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L’irradiateur SARRP

​L'irradiateur SARRP (Small Animal Radiation Research Platform) est un système de micro-irradiation guidé par l’image, délivrant des rayons X de basse énergie, dédié au petit animal. A l’IRSN, il est utilisé pour effectuer des recherches précliniques sur les effets des irradiations sur les tissus sains et leur traitement. Il est plus particulièrement dédié aux domaines de la radiobiologie, des effets secondaires de la radiologie interventionnelle, des effets secondaires des fortes doses de rayonnements délivrés lors de certaines radiothérapies, notamment stéréotaxiques.

L’irradiateur SARRP

L’irradiateur SARRP

​L'irradiateur SARRP (Small Animal Radiation Research Platform) est un système de micro-irradiation guidé par l’image, délivrant des rayons X de basse énergie, dédié au petit animal. A l’IRSN, il est utilisé pour effectuer des recherches précliniques sur les effets des irradiations sur les tissus sains et leur traitement. Il est plus particulièrement dédié aux domaines de la radiobiologie, des effets secondaires de la radiologie interventionnelle, des effets secondaires des fortes doses de rayonnements délivrés lors de certaines radiothérapies, notamment stéréotaxiques.

Contexte des recherches sur le SARRP

L'une des missions de l'IRSN consiste à évaluer les risques associés à l’usage des rayonnements ionisants dans le domaine médical et en situation accidentelle. L'Institut conduit en ce sens des programmes de recherche, en partenariat avec des universités ou d'autres organismes de recherche français et étrangers :

sur la radiologie interventionnelle qui consiste à pratiquer des actes médicaux invasifs (ponctions, biopsies, chirurgies, etc.) réalisés sous guidage et sous contrôle de l’imagerie produite par des appareils de radiologie (radiographie, radioscopie) ; sur les effets secondaires potentiels des fortes doses délivrées lors des radiothérapies stéréotaxiques qui consistent à traiter des zones cancéreuses très localisées ;sur les syndromes d’irradiation accidentelle à fortes doses.

Pour étudier les mécanismes biologiques des tissus irradiés, l'IRSN s'est doté en 2015 d'un micro-irradiateur SARRP, appareil permettant des irradiations ciblées sur de petits animaux (rats, souris).


02danstexte-SARRP-Vue-generale-claire.jpg 

 

​Vue générale de l'irradiateur SARRP
(c) IRSN Médiathèque / Francesco Acerbis

Contexte des recherches sur le SARRP

Contexte des recherches sur le SARRP
​Vue générale de l'irradiateur SARRP
(c) IRSN Médiathèque / Francesco Acerbis

L'une des missions de l'IRSN consiste à évaluer les risques associés à l’usage des rayonnements ionisants dans le domaine médical et en situation accidentelle. L'Institut conduit en ce sens des programmes de recherche, en partenariat avec des universités ou d'autres organismes de recherche français et étrangers :

sur la radiologie interventionnelle qui consiste à pratiquer des actes médicaux invasifs (ponctions, biopsies, chirurgies, etc.) réalisés sous guidage et sous contrôle de l’imagerie produite par des appareils de radiologie (radiographie, radioscopie) ; sur les effets secondaires potentiels des fortes doses délivrées lors des radiothérapies stéréotaxiques qui consistent à traiter des zones cancéreuses très localisées ;sur les syndromes d’irradiation accidentelle à fortes doses.

Pour étudier les mécanismes biologiques des tissus irradiés, l'IRSN s'est doté en 2015 d'un micro-irradiateur SARRP, appareil permettant des irradiations ciblées sur de petits animaux (rats, souris).


02danstexte-SARRP-Vue-generale-claire.jpg 

 

Description de l’irradiateur

​Le SARRP est un micro-irradiateur guidé par l’image utilisant une source de rayonnements X classique (tube à rayons X, 30 – 225 kV), montée sur un bras isocentrique qui tourne à plus ou moins 180°et qui sert à la fois pour l’irradiation et l’image. En effet, grâce à un système d’imagerie disponible à l’intérieur de la cabine d’irradiation, il est possible :

de réaliser des images scanner du petit animal (rat, souris) avec une haute résolution (200 µm), de cibler une structure anatomique particulière de l’animal avec une précision de 0,2 mm via le système de planification de traitement Muriplan,et de délivrer le faisceau d’irradiation à cet endroit avec des tailles de champ allant de 0,5 mm de diamètre (collimateur circulaire) à 10 x 10 mm² (collimateur à champ carré).

