CBCT (Fig. 8) ont été particulièrement utiles pour - UCSF Radiation ...
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Mise au point<br />
Mégavoltage cone-beam CT : récents développements et applications<br />
cliniques <strong>pour</strong> la radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité<br />
Megavoltage cone-beam CT: recent developments and clinical applications<br />
Résumé<br />
J. Pouliot * , O. Morin, M. Aubin, J.-F. Aubry, J. Chen, J. Speight, M. Roach III<br />
Department of radiation oncology, university of California San Francisco,<br />
comprehensive cancer center, 1600 Divisadero street, Suite H1031, San Francisco, Ca-94143, États-Unis<br />
Reçu le 11 mars 2006 ; accepté le 15 mai 2006<br />
Disponible sur internet le 24 juillet 2006<br />
Le système Mégavoltage cone-beam CT (MV <strong>CBCT</strong>) combine un appareil d’imagerie portale doté d’un détecteur optimisé <strong>pour</strong> les énergies<br />
du faisceau de traitement, un faisceau de très faible débit de dose synchronisé avec le détecteur et une station d’acquisition, de reconstruction et<br />
de fusion avec l’image scanographique de planification. Le système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> génère à faible dose des images tomographiques du<br />
patient en position de traitement permettant la vérification du positionnement et la détection des distorsions anatomiques, de même que le calcul<br />
de dose. L’objectif de ce travail était de colliger les récents développements de la technologie (MV <strong>CBCT</strong>), et à l’aide de quatre utilisations<br />
cliniques spécifiques dans les traitements de lésions spinales ou pulmonaires, dans les traitements des cancers de la tête, du cou et de la prostate,<br />
d’illustrer les performances et possibilités du système, menant à de nouvelles applications cliniques.<br />
© 2006 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.<br />
Abstract<br />
The Megavoltage cone-beam (MV <strong>CBCT</strong>) system consists of a new a-Si flat panel adapted for MV imaging and an integrated workflow<br />
application allowing the automatic acquisition of projection images, cone-beam CT image reconstruction, CT to <strong>CBCT</strong> image registration and<br />
couch position adjustment. This provides a 3D patient anatomy volume in the actual treatment position, relative to the treatment isocenter,<br />
moments before the dose delivery, that can be tightly aligned to the planning CT, allowing verification and correction of the patient position,<br />
detection of anatomical changes and dose calculation. In this paper, we present the main advantages and performance of this MV <strong>CBCT</strong> system<br />
and summarize the different clinical applications. Examples of the image-guided treatment process from the acquisition of the MV <strong>CBCT</strong> scan to<br />
the correction of the couch position and dose delivery will be presented for spinal and lung lesions and for head and neck, and prostate cancers.<br />
© 2006 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.<br />
Mots clés : Imagerie médicale ; Megavoltage cone-beam CT (MV <strong>CBCT</strong>) ; Radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité (RCMI)<br />
Keywords: Medical imaging; Megavoltage cone-beam CT (MV <strong>CBCT</strong>); Intensity modulation radiation therapy (IMRT)<br />
1. Introduction<br />
La radiothérapie conformationnelle avec modulation d’intensité<br />
(RCMI) permet d’envisager de nouvelles distributions<br />
de dose, plus conformes et mieux adaptées aux critères clini-<br />
* Auteur correspondant.<br />
Adresse e-mail : pouliot@radonc17.ucsf.edu (J. Pouliot).<br />
Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268<br />
1278-3218/$ - see fr<strong>ont</strong> matter © 2006 Elsevier Masson SAS. Tous droits réservés.<br />
doi:10.1016/j.canrad.2006.05.010<br />
http://france.elsevier.com/direct/CANRAD/<br />
ques. La précision des techniques de RCMI permet de réduire<br />
les marges et de considérer l’escalade de dose. Afin de tirer<br />
profit de cette précision accrue, une rigueur particulière doit<br />
s’appliquer à toutes les étapes de la radiothérapie : reproductibilité,<br />
calcul de dose, c<strong>ont</strong>rôle de qualité, vérification de la<br />
précision du positionnement du patient, et le cas échéant, de<br />
la position de la cible tumorale.<br />
De plus, on peut se questionner sur la validité d’utiliser une<br />
seule scanographie de planification comme référence <strong>pour</strong> l’en
semble des séances de radiothérapie. L’attitude et l’état de<br />
santé du patient, le déplacement des organes, la perte de<br />
poids, la réponse des tumeurs à la radiation s<strong>ont</strong> autant<br />
d’exemples modifiant l’anatomie aux cours des semaines de<br />
traitement.<br />
Si l’ensemble des étapes menant au traitement est fondé sur<br />
la disponibilité d’images tridimensionnelles du patient (scanographie<br />
diagnostique et de planification, IRM, TEP, système de<br />
planification et calcul de dose tridimensionnel, etc.), la vérification<br />
du positionnement reposait jusqu’à maintenant surtout<br />
sur l’imagerie portale en deux dimensions et la visualisation<br />
des structures osseuses.<br />
Ces dernières années <strong>ont</strong> vu le développement de systèmes<br />
d’imagerie, couplés ou non aux accélérateurs, d<strong>ont</strong> l’objectif<br />
est avant tout de fournir une image tridimensionnelle du patient<br />
en position de traitement, immédiatement avant l’irradiation.<br />
Un grand nombre de publications en f<strong>ont</strong> état. Par exemple,<br />
on trouvera un numéro complet sorti récemment et consacré<br />
au sujet [10]. Le déploiement clinique de ces systèmes, et d’autres,<br />
a ouvert l’ère de la radiothérapie guidée par l’image<br />
(image-guided radiotherapy ou IGRT).<br />
L’objectif de ce travail était de colliger les récents développements<br />
de la technologie (MV <strong>CBCT</strong>), et à l’aide de quatre<br />
utilisations cliniques spécifiques, d’illustrer certaines des performances<br />
et possibilités du système ouvrant de nouvelles<br />
applications cliniques.<br />
2. Megavoltage cone-beam CT<br />
2.1. Description du système<br />
Lorsque les premiers systèmes d’imagerie portale <strong>ont</strong> <strong>été</strong><br />
développés, il y a près de 20 ans, il aurait <strong>été</strong> difficile d’imaginer<br />
qu’un système d’imagerie portale et le faisceau de traitement<br />
seraient suffisants <strong>pour</strong> obtenir en quelques secondes<br />
avant le traitement, une image tridimensionnelle du patient<br />
résolvant les tissus mous et utilisable <strong>pour</strong> le calcul précis de<br />
