à utiliser un grand nombre de sources extérieures fixes, collimatées individuellement et disposées radialement de façon que les axes des faisceaux qu'elles produisent convergent en un point focal qui coincide avec la lésion à traiter. L'intensité de chaque faisceau est insuffisante pour léser les tissus sains intermédiaires qu'il traverse. En revanche, au point de convergence ou point focal, la dose reçue par la lésion est suffisante pour assurer sa destruction.

Dans l'une ou l'autre technologie, le repérage de la lésion à traiter s'effectue grâce à un appareil dit stéréotaxique comportant un cadre rigide positionné de façon très précise et reproductible au moyen d'implants fixés sous anesthésie locale en des points des os du crâne du malade judicieusement choisis. L'appareil stéréotaxique est d'abord installé sur la tête du malade pendant la phase d'investigation à l'aide de rayons X, scanners, résonance magnétique ou de toute autre technique. Au moment du traitement, il est de nouveau installé sur la tête du malade et positionné par rapport à l'appareil de chirurgie gamma de façon que le point focal de celui-ci coincide avec le repère de la lésion. Un exemple d'appareil stéréotaxique est décrit dans le document WO-A-88 08 282.

Dans ltappareil du brevet US précité, le dispositif stéréotaxique est, pendant le traitement, solidaire d'un casque percé d'autant de conduitsdiaphragmes que l'ensemble sources-collimateur comporte de canaux. Ce casque, et avec lui la tête du patient, ne peut par conséquent occuper qu'une position déterminée par rapport à l'ensemble sourcescollimateur, de sorte que l'on ne peut traiter qu'un seul point de la lésion, la position de la tête devant être réglée de nouveau pour traiter chaque point de cette lésion. Ceci entraîne des temps de traitement relativement longs.

L'invention a pour but de fournir un appareil permettant de traiter en une seule opération des lésions cérébrales de formes et de dimensions quelconques.

A cet effet, l'invention a pour objet un appareil de traitement du type précité, caractérisé en ce que le dispositif stéréotaxique est indépendant de l'ensemble sources-collimateur, et en ce que la table comprend des moyens de déplacement dans l'espace, notamment de déplacements X, Y, Z, par rapport à cet ensemble sources-collimateur.

Suivant d'autres caractéristiques :
- l'ensemble sources-collimateur est monté oscillant autour d'un axe qui passe par le point de focalisation;
- l'amplitude de l'oscillation correspond sensiblement à l'écartement angulaire des canaux autour dudit axe;
- l'ensemble sources-collimateur comporte une porte mobile munie d'une masse d'absorption de rayonnement gamma qui, en position fermée de la porte, se trouve au point de focalisation.

Par ailleurs, dans une telle technologie, pour pouvoir traiter de façon précise de très petites lésions, tout en évitant de léser des zones essentielles sensibles, il est nécessaire de disposer de faisceaux de rayonnement très étroits.

Dans l'agencement du brevet US précité, on a recours pour cela à plusieurs mesures : utilisation de canaux-diaphragmes très étroits et de sources filiformes de très petit diamètre, typiquement de l'ordre du millimètre, réalisées par empilement de petites pastilles radioactives, et éloignement de ces sources du point de focalisation pour réduire la divergence des faisceaux.

Ceci a pour conséquence que chaque source est très mal utilisée. En effet, elle émet naturellement dans toutes les directions alors que seuls les rayonnements émis dans l'étroit faisceau sortant sont utiles, tous les autres étant absorbés dans les structures de l'appareil et leur énergie convertie en chaleur. De plus, les rayonnements émis par les pastilles les plus extérieures dans la direction utile sont absorbées par les pastilles les plus intérieures (effet d'auto-absorption), ce qui limite la possibilité d'augmenter la puissance des sources en augmentant la hauteur de l'empilement de pastilles radioactives.

Par suite, on est conduit à adopter des sources à base de matériau à très forte activité spécifique, telles que le cobalt 60. Ce sont des matériaux obtenus par irradiation dans un réacteur à haut flux de neutrons, donc des matériaux chers. Malgré ceci, on constate que l'intensité du rayonnement dans chaque canal reste limitée, d'où la nécessité, pour
obtenir les effets recherchés dans la zone de convergence, de prévoir un grand nombre de canaux, typiquement 200. Or, le forage de ces canaux avec toute la précision nécessaire est très coûteuse.

L'éloignement des sources du point de focalisation nécessite de prévoir des canaux collimateurs de grande longueur. Ceci a pour conséquence d'accroître les rayons de l'ensemble sources-collimateur et du blindage et donc leurs poids (qui varie comme la troisième puissance des rayons) ainsi que les difficultés de forage des canaux. Le poids de l'ensemble (typiquement 20 tonnes) entraîne des contraintes au niveau de la résistance -des planchers. Finalement, il en résulte des incidences très fortes sur le coût de l'appareil et de son installation.

