Tout comme la chirurgie et la chimiothérapie, auxquelles elle est souvent associée selon une stratégie concertée, la radiothérapie est une arme essentielle dans le traitement du cancer.

Actions biologiques des radiations ionisantes
La radiothérapie utilise différents types de rayonnements dont la caractéristique commune est de produire des ionisations dans le milieu qu’ils traversent et de provoquer la mort cellulaire par atteinte de l’ADN (mécanisme le plus important).
La dose d’irradiation s’exprime en Gray (Gy) et traduit la quantité d’énergie absorbée par le milieu irradié ; 1 Gy représente une densité d’énergie de 1 J/kg soit, dans l’eau, une densité d’ionisation de 2.1014 ionisations par gramme.
Le facteur temps est fondamental en radiothérapie et il faut distinguer l’étalement (temps écoulé entre le début et la fin de l’irradiation) et le fractionnement (nombre de séances de traitement). La dose délivrée dans une tumeur n’a de sens que si elle est associée à un étalement et à un fractionnement. Ceci a pour but de permettre aux tissus sains de réparer les lésions sub-létales induites par l’irradiation entre 2 séances, ce que ne peuvent pas faire les tissus tumoraux. La marge est extrêmement faible entre les doses nécessaires pour la destruction de la tumeur et le surdosage pouvant provoquer des complications irréversibles au niveau des tissus sains.

Les complications
Toute irradiation entraîne souvent des réactions précoces généralement résolutives sous traitement symptomatique (érythème cutané, mucite, diarrhée, vomissement). Ces complications précoces doivent entraîner la mise en œuvre d’un traitement symptomatique efficace, et ne pas entraîner la suspension abusive du traitement.
Les complications tardives sont beaucoup plus rares mais également beaucoup plus graves. Elles surviennent des mois, voire des années après l’irradiation. Elles sont dues à des lésions de l’endothélium vasculaire et à la fibrose du tissu conjonctif. Elles sont étroitement liées à la dose et à l’importance du volume irradié. Citons : l’aplasie médullaire, la castration ou la stérilité, la fibrose pulmonaire, le grêle radique, et la redoutable para- ou tétraplégie en rapport avec une myélite radique… Ces complications graves doivent rester constamment à l’esprit de tout radiothérapeute lors de chaque traitement.
De ce fait, tout patient en cours d’irradiation nécessite une surveillance clinique et/ou biologique hebdomadaire. La surveillance de tout malade cancéreux a plusieurs buts :
-    dépister une récidive locale, ganglionnaire ou métastatique à distance ;
-    rechercher, évaluer et traiter les séquelles thérapeutiques ;
-    rechercher un second cancer.

Radiothérapie transcutanée
La source d’irradiation est à distance du malade, et la dose est alors distribuée de façon homogène dans le volume irradié.
Les appareils utilisés sont les accélérateurs linéaires  ou les cyclotrons (produisant les photons de 4 à 30 MV ou des électrons).
Le cobalt  utilisé depuis 1955 n'est plus autorisé en radiothérapie transcutanée. Les accélérateurs, d’énergie de 4 à 8 MV, ont les mêmes indications que celles qu'avait la cobalthérapie alors que ceux de 10 à 30 MV intéressent les tumeurs profondes du thorax, de l’abdomen et du pelvis.
Le traitement nécessite une préparation très soigneuse :
-    détermination du volume-cible (simulateur et/ou scanner dosimétrique) ;
-    détermination des caches (pour protéger les organes critiques) ;
-    choix de l’énergie ;
-    balistique des faisceaux (généralement avec l’aide du scanner dosimétrique) ;
-    dose totale, fractionnement et étalement ;
-    étude dosimétrique qui est réalisée par ordinateurs (et qui permettra de donner la dose précise en chaque point du volume traité).

Curiethérapie
Les sources radioactives sont au contact de la tumeur, et la dose est alors distribuée de façon non homogène (très élevée au contact des sources mais décroissant très rapidement).
Il faut distinguer la plésio-curiethérapie, où les sources sont placées dans des cavités naturelles (col de l’utérus, endomètre) de l’endo-curiethérapie, où les sources sont implantées dans la tumeur (sein, sphère ORL, canal anal...).
On utilise :
-    soit des sources d’Iridium 192 (fils, rayons gamma, 0,14 à 1,07 MV) dont la période est courte (74 jours) nécessitant un renouvellement fréquent des sources ;
-    soit des sources de Césium 137 (tubes, rayons gamma, 0,66 MV) dont la période est longue (30 ans) ;
-    soit encore divers radioéléments artificiels à vie courte tels que l'Iode 125.
La mise en place des guides (ou préparation non radioactive) se fait généralement sous anesthésie générale. Elle précède la mise en place du matériel radioactif (ou phase active). Le débit des sources radioactives permet de distinguer la curiethérapie bas-débit (durant généralement plusieurs jours chez un patient hospitalisé) et la curiethérapie haut-débit (durant quelques minutes chez un patiente souvent en ambulatoire).