dose. C’est en un mot, ce qu’offre le système d’imagerie MV<br />
<strong>CBCT</strong>.<br />
Le système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> génère des images tomographiques<br />
du patient en position de traitement. Parmi les<br />
caractéristiques particulières du système MV <strong>CBCT</strong> qui ser<strong>ont</strong><br />
discutées plus loin (Tableau 1), la plus attrayante est sans doute<br />
Tableau 1<br />
Paramètres du système d’imagerie megavoltage cone-beam CT<br />
Table 1<br />
Megavoltage Cone-Beam CT Characteristics<br />
Description Résultat<br />
Acquisition Arc de 200 degrés (270–110)<br />
Temps d’acquisition 45 secondes<br />
Temps d’acquisition et de<br />
reconstruction<br />
Inférieur à deux minutes<br />
Volume imagé (champ de vision) 27 cm × 27 cm × 27 cm<br />
Nombre de pixels 256 × 256 × 274 (craniocaudal)<br />
Résolution spatiale < 1 mm<br />
Dose typique 2–8 cGy<br />
Signal proportionnel à la densité<br />
d'électron<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268 259<br />
permet un calcul de dose précis (même<br />
en présence d'objets métalliques)<br />
sa simplicité qui consiste en une seule source de rayonnement,<br />
le faisceau de l’accélérateur, et un seul détecteur, le système<br />
d’imagerie portale. Ainsi par définition, le faisceau de traitement<br />
et l’image MV <strong>CBCT</strong> coïncident au même isocentre. Le<br />
système de référence de l’image est celui du faisceau de traitement,<br />
limitant au minimum le c<strong>ont</strong>rôle de qualité. L’absence<br />
d’équipement additionnel laisse libre accès au patient par le<br />
manipulateur et limite les problèmes techniques.<br />
Le système de détection utilise une nouvelle génération de<br />
détecteurs bidimensionnels [5] munis d’une matrice active au<br />
silicium amorphe optimisée <strong>pour</strong> la détection des photons<br />
générés par le faisceau de l’accélérateur en champ ouvert,<br />
d’où sa double appellation de mégavoltage et cone-beam. Le<br />
système MV <strong>CBCT</strong> consiste donc en un détecteur attaché à<br />
l’accélérateur et une station c<strong>ont</strong>rôlant le déroulement des opérations.<br />
Cette dernière permet l’acquisition automatique des<br />
images de projections (images portales), de la reconstruction<br />
de l’image <strong>CBCT</strong> et de la superposition de celle-ci avec<br />
l’image scanographique de planification. Cet alignement CT–<br />
MV <strong>CBCT</strong> détermine le vecteur de correction à apporter à la<br />
position du patient.<br />
Le développement du système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> et son<br />
déploiement clinique <strong>ont</strong> rapidement progressé au cours des<br />
dernières années. La première acquisition d’une image MV<br />
<strong>CBCT</strong> sur un patient atteint d’un cancer de la tête et du cou a<br />
eu lieu en octobre 2003 [9]. La qualité des images s’est par la<br />
suite c<strong>ont</strong>inuellement améliorée et a dém<strong>ont</strong>ré, en août 2004,<br />
un c<strong>ont</strong>raste des tissus mous suffisant <strong>pour</strong> visualiser la prostate,<br />
la vessie et le rectum. C’est par l’installation au département<br />
de radiothérapie de <strong>UCSF</strong> (University of California San<br />
Francisco) de deux systèmes MV <strong>CBCT</strong> sur des accélérateurs<br />
Siemens que les premiers protocoles cliniques, approuvés par<br />
le comité d’éthique, <strong>ont</strong> débuté en janvier 2005 [8].<br />
De janvier 2005 à février 2006, environ 200 acquisitions<br />
MV <strong>CBCT</strong> <strong>ont</strong> <strong>été</strong> effectuées auprès de 50 patients traités par<br />
irradiation externe. Le système MV <strong>CBCT</strong> a <strong>été</strong> utilisé à la fois<br />
<strong>pour</strong> la vérification du positionnement et <strong>pour</strong> mettre en évidence<br />
les distorsions anatomiques. Il a servi entre autres à<br />
observer la croissance ainsi que la régression des tumeurs au<br />
cours de la thérapie, ainsi que de suivre les changements anatomiques<br />
dus à la perte de poids et à en évaluer l’impact dosimétrique.<br />
Finalement, le système MV <strong>CBCT</strong> a permis d’améliorer<br />
grandement la délinéation du volume cible et des organes<br />
à risque chez les patients traités <strong>pour</strong> un cancer de la prostate et<br />
ayant subi l’implantation d’une prothèse simple ou double de<br />
la hanche [1].<br />
2.2. Étapes d’acquisition et de reconstruction<br />
de l’image MV <strong>CBCT</strong><br />
Les six étapes typiques de l’utilisation du système MV<br />
<strong>CBCT</strong> s<strong>ont</strong> illustrées à la <strong>Fig</strong>. 1. Le patient est d’abord placé<br />
en position de traitement. Le protocole d’acquisition (étape 1)<br />
spécifiant l’énergie du faisceau (6 MV), le nombre d’unités<br />
moniteur total qui sera utilisé <strong>pour</strong> l’image <strong>CBCT</strong> et la grandeur<br />
de champ, est appelé sur la station de c<strong>ont</strong>rôle
260<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268<br />
<strong>Fig</strong>. 1. Étapes de positionnement d’un patient avec le système MV <strong>CBCT</strong>. 1) Le patient est placé en position de traitement et le protocole d’acquisition est chargé. 2)<br />
L’acquisition est lancée à partir d’un angle de 270 degrés. 3) la tête de l’accélérateur effectue une rotation de 200 degrés et une image portale est obtenue à chaque<br />
degré. 4) Une fois la reconstruction de l’image MV <strong>CBCT</strong> compl<strong>été</strong>e, l’image MV <strong>CBCT</strong> est automatiquement fusionnée avec l’image CT. 5) L’usager confirme la<br />
qualité de l’alignement ou effectue une modification. 6) le vecteur de déplacement du patient est affiché et le positionnement de la table de traitement est corrigée à<br />
distance. Le patient est alors prêt à recevoir son traitement.<br />
<strong>Fig</strong>. 1. Patient set-up steps with MV <strong>CBCT</strong>. 1) Patient is set-up in treatment position and the MV <strong>CBCT</strong> acquisition protocol is uploaded. 2) The acquisition is<br />
initiated with the gantry at 270 degrees. 3) The gantry c<strong>ont</strong>inuously rotates 200 degrees and a portal image is acquired at each degree. 4) The reconstructed MV<br />
<strong>CBCT</strong> is automatically registered with the planning CT. 5) If required, the user manually fine-tunes the alignment and the registration is confirmed. 6) The computed<br />
shift vector is displayed and couch position is remotely corrected. The treatment is ready to be delivered.