Il faut noter qu'après optimisation des paramètres, notamment : puissance et diamètre des sources, longueur des canaux collimatés, diamètre des conduits-diaphragmes, la technologie ne permet pas, dans l'état actuel de l'art, de réaliser des diamètres de faisceau, au niveau de la lésion-cible, inférieurs à 5 mm environ. Ceci constitue un inconvénient particulièrement sensible lorsque l'appareil est utilisé, ce qui est fréquemment le cas, pour traiter de très petites lésions.

D'autres caractéristiques de l'invention permettent de réduire considérablement les divers inconvénients ci-dessus
- chaque canal est conique et converge vers le point de focalisation;
- chaque canal présente un profil étagé dont le diamètre est progressivement réduit vers le point de focalisation,
- chaque canal contient une aiguille centrale constituée d'un matériau absorbant fortement les rayons gamma;
- l'aiguille est délimitée par une surface conique dont les génératrices convergent vers le point de focalisation;
- l'aiguille est supportée par au moins une entretoise s'appuyant sur un épaulement intérieur du canal et absorbant peu les rayons gamma;
- chaque source s'étend au moins en regard de l'espace annulaire du canal qui entoure l'aiguille.

Un exemple de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés sur lesquels
- la Figure 1 est une vue d'ensemble schématique, en élévation latérale et en coupe, d'un appareil de traitement conforme à l'invention, en position d'attente;
- la Figure 2 représente de façon analogue l'appareil en cours de traitement;
- la Figure 3 est une vue de profil de l'ensemble sources-collimateur indiquant les positions possibles de la tête du patient;
- la Figure 4 est une vue de face de l'objet de la Figure 3;
- la Figure 5 est une vue de détail partielle de l'ensemble sources-collimateur; et
- la Figure 6 est une vue analogue à la Figure 5 d'une variante.

L'appareil de traitement de lésions cérébrales représenté aux Figures 1 et 2 comprend un bâti principal fixe 1 dans la partie supérieure duquel est monté un ensemble sources-collimateur 2. A ce bâti est accolé un bâti secondaire fixe 3 qui supporte une table porte-patient 4, ceci par l'intermédiaire d'un dispositif motorisé 5 à commande numérique qui permet de déplacer la table parallèlement à elle-même suivant trois directions orthogonales X (qui est la direction longitudinale de la table), Y et Z (direction verticale). Les bâtis 1 et 3 contiennent par ailleurs des moyens électroniques de calcul et de commande, schématisés en 6A et 6B respectivement, appropriés pour assurer le fonctionnement qui sera décrit plus loin.

L'ensemble sources-collimateur 2, que l'on voit mieux aux Figures 3 et 4, a une forme générale sensiblement hémisphérique. Il comprend un blindage extérieur 7 de forte épaisseur, en plomb pur ou légèrement allié, dont la surface extérieure épouse avec un faible jeu radial la surface intérieure d'une coquille 8 du bâti 1. Cette coquille est fermée de tous côtés à l'exception d'une ouverture avant 9 juste suffisante pour laisser passer la table 4 portant un patient.

Dans le blindage 7 sont positionnés, d'une part un porte-sources 10 de faible épaisseur, et d'autre part, à l'intérieur de celui-ci, un collimateur il de forte épaisseur, ce dernier définissant une surface intérieure sphérique 12. Les organes 10 et Il sont fixés dans le blindage au moyen d'une bague périphérique 13 elle-même maintenue par un flasque annulaire serti 14.

Dans sa région centrale en vue de profil (Figure 3), et sur une étendue angulaire plus importante en vue de face (Figure 4), l'ensemble 2 est traversé de part en part par un grand nombre de canaux radiaux. Chaque canal est constitué d'un canal extérieur étagé 15 traversant le blindage, d'un canal cylindrique 16 traversant le porte-sources, et d'un ca nal 17 traversant le collimateur. Les axes de tous ces canaux convergent vers un même point de focalisation 18, qui est le centre de la sphère.

Comme on le voit sur la Figure 5, chaque canal 17 est conique et délimité par des génératrices qui convergent au point 18, et il contient en position centrale, sur toute sa longueur, une aiguille 19 qui, elle aussi, est conique et délimitée par des génératrices qui convergent au point 18. L'aiguille 19 est, comme la masse du collimateur 11, constituée d'un matériau absorbant fortement les rayons gamma, notamment en plomb pur ou faiblement allié ou en uranium naturel ou appauvri en isotope 235, rendu inoxydable par dépôt d'une couche protectrice ou par alliage. Un espace annulaire convergent 20 est ainsi délimité dans chaque canal 17.