Le SARRP offre la possibilité d’obtenir des coupes axiales, sagittales et coronales (reconstruction 3D de l’animal), en utilisant des doses beaucoup plus faibles qu'un scanner classique. Ces images sont ensuite utilisées pour la planification du traitement à l’aide du du logiciel Muriplan permettant d'adapter au mieux la distribution de dose de rayonnements ionisants à la région que l’on souhaite irradier et ainsi de mimer les conditions d’irradiation rencontrées lors de l’application des protocoles de radiothérapie cliniques.

​Bras d'irradiation isocentrique du SARRP, en cours de rotation autour d'un fantôme (objet représentatif en taille, en volume et en densité) d'un petit animal. Le collimateur d'irradiation (en doré) fixé sur le bras permet de réduire le champ d'irradiation à la taille souhaitée.
(c) IRSN Médiathèque / Francesco Acerbis 

Description de l’irradiateur

Description de l’irradiateur
​Bras d'irradiation isocentrique du SARRP, en cours de rotation autour d'un fantôme (objet représentatif en taille, en volume et en densité) d'un petit animal. Le collimateur d'irradiation (en doré) fixé sur le bras permet de réduire le champ d'irradiation à la taille souhaitée.
(c) IRSN Médiathèque / Francesco Acerbis 

​Le SARRP est un micro-irradiateur guidé par l’image utilisant une source de rayonnements X classique (tube à rayons X, 30 – 225 kV), montée sur un bras isocentrique qui tourne à plus ou moins 180°et qui sert à la fois pour l’irradiation et l’image. En effet, grâce à un système d’imagerie disponible à l’intérieur de la cabine d’irradiation, il est possible :

de réaliser des images scanner du petit animal (rat, souris) avec une haute résolution (200 µm), de cibler une structure anatomique particulière de l’animal avec une précision de 0,2 mm via le système de planification de traitement Muriplan,et de délivrer le faisceau d’irradiation à cet endroit avec des tailles de champ allant de 0,5 mm de diamètre (collimateur circulaire) à 10 x 10 mm² (collimateur à champ carré).

Le SARRP offre la possibilité d’obtenir des coupes axiales, sagittales et coronales (reconstruction 3D de l’animal), en utilisant des doses beaucoup plus faibles qu'un scanner classique. Ces images sont ensuite utilisées pour la planification du traitement à l’aide du du logiciel Muriplan permettant d'adapter au mieux la distribution de dose de rayonnements ionisants à la région que l’on souhaite irradier et ainsi de mimer les conditions d’irradiation rencontrées lors de l’application des protocoles de radiothérapie cliniques.

Vue sur l'irradiateur SARRP en cours de préparation avec, au premier plan, les collimateurs à fixer sur le bras d'irradiation. Les différents collimateurs permettent de délivrer des faisceaux d'irradiation avec des tailles de champ comprises entre 0,5 et 10 x 10 mm².
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis
Vue sur l'irradiateur SARRP en cours de préparation avec, au premier plan, les collimateurs à fixer sur le bras d'irradiation. Les différents collimateurs permettent de délivrer des faisceaux d'irradiation avec des tailles de champ comprises entre 0,5 et 10 x 10 mm².
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

​Acquisition des images scanner

L’acquisition des images scanner repose sur la technique « Cone Beam Computed Tomography » qui nécessite une source de rayonnements X conique, un détecteur plan et un système informatique pour traiter les images .

05danstexte-SARRP-imagerie.jpg 

Utilisation du SARRP en mode imagerie avec la source de rayonnements X à droite, le détecteur plan à gauche et la table de traitement où placer la souris au milieu.