Coherence TM . L’image scanographique de planification de<br />
référence, préalablement reçue via DICOM du système de planification<br />
dosimétrique, est automatiquement affichée, prête à<br />
être fusionnée à l’image <strong>CBCT</strong>. La tête de l’accélérateur est<br />
tournée en position initiale de l’arc (270°) [étape 2] et l’acquisition<br />
est lancée. Durant l’acquisition (étape 3), la tête de l’accélérateur<br />
effectue une rotation de 200 degrés et une image<br />
portale est obtenue à chaque degré. La reconstruction de<br />
l’image MV <strong>CBCT</strong> débute dès l’acquisition de la première<br />
image portale et est compl<strong>été</strong>e en moins de deux minutes.<br />
Une fois reconstruite, l’image MV <strong>CBCT</strong> est automatiquement<br />
fusionnée en quelques secondes avec l’image scanographique à<br />
l’aide du logiciel Adaptive Targeting Sofware TM (étape 4). La<br />
fusion est fondée sur un algorithme d’informations mutuelles.<br />
L’utilisateur confirme la qualité de l’alignement (étape 5) et, le<br />
cas échéant, peut effectuer une modification manuelle supplémentaire.<br />
Une fois l’alignement accepté, le vecteur décrivant le<br />
déplacement nécessaire <strong>pour</strong> obtenir la meilleure position du<br />
patient à l’isocentre de position est affiché (étape 6). La position<br />
de la table de traitement peut ainsi être corrigée à distance.<br />
Le patient est alors prêt à recevoir son traitement. Les paramètres<br />
du système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> s<strong>ont</strong> regroupés dans le<br />
Tableau 1.<br />
La précision d’alignement du système <strong>pour</strong> un objet rigide a<br />
pu être vérifiée en comparant les positions obtenues à la fois à<br />
l’aide du système MV <strong>CBCT</strong> et d’une paire d’images portales<br />
orthogonales. Pour cette comparaison, un fantôme anthropomorphique<br />
(Rando) implanté de trois marqueurs d’or a <strong>été</strong><br />
déplacé successivement à 30 endroits différents connus autour<br />
de l’isocentre [7]. La moyenne et l’écart-type des différences<br />
entre les deux méthodes d’imagerie <strong>pour</strong> ces 30 mesures<br />
étaient respectivement de 0,0 et 0,3 mm. De plus, l’écart-type<br />
entre les valeurs de déplacements effectués et mesurés par le<br />
système MV <strong>CBCT</strong> était de 0,5 mm. Ces mesures dém<strong>ont</strong>rent<br />
donc que le système MV <strong>CBCT</strong> a le potentiel d’aligner un<br />
patient avec une précision meilleure que 1 mm. Dans certains<br />
cas, les distorsions anatomiques et l’interprétation de l’usager<br />
peuvent réduire cette précision. Cette précision devra être<br />
déterminée <strong>pour</strong> chaque site en fonction de l’expertise de l’usager.<br />
Cet aspect sera discuté plus loin.<br />
La dose requise <strong>pour</strong> l’acquisition d’une image MV <strong>CBCT</strong><br />
dépend de l’application clinique. Elle est typiquement de 2 à<br />
5 cGy par fraction <strong>pour</strong> les alignements quotidiens, et de 5 à<br />
10 cGy <strong>pour</strong> l’étude de l’évolution des tumeurs ou <strong>pour</strong> fin de<br />
planification [8,9].<br />
3. Quatre exemples d’applications cliniques<br />
Au-delà des caractéristiques techniques et des performances<br />
physiques, c’est dans son utilisation clinique qu’un nouveau<br />
système d’imagerie peut dém<strong>ont</strong>rer son utilité. En s’appuyant<br />
sur quatre exemples cliniques réels, nous allons illustrer comment<br />
le système MV <strong>CBCT</strong> offre des solutions <strong>pour</strong> la résolution<br />
de problèmes existants et aussi ouvre de nouvelles applications.<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268 261<br />
3.1. Traitement d’une lésion paraspinale<br />
Une patiente ayant subi une résection <strong>pour</strong> un sarcome épidural<br />
de stade élevé devait être traitée par irradiation. Comme<br />
c’est souvent le cas, une structure métallique supportant la<br />
colonne vertébrale a <strong>été</strong> mise en place lors de la chirurgie.<br />
Pour les sarcomes et autres tissus radiorésistants, une dose permettant<br />
d’espérer le c<strong>ont</strong>rôle local avec une thérapie conforme<br />
traditionnelle risque d’excéder la dose de tolérance (45–50 Gy)<br />
de la moelle épinière. En utilisant une technique de RCMI, une<br />
distribution de dose hautement conforme à la tumeur peut être<br />
planifiée afin de maximiser la couverture dosimétrique de la<br />
cible tout en épargnant les tissus à risque avoisinants [6]. Une<br />
dose de 58 Gy a <strong>été</strong> prescrite sur l’isodose 72 %, fractionnée en<br />
29 séances. Cependant, compte tenu du fort gradient de dose<br />
entre le volume tumoral et les structures adjacentes, une grande<br />
précision était requise dans la mise en place de la patiente <strong>pour</strong><br />