Conclusion
Le but essentiel de la radiothérapie, quel que soit ses modalités, est d’assurer un contrôle local ou locorégional des processus tumoraux. Elle peut être curative ou palliative, en association ou non avec une chimiothérapie ou une chirurgie.

La radiophysique
Travaillant en étroite collaboration avec les radiothérapeutes, le physicien est l'interface entre le médecin et son patient dans l'établissement technique d'un traitement par radiothérapie et son suivi.
Il est aussi le garant de la fiabilité et de la pérennité des appareils de traitement et de simulation.
Au niveau des équipements, l'unité de physique a en charge :
-    la métrologie des appareils de traitement ;
-    le contrôle de qualité de l'ensemble du matériel du plateau technique ;
-    la radioprotection ;
-    l'étude, la recherche et le développement de nouveaux matériels.
Sa participation au traitement du patient concerne :
-    l'ensemble de l'étude dosimétrique ;
-    le contrôle de qualité des traitements réalisés ;
-    la conception et la mise en œuvre de nouvelles techniques d'irradiation.

Etude du plan de traitement
L'étude dosimétrique du traitement est réalisée sur des ordinateurs dédiés (Systèmes de Planification des Traitements [SPT]) et utilise les outils les plus récents de l'imagerie médicale pour définir les données de l'irradiation - objectifs et contraintes - à partir desquelles la distribution de doses dans l'organisme est optimisée.
Le repérage précis du volume à irradier et des organes sensibles est réalisé sur SPT à partir des images issues du scanner qui permettent, après un traitement mathématique, de les visualiser en 3 dimensions.
Ces données servent de base à l'optimisation de la géométrie de l'irradiation et conduisent à une radiothérapie de conformation qui adapte la forme des faisceaux d'irradiation à celle de la tumeur.
L'analyse quantitative et qualitative de la répartition des doses dans l'organisme est faite par le calcul en tenant compte des hétérogénéités du milieu. La distribution de dose autour de la tumeur est visualisée en 3D.
Après validation par le médecin et le physicien, les paramètres de l'irradiation sont transmis à l'appareil de traitement. Le plus récent de nos accélérateurs, Primus, est directement piloté à partir des consignes provenant de l'un de nos systèmes de planification des traitements. Le Centre René Huguenin est le premier site à avoir mis en place ce type de réseau afin d'atteindre un maximum de fiabilité.
La vérification du traitement est faite, en temps réel, par un système de "Beam Eye View" qui donne une image du champ d'irradiation, superposée à l'image "radiologique" de la région irradiée.
Suivant la localisation et la complexité du traitement des mesures in vivo sont réalisées au moyen de détecteurs capables de donner une réponse immédiate (semi-conducteurs) ou quasi-immédiate (dosimètres thermoluminescents).

Traitement par radiothérapie
Un traitement de radiothérapie peut être réalisé de différentes façons : (1) en utilisant des rayonnements émis par des appareils tels que les "bombes au cobalt" ou les accélérateurs linéaires de particules, il s'agit dans ce cas d'une radiothérapie transcutanée ; (2) ou en introduisant des sources radioactives dans l'organisme, il s'agit alors d'une curiethérapie.
La curiethérapie peut être effectuée avec des sources de différentes natures (césium, iridium ...), introduites dans des cavités naturelles (curiethérapie gynécologique, bronchique ...), à bas ou haut débit de dose. Il s'agit de curiethérapies endo-cavitaires.
Les sources radioactives peuvent également être implantées dans la tumeur, il s'agit de curiethérapie interstitielle.

Appareils de traitement
La radiothérapie transcutanée dispose d'un choix d'installations qui permet d'adapter le type de rayonnements et l'énergie à la région à irradier.
La bombe au cobalt émet un rayonnement gamma moyennement pénétrant, utilisé pour des tumeurs relativement peu profondes.
Les accélérateurs linéaires de particules produisent, à l'origine, des faisceaux d'électrons peu pénétrants, adaptés aux lésions superficielles mais ces faisceaux d'électrons peuvent être transformés en rayonnement X de freinage très pénétrant, réservés aux tumeurs profondes.
Simulation
L'appareil de simulation aide à la préparation du traitement. Il permet de délimiter par radiographie la région à irradier et, reproduisant tous les positionnements de l'appareil de traitement, il simule les faisceaux d'irradiation.
Le Centre René Huguenin possède actuellement un simulateur scanner permettant de définir les volumes à irradier en 3 dimensions.