 

Acquisition d'une image scanner du fantôme de petit animal (souris, rat) placé pour réaliser les contrôles de qualité. En arrière-plan et sur la droite, bras d'irradiation isocentrique avec sa source de rayonnements X conique. Sur la gauche, détecteur plan permettant l'acquisition d'images scanner de haute résolution (200 µm).
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis
Acquisition d'une image scanner du fantôme de petit animal (souris, rat) placé pour réaliser les contrôles de qualité. En arrière-plan et sur la droite, bras d'irradiation isocentrique avec sa source de rayonnements X conique. Sur la gauche, détecteur plan permettant l'acquisition d'images scanner de haute résolution (200 µm).
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

​Acquisition des images scanner

L’acquisition des images scanner repose sur la technique « Cone Beam Computed Tomography » qui nécessite une source de rayonnements X conique, un détecteur plan et un système informatique pour traiter les images .

05danstexte-SARRP-imagerie.jpg 

Utilisation du SARRP en mode imagerie avec la source de rayonnements X à droite, le détecteur plan à gauche et la table de traitement où placer la souris au milieu.

 

​Planification de l’irradiation pour le petit animal

Les images acquises permettent de planifier l’irradiation grâce au système de planification de traitement Muriplan. Fourni avec le SARRP, ce logiciel permet très rapidement de planifier la dose, de fusionner des images, d'effectuer le contourage de certains organes, de calculer les isodoses et de tracer les histogrammes dose-volume.

La planification de l’irradiation consiste à cibler un volume à l’intérieur de l’animal sur les images scanner et de définir la dose souhaitée d'irradiation à cet endroit. Le calcul de la distribution de dose est effectué dans le volume cible et les organes adjacents (ci-dessous). Chaque plan de traitement est unique et permet de cibler avec précision la région qu'il est nécessaire d'irradier.

06dans texte1-SARRP-planification.jpgSur une souris, planification d’un traitement et ses isodoses pour un traitement en Arc avec le collimateur de 3 x 3 mm².

06dans texte2-SARRP-planification.jpg 

Représentation 3D obtenue à la suite du contourage des poumons, du cœur et des os (fig. a), histogramme dose-volume pour le cœur et les poumons (fig. b) pour un traitement en arc avec le collimateur de 3 x 3 mm² (fig. c)

 

​Écrans d'acquisition et de guidage de l'irradiateur SARRP. Morgane Dos Santos, ingénieure-chercheuse au LRAcc, utilise pour cela le système de planification de traitement dédié : Muriplan.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis
​Écrans d'acquisition et de guidage de l'irradiateur SARRP. Morgane Dos Santos, ingénieure-chercheuse au LRAcc, utilise pour cela le système de planification de traitement dédié : Muriplan.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

​Planification de l’irradiation pour le petit animal

Les images acquises permettent de planifier l’irradiation grâce au système de planification de traitement Muriplan. Fourni avec le SARRP, ce logiciel permet très rapidement de planifier la dose, de fusionner des images, d'effectuer le contourage de certains organes, de calculer les isodoses et de tracer les histogrammes dose-volume.

La planification de l’irradiation consiste à cibler un volume à l’intérieur de l’animal sur les images scanner et de définir la dose souhaitée d'irradiation à cet endroit. Le calcul de la distribution de dose est effectué dans le volume cible et les organes adjacents (ci-dessous). Chaque plan de traitement est unique et permet de cibler avec précision la région qu'il est nécessaire d'irradier.

06dans texte1-SARRP-planification.jpgSur une souris, planification d’un traitement et ses isodoses pour un traitement en Arc avec le collimateur de 3 x 3 mm².

06dans texte2-SARRP-planification.jpg 

Représentation 3D obtenue à la suite du contourage des poumons, du cœur et des os (fig. a), histogramme dose-volume pour le cœur et les poumons (fig. b) pour un traitement en arc avec le collimateur de 3 x 3 mm² (fig. c)

 

​Autres types d’irradiation

Le SARRP est principalement dédié aux irradiations très localisées sur le petit animal. Cependant, en enlevant les collimateurs additionnels, il est possible d’obtenir des champs d’irradiation beaucoup plus grands (jusqu’à 12,5 x 12 ,5 cm² à l’isocentre), notamment pour les irradiations cellulaires.

Cet irradiateur est complémentaire des installations ALPHÉE (installation de type médical, de haute énergie) et MIRCOM (microfaisceau d’ions), notamment en termes d’énergie et de type de rayonnement utilisés à l'IRSN.