toute la durée du traitement. La <strong>Fig</strong>. 2 présente la distribution<br />
de dose sur une coupe axiale. On remarque que la moelle épinière<br />
est incluse dans l’isodose 45 Gy et que la dose augmente<br />
très rapidement lorsqu’on s’écarte de celle-ci, même à quelques<br />
millimètres seulement. Un alignement quotidien à l’aide du<br />
système MV <strong>CBCT</strong> a donc <strong>été</strong> effectué afin de s’assurer d’un<br />
positionnement précis du patient et d’une irradiation optimale<br />
chaque jour.<br />
À chaque session de traitement, la patiente a <strong>été</strong> mise en<br />
position de traitement et immobilisée à l’aide d’un masque<br />
thermoplastique couvrant entièrement la tête, le cou et les<br />
épaules (Head-shoulder mask, Med-Tec Corp., Iowa). On procédait<br />
alors à l’acquisition et à l’alignement de l’image MV<br />
<strong>CBCT</strong> sur l’image scanographique de référence suivant la pro-<br />
<strong>Fig</strong>. 2. Exemple de distribution de la dose <strong>pour</strong> un traitement RTMI d’une<br />
lésion paraspinale.<br />
<strong>Fig</strong>. 2. Example of a dose distribution used for a paraspinous lesion IMRT.
262<br />
cédure décrite à la section précédente. L’équipe apprend rapidement<br />
comment effectuer l’alignement des images chaque<br />
jour. Après la première semaine, les étapes d’acquisition de<br />
l’image, l’alignement du patient suivi de la vérification de la<br />
correction, pouvaient être effectuées en un temps approximatif<br />
de six à huit minutes.<br />
Une correction supérieure à 2 mm dans au moins un des<br />
trois axes a <strong>été</strong> nécessaire lors de 28 des 29 séances. Les<br />
corrections à effectuer <strong>ont</strong> varié de –9,4 à 9,4, –9,5 à 4,0, et<br />
–3,5 à 1,0 mm, respectivement <strong>pour</strong> les axes latéral, longitudinal<br />
et vertical. La moyenne (l’écart-type) des déplacements<br />
était de –1,0 (4,4), –3,5 (3,22) et –0,7 (1,1) mm. Les grandes<br />
valeurs de corrections et de l’écart-type dém<strong>ont</strong>rent l’importance<br />
de l’alignement quotidien. En moyenne (intervalle de<br />
confiance de 95 %), les corrections à effectuer sans égard au<br />
signe étaient de 3,6 (2,6–4,6), 4,1 (3,2–5,0) et 1,0 (0,6–<br />
1,3) mm dans les mêmes axes. Ainsi, une correction moyenne<br />
de 4 mm devait être apportée à la position du patient chaque<br />
jour. L’introduction de ces écarts dans le système de planification<br />
dosimétrique a permis d’évaluer que l’absence de correction<br />
aurait résulté en une augmentation de la dose à la moelle,<br />
jusqu’à 61 Gy.<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268<br />
La dose supplémentaire totale reçue par le patient, due à l’acquisition<br />
quotidienne d’images MV <strong>CBCT</strong> a <strong>été</strong> de 1,3 Gy, soit<br />
31 acquisitions × 6 MU/acquisition × 0,7 cGy/MU. Elle a <strong>été</strong><br />
prise en compte lors de la planification. Il s’agit là d’une caractéristique<br />
intéressante du système MV <strong>CBCT</strong>. Le faisceau utilisé<br />
<strong>pour</strong> le traitement et <strong>pour</strong> l’acquisition de l’image étant le<br />
même, les doses peuvent être additionnées directement sans<br />
autre considération biologique. De plus, comparée aux systèmes<br />
d’imagerie œuvrant dans le domaine du radiodiagnostic (énergie<br />
mesurée en kV), la dose reçue lors de l’acquisition d’une image<br />
MV <strong>CBCT</strong> est considérablement plus uniforme (± 20 %) dans<br />
tout le volume imagé.<br />
L’alignement de l’image MV <strong>CBCT</strong> relatif à l’image CT a<br />
<strong>été</strong> validé tous les jours par le médecin résident immédiatement<br />
avant l’irradiation (<strong>Fig</strong>. 3). Une série d’alignements effectués<br />
hors ligne par d’autres utilisateurs a permis d’évaluer l’importance<br />
des variations interusagers. Après avoir reçu les consignes<br />
d’alignement par le médecin traitant, deux utilisateurs<br />
<strong>ont</strong> indépendamment effectué les alignements des 31 fractions,<br />
sans connaître les résultats obtenus par les autres usagers. La<br />
variation interusagers a <strong>été</strong> en moyenne de 1,1 mm, avec un<br />
écart-type de 0,5 mm.<br />
<strong>Fig</strong>. 3. Vues perpendiculaires de la scanographie (gauche) de planification du traitement d’une lésion spinale. L’image MV <strong>CBCT</strong> (droite) est fusionnée <strong>pour</strong><br />
déterminer le meilleur alignement du patient. L’encerclé m<strong>ont</strong>re la structure métallique de soutien vue sur l’image MV <strong>CBCT</strong> en ajustant la fenêtre des niveaux de<br />
gris.<br />
<strong>Fig</strong>. 3. Orthogonal views, axial (top), coronal (center) and sagital (bottom), of the planning CT (left) for the treatment of a paraspinous lesion. The MV <strong>CBCT</strong> is<br />
registered (right) with the planning CT to determine the best patient alignment.