Une source de rayons gamma 21 de forme cylindrique, dont le diamètre est à peu près égal au plus grand diamètre du canal 17, à savoir de l'ordre de 10 à 15 mm, est disposée dans le canal 16 et y est maintenue par un organe presseur 22 introduit et fixé de façon appropriée dans le canal 15 (Figures 3 et 4).

Le rapport R de la section de l'aiguille à celle du canal à un niveau axial donné est un compromis entre le pouvoir de concentration de l'énergie gamma autour du point focal (qui croît avec R) et la puissance du faisceau (qui décroît quand R croit). De façon pratique, ce rapport peut varier de 0,25 à 0,75, avec préférentiellement une valeur voisine de 0,5.

Une porte 23 est montée basculante sur le bâti 1 autour d'un axe horizontal et transversal 24, et porte un bloc 25 constitué d'un matériau absorbant fortement les rayons gamma, par exemple d'uranium.

La table 4 porte un dispositif stéréotaxique 26 supporté par des montants 27 fixés à la table.

On décrira maintenant le fonctionnement de l'appareil.

Une phase préalable d'investigation a permis de positionner la tête du patient dans le dispositif stéréotaxique 26 et de repérer dans l'espace la lésion à traiter.

Pour le traitement, la table 4 étant sortie du bâti 1 (Figure 1), on commence par repositionner la tête du patient de la même manière. La porte 23 est alors fermée et s'applique sur le pourtour de la bague 13, et le bloc 25 se trouve au point de focalisation 18 et absorbe les rayons gamma focalisés.

La porte 23 est ensuite ouverte, et la tête du patient est introduite sous le collimateur à travers l'ouverture 9, en faisant effectuer à la table un premier mouvement d'approche en X et Z puis un mouvement d'ajustement final par des mouvements en X et Y de l'ordre de + 70 mm (référence D sur les Figures 3 et 4). Ceci amène la lésion, repérée grâce au dispositif 26, en coincidence avec le point 18. La tête se trouve alors à une distance radiale notable de la surface intérieure 12 de l'ensemble 2, distance qui est très supérieure aux dimensions de la lésion à traiter.

Puis, pendant le traitement, le suivi du contour de la lésion est obtenu par des faibles mouvements en X, Y et Z de la table, de l'ordre de + 10 mm, appelés mouvements de traitement (référence d sur les
Figures 3 et 4). Le collimateur est simultanément animé d'un mouvement d'oscillation selon un angle a faible d'environ + 50 autour de l'axe précité qui passe par le point de focalisation des rayons gamma (Figure 3).

Le mouvement tridimensionnel de la table 4 est très précis, du type utilisé dans certaines machines-outils à commande numérique. Il est commandé par ordinateur, à partir des données des imageries médicales obtenues par scanner, résonance magnétique ou autre. Il permet# de traiter en une seule opération, à partir du seul réglage de départ, des lésions de formes quelconques avec une grande précision.

Le mouvement d'oscillation de l'ensemble 2 permet de ne pas léser les tissus sains situés entre lui-même et le point de focalisation, et il peut aussi -permettre#d'éviter tout contact avec les rayons gamma de zones particulièrement sensibles du cerveau.

Par ailleurs, la conformation des canaux 17 à aiguilles 19 décrite plus haut, en combinaison avec celle des sources 21, conduit à un rendement élevé d'utilisation de ces sources. Plus précisément, chaque élément de surface de la source situé en regard du canal annulaire 20, émet des rayonnements qui soit seront absorbés par la paroi dudit canal ou par l'aiguille, soit passeront-au point 18 ou très près de celui-ci. Toute la surface de la source située en regard du canal annulaire participe ainsi au faisceau utile. Il en résulte une efficacité de la source et une puissance par canal plus grandes que celles obtenues dans l'état antérieur de l'art.

Il est dès lors possible de recourir à# des sources dont l'activité spécifique est moins élevée, à base de matières radio-actives, telles que le césium 137, obtenues par récupération dans les produits de fission, beaucoup moins chères que celles obtenues par irradiation spéciale dans un réacteur de recherche.

Cette amélioration de la puissance et de la focalisation de chaque faisceau s'obtient sans néces siter des canaux de collimation 17 de grande longueur.