​Cellules endothéliales humaines placées dans l'irradiateur SARRP.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis
​Cellules endothéliales humaines placées dans l'irradiateur SARRP.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

​Autres types d’irradiation

Le SARRP est principalement dédié aux irradiations très localisées sur le petit animal. Cependant, en enlevant les collimateurs additionnels, il est possible d’obtenir des champs d’irradiation beaucoup plus grands (jusqu’à 12,5 x 12 ,5 cm² à l’isocentre), notamment pour les irradiations cellulaires.

Cet irradiateur est complémentaire des installations ALPHÉE (installation de type médical, de haute énergie) et MIRCOM (microfaisceau d’ions), notamment en termes d’énergie et de type de rayonnement utilisés à l'IRSN.

Recherches associées

​L'IRSN utilise l'irradiateur SARRP dans le cadre de plusieurs types de programmes de recherche expérimentale en radiobiologie.

Il contribue notamment aux recherches sur les effets secondaires possibles de la radiologie interventionnelle. Ce type de radiologie, qui consiste à pratiquer des actes médicaux invasifs réalisés sous guidage et sous contrôle de l’imagerie radiologique, peut présenter des effets secondaires de type brûlures radiologiques. L'IRSN cherche à mieux caractériser ce type de lésions pour pouvoir développer des traitements par thérapie cellulaire.

Le SARRP est également utilisé pour analyser finement les effets secondaires des fortes doses de rayonnements ionisants délivrées lors de certaines radiothérapies. Il s'agit d'étudier les effets des irradiations très localisées sur les organes sains environnant les tissus traités pour des pathologies cancéreuses. L'IRSN s'intéresse plus particulièrement aux dommages possibles aux poumons (en conditions stéréotaxiques), à la vessie et à l’os. Comme pour les effets de la radiologie interventionnelle, l'un des objectifs à moyen terme est de mieux comprendre les mécanismes de développement des lésions radio-induites aux tissus sains et de pouvoir développer des stratégies thérapeutiques notamment par thérapie cellulaire.

​Planification d’un traitement d'irradiation sur les poumons. Visualisation des isodoses à l’aide du logiciel Muriplan.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

Recherches associées

Recherches associées
​Planification d’un traitement d'irradiation sur les poumons. Visualisation des isodoses à l’aide du logiciel Muriplan.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

​L'IRSN utilise l'irradiateur SARRP dans le cadre de plusieurs types de programmes de recherche expérimentale en radiobiologie.

Il contribue notamment aux recherches sur les effets secondaires possibles de la radiologie interventionnelle. Ce type de radiologie, qui consiste à pratiquer des actes médicaux invasifs réalisés sous guidage et sous contrôle de l’imagerie radiologique, peut présenter des effets secondaires de type brûlures radiologiques. L'IRSN cherche à mieux caractériser ce type de lésions pour pouvoir développer des traitements par thérapie cellulaire.

Le SARRP est également utilisé pour analyser finement les effets secondaires des fortes doses de rayonnements ionisants délivrées lors de certaines radiothérapies. Il s'agit d'étudier les effets des irradiations très localisées sur les organes sains environnant les tissus traités pour des pathologies cancéreuses. L'IRSN s'intéresse plus particulièrement aux dommages possibles aux poumons (en conditions stéréotaxiques), à la vessie et à l’os. Comme pour les effets de la radiologie interventionnelle, l'un des objectifs à moyen terme est de mieux comprendre les mécanismes de développement des lésions radio-induites aux tissus sains et de pouvoir développer des stratégies thérapeutiques notamment par thérapie cellulaire.

Le SARRP est aussi utilisé pour étudier les effets des faibles doses de rayonnements (≤ 2 Gy). Les conséquences de ce type d’exposition sur les fonctions du cerveau ainsi que sur les mécanismes physiopathologiques associés sont étudiés grâce au développement de plusieurs modèles d’irradiation sur l’installation (irradiation très localisée de certaines sous-structures cérébrales et de la tête entière).