3.2. Positionnement de patient atteint de cancer du poumon<br />
avec MV <strong>CBCT</strong><br />
Un patient atteint de cancer du poumon, ayant refusé la chirurgie,<br />
devait être traité exclusivement par irradiation. Étant<br />
donné la grosseur de la tumeur (~145 cm 3 ), une stratégie de<br />
traitement utilisant le cyberknife ne pouvait être proposée. Il<br />
a <strong>été</strong> observé durant la simulation par fluoroscopie que la position<br />
de la tumeur était relativement stable. Cela n’est évidemment<br />
pas le cas <strong>pour</strong> la majorité des cancers du poumon de<br />
volume plus petit ou une position rapprochée du diaphragme.<br />
Après l’acquisition de l’image scanographique <strong>pour</strong> la planification,<br />
l’isocentre de traitement a <strong>été</strong> placé dans le volume<br />
cible. Étant donné qu’une radiothérapie hypofractionnée (cinq<br />
fractions de 8 Gy) avec modulation d’intensité a <strong>été</strong> prescrite, il<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268 263<br />
était extrêmement important d’assurer un positionnement très<br />
précis à chacune des fractions.<br />
Une paire d’images portales et un MV <strong>CBCT</strong> <strong>ont</strong> <strong>été</strong> obtenus<br />
la première journée de traitement. Seulement l’anatomie<br />
osseuse pouvait être identifiée sur les images portales. En<br />
revanche, utilisant le MV <strong>CBCT</strong>, les os et les tissus mous<br />
(d<strong>ont</strong> la tumeur) étaient clairement visibles. L’alignement du<br />
MV <strong>CBCT</strong> avec la scanographie de référence avant traitement<br />
a <strong>été</strong> fait en utilisant la tumeur elle-même <strong>pour</strong> assurer une<br />
dose adéquate (<strong>Fig</strong>. 4a–c). Deux MV <strong>CBCT</strong> additionnels <strong>ont</strong><br />
<strong>été</strong> obtenus lors de la première journée de traitement ; le premier<br />
après avoir appliqué l’ajustement de la position du patient<br />
et le second après le traitement <strong>pour</strong> étudier la possibilité de<br />
mouvement durant les 20 minutes de traitement. Le MV<br />
<strong>CBCT</strong> après alignement était bien aligné avec la scanographie<br />
<strong>Fig</strong>. 4. Alignement d’un patient atteint de cancer du poumon avec MV <strong>CBCT</strong>. L’alignement tridimensionnel est effectué en fusionnant la scanographie de référence<br />
(images à niveaux de gris) avec le MV <strong>CBCT</strong> du jour (images en couleur). L’alignement utilisant la tumeur (gauche) est nettement supérieur qu’en utilisant les<br />
structures osseuses uniquement (droite).<br />
<strong>Fig</strong>. 4. MV <strong>CBCT</strong> alignment of a lung cancer patient. The 3D alignment is performed daily by registering the reference CT (grey levels) with the MV <strong>CBCT</strong> (colors).<br />
The tumor alignment performed with the MV <strong>CBCT</strong> (left) is better than the one obtained using bony anatomy visible on portal images (right).
264<br />
de référence. La même conclusion fut tirée avec le MV <strong>CBCT</strong><br />
acquis après traitement. Pour les quatre fractions suivantes, un<br />
seul MV <strong>CBCT</strong> (9 MU) a <strong>été</strong> utilisé <strong>pour</strong> le positionnement. À<br />
une occasion, le MV <strong>CBCT</strong> dém<strong>ont</strong>rait une claire rotation du<br />
patient (~2 degrés) qui ne pouvait pas être corrigée avec de<br />
simples translations. La rotation a <strong>été</strong> corrigée en tournant le<br />
patient directement sur la table de traitement.<br />
Dans le but académique de comparer un alignement fondé<br />
sur des images portales ou avec MV <strong>CBCT</strong>, l’ajustement de<br />
position mesuré avec l’imagerie portale du premier jour de traitement<br />
a <strong>été</strong> appliqué au MV <strong>CBCT</strong> (<strong>Fig</strong>. 4d–f). Malgré un très<br />
bon alignement au niveau du sternum comme observé à la<br />
<strong>Fig</strong>. 4d et 4f., la tumeur ne l’était pas (voir flèches) et serait<br />
« sous-dosée ». Un problème similaire pouvait être observé si<br />
l’alignement du MV <strong>CBCT</strong> était fait avec les structures osseuses,<br />
ce qui est pratique courante avec l’utilisation d’images portales.<br />
Le système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> s’est avéré un bon premier<br />
pas vers un traitement de poumon plus complexe où la<br />
dose délivrée serait synchronisée avec la respiration. Même<br />
dans les cas où la tumeur présente une plus forte amplitude<br />
de mouvement, le MV <strong>CBCT</strong> peut être utilisé <strong>pour</strong> obtenir<br />
une meilleure marge de sécurité autour de la tumeur, puisque<br />
l’image produite représente intrinsèquement l’enveloppe du<br />
mouvement naturel de la tumeur.<br />
3.3. RCMI des cancers de la tête et du cou<br />
La RCMI permet de traiter les cancers de la tête et du cou<br />
en délivrant de fortes doses de radiation au volume cible tout<br />
en offrant une décroissance rapide de dose à son <strong>pour</strong>tour,<br />
épargnant ainsi les organes critiques avoisinants. Cette approche<br />
exige un positionnement précis et reproductible à chaque<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268<br />
session de traitement. De plus, il est essentiel de s’assurer que<br />
les changements anatomiques dus à la régression de la tumeur<br />
ou à la perte de poids durant le traitement n’altèrer<strong>ont</strong> pas la<br />
distribution de dose du plan de traitement. Ces changements<br />
risquent d’affecter significativement la dose à la tumeur ou<br />
aux organes à risque. Dans de tels cas, une nouvelle planification<br />
peut devenir nécessaire, entraînant une surcharge de travail<br />
<strong>pour</strong> toute l’équipe de radiothérapie. La question qui se pose<br />