L'efficacité de l'aiguille 19 dans la focalisation du faisceau est d'autant meilleure que cette aiguille est plus longue. C'est pourquoi elle pourrait avantageusement faire saillie vers le point 18 hors du canal 17. On peut toutefois, sans affecter notablement cette efficacité, limiter la longueur de l'aiguille de façon que son extrémité côté point focal affleure la surface interne de l'ensemble source-collimateur 2, comme représenté sur la Figure 5. On peut même, si des raisons techniques l'exigent, comme par exemple pour sauvegarder la possibilité d'obstruer certains canaux dans certaines applications, réduire encore cette longueur, jusqu'aux deux tiers environ de la longueur du canal.

La Figure 6 représente un exemple de réalisation où cette possibilité a été mise à profit. Dans cet exemple, l'ensemble canal 17-aiguille 19 est réalisé en un matériau différent de la masse du collimateur 11 et est implanté dans cet organe. Dans cette figure, le canal 17 est réalisé au moyen d'un manchon à surface extérieure conique et à surface intérieur étagée. Cette dernière est constituée de plusieurs tronçons cylindriques successifs de diamètres progressivement décroissants, définissant deux épaulements 28. Ceci permet de mieux arrêter les rayonnements diffusés et peut permettre des simplifications dans le montage de l'aiguille centrale. Un exemple de montage est représenté : il s'effectue à l'aide de disques 29 en métal léger tel que l'aluminium qui, sur des épaisseurs n'excédant pas quelques millimètres, n'absorbe le rayonnement gamma utile que de façon négligeable.

Ces disques s'appuient sur les épaulements 28 et sur le bord extérieur du canal, et ils peuvent être rem placés par d'autres supports-entretoises, minces et/ou ajourés, à faible absorption des rayons gamma.

On peut ainsi limiter la longueur des canaux, sur les Figures 5 et 6, à 100 mm environ. Au total, on est conduit, pour une cavité interne d'un rayon de 150 mm environ, à un ensemble sourcecollimateur 2 de 250 mm environ de rayon extérieur et à un rayon extérieur de la coquille 8 de 550 mm. Le poids de l'appareil est ainsi divisé par un facteur de l'ordre de 3 par rapport à des appareils connus du même type, et son encombrement est également considérablement réduit. Ceci a finalement pour conséquence une importante diminution du coût du matériel et de son installation.

Par ailleurs, la plus grande puissance unitaire par canal permet de réduire leur nombre par un facteur supérieur à 2 : typiquement 80 canaux environ au lieu de 200.

En variante, les sources cylindriques 21 peuvent être remplacées par des sources de forme annulaire et/ou constituées par la juxtaposition de sources élémentaires de plus petit diamètre.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1 - Appareil de traitement de lésions cérébrales par rayonnement gamma, du type comprenant un ensemble sources-collimateur (2) à peu près hémisphérique, et une table porte-patient mobile (4) équipée d'un dispositif stéréotaxique (26) destiné à coopérer avec la tête du patient, l'ensemble sources-collimateur comportant un grand nombre de sources de rayons gamma (21) associées respectivement à des canaux (17) qui sont tous orientés vers un même point de focalisation (18), caractérisé en ce que le dispositif stéréotaxique (26) est indépendant de l'ensemble sources-collimateur (2), et en ce que la table (4) comprend des moyens de déplacement dans l'espace, notamment de déplacements X, Y, Z, par rapport à cet ensemble sources-collimateur.

2 - Appareil suivant la revendication 1, caractérisé l'ensemble sources-collimateur (2) est monté oscillant autour d'un axe qui passe par le point de focalisation (18).

3 - Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'amplitude de l'oscillation correspond sensiblement à l'écartement angulaire des canaux (17) autour dudit axe.

4 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'ensemble sources-collimateur (2) comporte une porte mobile (23) munie d'une masse d'absorption de rayonnement gamma (25) qui, en position fermée de la porte, se trouve au point de focalisation (18).

5 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque canal (17) est conique et converge vers le point de focalisation (18).

6 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque canal (17) présente un profil étagé dont le diamètre est progressivement réduit vers le point de focalisation (18).

7 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chaque canal (17) contient une aiguille centrale (19) constituée d'un matériau absorbant fortement les rayons gamma.

8 - Appareil suivant la revendication 5 ou 6 prise ensemble avec la revendication 7, caractérisé en ce que l'aiguille (19) est délimitée par une surface conique dont les génératrices convergent vers le point de focalisation (18).

9 - Appareil suivant la revendication 6 prise ensemble avec la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que l'aiguille (19) est supportée par au moins une entretoise (30) s'appuyant sur un épaulement intérieur (28) du canal (17) et absorbant peu les rayons gamma.

10 - Appareil suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que chaque source (21) s'étend au moins en regard de l'espace annulaire (20) du canal (17) qui entoure l'aiguille (19).