Enfin, l'irradiateur est utilisé par l'IRSN dans le cadre du programme ROSIRIS, dont l'objet est de mieux comprendre la relation causale entre les effets précoces et les effets tardifs des rayonnements ionisants sur l'organisme. La nature des dommages cellulaires radio-induits initiaux dépend de la manière dont l’énergie d’une particule ionisante se dépose au sein d’une cellule et donc des caractéristiques physiques de cette particule. Pour analyser ces dommages, l'une des voies de recherche consiste à établir des liens entre la modélisation biophysique des événements précoces radio-induits et leurs conséquences tardives au niveau moléculaire et cellulaire en étudiant la distribution, la signalisation et la réparation des dommages initiaux de l’ADN ainsi que la restauration de l’architecture de la chromatine en fonction du type de rayonnement ionisant.

Le SARRP offre une dosimétrie fiable et reproductible, avec actuellement (septembre 2017), une dizaine de protocoles de dosimétrie pour des irradiations in vitro disponibles, pour des tensions comprises entre 40 et 220 kV et des intensités comprises entre 2,5 et 27 mA.

Les expérimentations sont menées conformément aux procédures définies par les règles d’éthique régissant l’expérimentation animale.

Visualisation des sous-structures d'un cerveau de souris grâce à la superposition d'images scanner acquises à l'aide du SARRP et d'images IRM acquises sur une plateforme externe.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis
Visualisation des sous-structures d'un cerveau de souris grâce à la superposition d'images scanner acquises à l'aide du SARRP et d'images IRM acquises sur une plateforme externe.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

Le SARRP est aussi utilisé pour étudier les effets des faibles doses de rayonnements (≤ 2 Gy). Les conséquences de ce type d’exposition sur les fonctions du cerveau ainsi que sur les mécanismes physiopathologiques associés sont étudiés grâce au développement de plusieurs modèles d’irradiation sur l’installation (irradiation très localisée de certaines sous-structures cérébrales et de la tête entière).

Enfin, l'irradiateur est utilisé par l'IRSN dans le cadre du programme ROSIRIS, dont l'objet est de mieux comprendre la relation causale entre les effets précoces et les effets tardifs des rayonnements ionisants sur l'organisme. La nature des dommages cellulaires radio-induits initiaux dépend de la manière dont l’énergie d’une particule ionisante se dépose au sein d’une cellule et donc des caractéristiques physiques de cette particule. Pour analyser ces dommages, l'une des voies de recherche consiste à établir des liens entre la modélisation biophysique des événements précoces radio-induits et leurs conséquences tardives au niveau moléculaire et cellulaire en étudiant la distribution, la signalisation et la réparation des dommages initiaux de l’ADN ainsi que la restauration de l’architecture de la chromatine en fonction du type de rayonnement ionisant.

Le SARRP offre une dosimétrie fiable et reproductible, avec actuellement (septembre 2017), une dizaine de protocoles de dosimétrie pour des irradiations in vitro disponibles, pour des tensions comprises entre 40 et 220 kV et des intensités comprises entre 2,5 et 27 mA.

Les expérimentations sont menées conformément aux procédures définies par les règles d’éthique régissant l’expérimentation animale.

Caractéristiques

10danstexte-SARRP_caractéristiques.jpg

​​Ensemble des collimateurs qui peuvent être fixés sur le bras d'irradiation du SARRP. Ces différents collimateurs permettent de varier la taille du champ d'irradiation entre 0,5 de diamètre et une section carrée de 10 x 10 mm².
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

Caractéristiques

Caractéristiques
​​Ensemble des collimateurs qui peuvent être fixés sur le bras d'irradiation du SARRP. Ces différents collimateurs permettent de varier la taille du champ d'irradiation entre 0,5 de diamètre et une section carrée de 10 x 10 mm².
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis

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​Fantôme (objet représentatif en taille, volume et densité) placé dans le SARRP pour le contrôle qualité du ciblage. Sur le bras d'irradiation isocentrique, un collimateur d'irradiation (en doré) a été fixé pour réduire la taille du champ d'irradiation.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis 
​Fantôme (objet représentatif en taille, volume et densité) placé dans le SARRP pour le contrôle qualité du ciblage. Sur le bras d'irradiation isocentrique, un collimateur d'irradiation (en doré) a été fixé pour réduire la taille du champ d'irradiation.
(c) Médiathèque IRSN / Francesco Acerbis