alors est de pouvoir détecter si les changements anatomiques<br />
s<strong>ont</strong> suffisamment importants <strong>pour</strong> engendrer un impact dosimétrique<br />
cliniquement important.<br />
Durant l’année 2005, le système MV <strong>CBCT</strong> a <strong>été</strong> utilisé<br />
chez une vingtaine de patients atteints d’un cancer de la tête<br />
et du cou afin de vérifier leur positionnement et observer leur<br />
changement anatomique. En général, une image MV <strong>CBCT</strong> du<br />
patient en position de traitement a <strong>été</strong> obtenue chaque jour lors<br />
de la première semaine de traitement dans le but de s’assurer<br />
de sa bonne mise en place et par la suite, une fois par semaine<br />
<strong>pour</strong> étudier l’évolution du patient et confirmer le bon alignement.<br />
Une comparaison de l’image scanographique de planification<br />
(<strong>Fig</strong>. 5, en haut) et d’une image MV <strong>CBCT</strong> (<strong>Fig</strong>. 5) est<br />
présentée <strong>pour</strong> les trois plans de vue axiale, sagittale et coronale<br />
Cette comparaison permet de se convaincre facilement que<br />
l’image MV <strong>CBCT</strong>, avec les outils de fusion décrits précédemment,<br />
permet un alignement tridimensionnel précis du patient<br />
[9].<br />
L’avantage de pouvoir visualiser le patient en trois dimensions<br />
fut rapidement dém<strong>ont</strong>ré et ce à plusieurs reprises lors de<br />
l’installation initiale des patients sur la table de traitement. En<br />
effet, plusieurs degrés de rotations existent dans la région de la<br />
tête et du cou, certains difficilement observables avec l’imagerie<br />
portale traditionnelle en deux dimensions. Et au-delà des<br />
rotations, l’observation des distorsions de l’anatomie s’est avé-<br />
<strong>Fig</strong>. 5. Comparaison des images scanographiques de planification (en haut) avec une image MV <strong>CBCT</strong> (en bas) acquises <strong>pour</strong> un traitement dans la région de la tête<br />
et du cou.<br />
<strong>Fig</strong>. 5. Planning CT (top) and MV <strong>CBCT</strong> (bottom) of a head and neck patient in treatment position.
<strong>Fig</strong>. 6. Fusion d’une image MV <strong>CBCT</strong> (gris) et de l’image scanographique de<br />
planification (couleur) illustrant la déformation de l’anatomie dans la région du<br />
cou entre la séance de planification et de traitement.<br />
<strong>Fig</strong>. 6. Registration of MV <strong>CBCT</strong> (color) with the planning CT (grey levels)<br />
showing the anatomical deformation in the neck area between the planning and<br />
treatment times.<br />
rée plus fréquente qu’elles n’avaient <strong>été</strong> anticipées. À cet effet,<br />
un exemple est illustré à la <strong>Fig</strong>. 6. L’image MV <strong>CBCT</strong> (en<br />
gris) est alignée sur l’image scanographique de planification<br />
(en couleur) en se fondant sur les structures osseuses comme<br />
la base du crâne et la région fr<strong>ont</strong>ale. Malgré l’alignement adéquat<br />
sur ces structures, un écart de 6 mm est observé au niveau<br />
des vertèbres cervicales, risquant d’exposer la moelle à une<br />
dose supérieure. Dans cet exemple, une translation ou une rotation<br />
du patient, serait incapable de corriger la situation. L’arc<br />
du cou était plus prononcé lors de la simulation (scanographoie<br />
de planification) que lors du premier traitement, en dépit de<br />
l’utilisation du même accessoire de support. Le patient fut resimulé<br />
avec un appui moins élevé, lui offrant plus de confort et<br />
une plus grande reproductibilité de position.<br />
Il n’existait pas toujours une solution simple aux problèmes<br />
de distorsion observés. Dans l’exemple présenté à la <strong>Fig</strong>. 6, il<br />
s’agissait d’un problème systématique qui a pu être résolu par<br />
un changement d’accessoire. Cependant, chez plusieurs<br />
patients, les distorsions anatomiques étaient variables d’un<br />
jour à l’autre. C’était le cas dans l’exemple présenté à la<br />
<strong>Fig</strong>. 3. En présence de distorsion, un alignement de type<br />
corps rigide, i.e. une transformation affine n’est satisfaisante<br />
que dans une petite partie du volume de l’image. L’expertise<br />
du médecin et la connaissance de la distribution de la dose et<br />
de la localisation de la tumeur s<strong>ont</strong> donc essentielles <strong>pour</strong> juger<br />
du meilleur alignement entre l’image MV <strong>CBCT</strong> et l’image<br />
scanographique de planification.<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268 265<br />
L’acquisition périodique d’images MV <strong>CBCT</strong> permet de<br />
vérifier la justesse de la position du patient. De plus, la comparaison<br />
des images MV <strong>CBCT</strong> avec celles acquises dans les<br />
semaines précédentes ou avec l’image scanographique de planification<br />
permet de mettre en évidence les changements anatomiques<br />
dus à la régression des tumeurs ou à la perte de poids.<br />
Deux coupes transversales d’images MV <strong>CBCT</strong> prises à deux<br />
semaines d’intervalle (première et troisième) durant le traitement<br />
s<strong>ont</strong> présentées à la <strong>Fig</strong>. 7 (gauche ; haut et milieu). La<br />
première semaine, l’image MV <strong>CBCT</strong> (en gris avec 50 % de<br />
transparence) se superposait bien sur l’image scanographique<br />
de planification (en arrière-plan, en rouge). La perte de poids<br />
devenait évidente (figure du milieu) à la troisième semaine. Les<br />
flèches indiquent les régions ou la perte de poids est la plus<br />
marquée. La <strong>Fig</strong>. 7 (à droite) présente aussi les distributions<br />
de la dose respective calculées par le système de planification<br />
en réappliquant les faisceaux initiaux sur les images MV<br />
<strong>CBCT</strong>. Effectivement, une caractéristique importante du signal<br />
des images MV <strong>CBCT</strong> est qu’il peut être étalonné en fonction<br />
de la densité électronique, permettant d’effectuer un calcul de<br />
dose précis [8] directement à partir de l’image MV <strong>CBCT</strong>.<br />
Ainsi, lorsqu’un doute existe sur la dose délivrée, une image<br />
MV <strong>CBCT</strong> peut être transmise au système de planification<br />
<strong>pour</strong> évaluer l’impact dosimétrique d’un positionnement inadéquat,<br />
d’un changement anatomique, ou même de la présence<br />
d’objets métalliques. Les changements dans la distribution de<br />
dose reçue par le patient, dus à la perte de poids s<strong>ont</strong> présentés<br />
au bas de la <strong>Fig</strong>. 6. On remarque que certaines régions reçoivent<br />
plus de 10 % de dose supplémentaire à celle originalement<br />
planifiée.<br />
3.4. Traitement du cancer de la prostate en présence<br />
d’une prothèse de hanche<br />
Un nombre croissant de patients devant recevoir une radiothérapie<br />
dans la région pelvienne se présente avec une prothèse<br />
de hanche. La possibilité de traiter ces patients avec une technique<br />
de radiothérapie conformationnelle ou de RCMI doit<br />
s’appuyer sur une définition précise du volume cible et des<br />
organes à risque. Pourtant, la présence d’objets métalliques<br />
génère des artefacts importants sur les images scanographiques<br />
et rend difficile, ou même presque impossible dans le cas de<br />
prothèses bilatérales, la segmentation de la prostate.<br />
La grande pénétrabilité des photons de hautes énergies du<br />
faisceau de traitement devient ici un avantage <strong>pour</strong> minimiser<br />
les artefacts et produire une image permettant de visualiser la<br />
prostate, la vessie et le rectum. Une acquisition MV <strong>CBCT</strong> est<br />
donc effectuée et l’image est transmise au système de planification<br />
où elle est fusionnée avec l’image scanographique. Les<br />
images d’un scanographe classique (gauche) et d’un MV<br />
<strong>CBCT</strong> (droite) de deux patients ayant une (haut) et deux<br />
(bas) prothèses s<strong>ont</strong> présentées à la <strong>Fig</strong>. 8. On remarque que<br />
les artefacts sur l’image scanographique obscurcissent la région<br />
entre la prostate et la paroi rectale (<strong>Fig</strong>. 8) ou encore l’interface<br />
à la base de la prostate et la vessie (<strong>Fig</strong>. 8). Les images MV<br />
<strong>CBCT</strong> (<strong>Fig</strong>. 8) <strong>ont</strong> <strong>été</strong> <strong>particulièrement</strong> <strong>utiles</strong> <strong>pour</strong> démarquer<br />
ces structures de même que l’extension latérale de la prostate
266<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268<br />
<strong>Fig</strong>. 7. Impact dosimétrique de la perte de poids durant un traitement de radiothérapie. La fusion (à gauche) de la scanographie de planification (en rouge) et des<br />
images MV <strong>CBCT</strong> (superposées en gris avec transparence) acquises durant la première (en haut) et la troisième (au milieu) semaines de traitement illustre la perte de<br />
poids. La distribution de dose a <strong>été</strong> recalculée en appliquant l’arrangement des faisceaux initiaux sur les images MV <strong>CBCT</strong> (droite), (en bas) différences dans la<br />
distribution de dose entre la première et la troisième semaine.<br />
<strong>Fig</strong>. 7. Dosimetric impact of weight loss during the course of radiation therapy. The superposition of the planning CT (red) with the registered MV <strong>CBCT</strong><br />
(transparent grey levels) acquired at the first (top) and third (center) week illustrates the loss of tissue. Dose distributions were recalculated in the planning system by<br />
applying the initial beam arrangements on the MV <strong>CBCT</strong> images (right). Dose differences between the first and third week (bottom).
dans le plan médian. Dans la dernière année, le système d’imagerie<br />
MV <strong>CBCT</strong> a <strong>été</strong> utilisé à l’<strong>UCSF</strong> <strong>pour</strong> aider à la planification<br />
dosimétrique de dix patients ayant une ou deux prothèses<br />
de hanche [1,2]. Lorsque l’on considère qu’en Europe et<br />
aux États-Unis, plus de 500 000 remplacements de hanche<br />
<strong>ont</strong> <strong>été</strong> effectués en 2005 et qu’un homme sur six sera atteint<br />
du cancer de la prostate, on peut s’attendre à une forte croissance<br />
du nombre de ces cas.<br />
4. Discussion<br />
Ces systèmes d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> constituent une première<br />
génération. Maintenant qu’ils <strong>ont</strong> dém<strong>ont</strong>ré leur utilité<br />
clinique, on peut s’attendre à ce que le développement et<br />
l’amélioration des performances de ces systèmes aillent en<br />
s’accélérant. Plusieurs améliorations au système s<strong>ont</strong> déjà en<br />
voie de réalisation. Le faisceau de traitement <strong>pour</strong>ra être modifié<br />
<strong>pour</strong> offrir des caractéristiques mieux adaptées à l’imagerie<br />
(dimension de source réduite, énergie légèrement inférieure,<br />
etc.). L’optimisation des détecteurs à matrices actives <strong>pour</strong> les<br />
énergies de mégavoltage se <strong>pour</strong>suit et promet encore des gains<br />
substantiels en efficacité et sensibilité. Finalement, la compréhension<br />
du type de traitement informatique des images engendrées<br />
par les systèmes MV <strong>CBCT</strong> évolue rapidement (filtre<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268 267<br />
<strong>Fig</strong>. 8. Les images d’un scanographe classique (gauche) et d’un MV <strong>CBCT</strong> (droite) de deux patients ayant reçu une (haut) et deux (bas) prothèses.<br />
<strong>Fig</strong>. 8. Comparison between the planning CT (left) and the MV <strong>CBCT</strong> (right) for a patients with one (top) or bi-lateral (bottom) hip prostheses.<br />
<strong>pour</strong> la réduction du bruit ou de la taille de la source, élimination<br />
des artefacts de reconstruction, suppression du diffusé,<br />
etc.), et résulte en une constante amélioration de la qualité<br />
d’image.<br />
L’imagerie portale bénéficie aussi de toutes ces améliorations.<br />
La qualité d’image accrue avec une dose considérablement<br />
réduite, va accélérer son acceptation clinique. L’idée de<br />
fluoroscopie avec le faisceau n’est pas nouvelle, mais la meilleure<br />
visibilité maintenant offerte va cautionner une utilisation<br />
plus fréquente. La tomosynthèse mégavoltage numérique,<br />
concept d’imagerie hybride entre l’imagerie portale et le MV<br />
<strong>CBCT</strong>, permettra des temps d’acquisition courts tout en offrant<br />
une information tridimensionnelle dans l’axe du faisceau.<br />
Il existe un avantage fondamental à utiliser le faisceau de<br />
traitement <strong>pour</strong> générer une image. Ce lien univoque entre le<br />
faisceau de traitement et l’image de positionnement assure que<br />
l’image représente la vraie position du patient dans le faisceau.<br />
De plus, en obtenant une image qui servira au calcul de dose<br />
avec le faisceau de traitement, les densités d’électron s<strong>ont</strong><br />
mesurées dans les mêmes conditions (même spectre en énergie<br />
de photons) qui ser<strong>ont</strong> utilisées <strong>pour</strong> le calcul de dose. Le système<br />
d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> permet donc le calcul précis de<br />
dose et est <strong>particulièrement</strong> bien adapté à la reconstruction in<br />
situ de la distribution de la dose en trois dimensions en com-
268<br />
binant l’image MV <strong>CBCT</strong>, la mesure de la dose de sortie [3] et<br />
un programme de déposition de cette dernière [4]. Cette technologie<br />
a donc le potentiel de jouer un rôle clé en déterminant,<br />
jour après jour, la dose reçue par le patient. Si l’IGRT est<br />
l’adaptation des paramètres d’irradiation fondée sur l’image<br />
du patient en position de traitement, DGRT (dose-guided<br />
radiation therapy) sera l’ajustement du traitement fondé sur<br />
la dose déjà reçue par le patient.<br />
5. Conclusion<br />
Le système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong> s’est m<strong>ont</strong>ré d’une<br />
grande fiabilité au cours de cette période. Il a offert la possibilité<br />
d’effectuer plusieurs acquisitions consécutives sans jamais<br />
requérir un temps de refroidissement. La disponibilité d’une<br />
image 3D tomographique du patient en position de traitement<br />
immédiatement avant l’irradiation, a permis un niveau de vérification<br />
impossible à obtenir auparavant. Effectivement, certaines<br />
rotations, distorsions et évolution de l’anatomie étaient<br />
imperceptibles <strong>pour</strong> des images portales et devenaient évidentes<br />
lorsqu’observées en trois dimensions.<br />
En plus du positionnement du patient, le système MV<br />
<strong>CBCT</strong> a ouvert la voie à d’autres applications cliniques. Il permet<br />
facilement de suivre les changements anatomiques survenus<br />
durant les semaines de traitement et d’en évaluer l’impact<br />
dosimétrique. La grande pénétration du faisceau du système<br />
MV <strong>CBCT</strong> permet d’obtenir des images tomographiques <strong>pour</strong><br />
fin de planification en présence d’objets métalliques, tels les<br />
amalgames et implants dentaires, les clips chirurgicaux, les<br />
structures de soutien et notamment les prothèses de hanche.<br />
Les exemples présentés dans cet article s<strong>ont</strong> autant de faits<br />
qui laissent entrevoir les grandes possibilités d’applications cliniques<br />
des systèmes d’imagerie MV <strong>CBCT</strong>. Bien sûr, des études<br />
évaluatives et peut-être aussi des études randomisées<br />
devr<strong>ont</strong> venir valider l’amélioration de la précision de traitement<br />
afin de transformer cette étude en évidences cliniques.<br />
Mais déjà l’utilisation du système MV <strong>CBCT</strong> a augmenté le<br />
niveau de confiance de la fiabilité des traitements, ouvrant la<br />
porte à des approches thérapeutiques plus agressives.<br />
L’IGRT est le complément naturel, sinon essentiel de la<br />
RCMI. En effet, on <strong>pour</strong>rait être conduit à se demander comment<br />
la RCMI a pu être déployée sans l’IGRT.<br />
Remerciements<br />
La recherche et la mise en service clinique d’un nouveau<br />
système d’imagerie a nécessité la participation et la collabora-<br />
J. Pouliot et al. / Cancer/Radiothérapie 10 (2006) 258–268<br />
tion de toute l’équipe de radiothérapie. Nous voulons donc<br />
remercier tous les membres du département de l’<strong>UCSF</strong> <strong>pour</strong><br />
leur soutien. Des remerciements plus particuliers v<strong>ont</strong> aux cliniciens,<br />
les Drs Bucci, Speight, Gillis, Hansen et Roach III.<br />
Nous avons participé à l’installation et collaboré à toutes les<br />
étapes du développement du système d’imagerie MV <strong>CBCT</strong><br />
par Siemens Oncology Care Systems. Notre reconnaissance<br />
se dirige vers le Dr Ali Bani-Hashemi, ingénieur, et toute son<br />
équipe <strong>pour</strong> leur appui constant et les nombreuses discussions.<br />
Ce travail a <strong>été</strong> financièrement supporté par Siemens OCS.<br />
Deux des auteurs (OM, JFA) voudraient souligner un financement<br />
partiel de leurs études de doctorat venant du Conseil de<br />
recherche en sciences naturelles et en génie du Canada.<br />
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