La métrologie
La métrologie des appareils de traitement concerne l'étalonnage des faisceaux de rayonnement. Ce dernier consiste principalement à établir la correspondance entre la fluence de rayonnement émis par les appareils de traitement et la dose délivrée au patient. Il est réalisé par la mesure physique des phénomènes produits par les rayonnements dans la matière. Les détecteurs utilisés sont donc susceptibles de mesurer ces phénomènes suivant leur nature, à titre d'exemple, on utilise des chambres d'ionisation pour les phénomènes d'ionisation, des dosimètres thermoluminescents pour les phénomènes d'excitation, des émulsions photographiques …

Le contrôle de qualité
Le contrôle de qualité de l'ensemble du matériel du plateau technique consiste à vérifier périodiquement les performances des appareils. Il est accompagné de maintenances préventives.

La radioprotection
La radioprotection gère les dangers liés à l'utilisation de générateurs et de sources de rayonnement, ainsi qu'à celle des substances radioactives. Elle veille au respect des consignes de sécurité et assure la surveillance des installations et des personnels soumis à risque.

Planification des traitements SPT
Les Systèmes de Planification des Traitements sont des ordinateurs dédiés aux études des plans de traitement.
Ils permettent :
-    de reconstruire et de modéliser l'anatomie du patient à partir d'images issues du scanner ;
-    de simuler les faisceaux d'irradiation en fonction de la situation de la tumeur et de son environnement anatomique ;
-    d'optimiser la géométrie de l'irradiation et la répartition des doses.

L’imagerie médicale
Les études sont actuellement effectuées à partir d'images issues du scanner et l'on envisage, pour certaines localisations, de fusionner les images provenant de différentes sources - scanner et système d'Imagerie par Résonance Magnétique Nucléaire.

Optimisation de la géométrie de l’irradiation
La géométrie de l'irradiation fixe le nombre, l'incidence, l'intensité et la forme des faisceaux utilisés pour atteindre la tumeur en épargnant les organes sensibles situés à proximité. Son optimisation est réalisée sur les systèmes de planification des traitements par simulation virtuelle à partir d'une modélisation informatique des structures anatomiques.

Radiothérapie conformationnelle
La radiothérapie conformationnelle adapte la distribution de la dose à la forme et au volume de la tumeur.
Ceci est rendu possible grâce à la nouvelle génération des accélérateurs linéaires à collimateur multi-lames.

Réseau
Le réseau conçu par le département de radiothérapie du Centre René Huguenin intègre les transferts : des données scanner sur le système de planification des traitements, puis, après étude dosimétrique, des paramètres du traitement sur la console de commande de l'accélérateur avec positionnement automatique des lames du collimateur multi-lames. Le réseau SYSRAD gère et contrôle les doses délivrées au patient et par transfert inverse d'informations, de l'accélérateur à une console informatique dédiée aux médecins, sur laquelle ils peuvent visualiser la fiche de traitement et l'ensemble des images du dossier patient, notamment l'image du champ d'irradiation acquise en temps réel.

La curiethérapie
Par curiethérapie, on entend la méthode de traitement par les radiations ionisantes émises par des sources radioactives placées à proximité de la tumeur à détruire, soit à la surface du corps pour des tumeurs superficielles, soit dans une cavité naturelle telle que le vagin ou l'utérus, soit encore sous forme d'aiguilles ou fils insérés dans la tumeur.
Les débuts de la curiethérapie ont suivi de peu la découverte du polonium  puis du radium en 1898 car dès que Pierre et Marie Curie eurent constaté les effets sur les tissus vivants du rayonnement émis par le radium, des applications médicales furent mises en œuvre, visant en particulier à détruire les tumeurs cancéreuses. C'est en 1909 que fut créé l'Institut du Radium.
Jusqu'en 1936, le radium resta la seule source de rayonnement utilisée parallèlement aux rayons X découverts en 1895 par Roentgen. La  découverte de la radioactivité artificielle par Irène et Frédéric Joliot-Curie permit, en 1936, d'utiliser un premier radioélément artificiel -le phosphore 32- dans le traitement des leucémies. Dès 1940, l'iode radioactif 131 fut utilisé dans l'étude et le traitement des maladies thyroïdiennes.
Les applications de la radioactivité furent  limitées  pendant 40 ans à la curiethérapie superficielle, interstitielle (aiguillage) ou endo-cavitaire grâce au Radium ainsi qu'à un début de curiethérapie métabolique par le P32 et l'  I131.
Le radium fut d'un grand intérêt, en particulier dans le traitement des cancers de l'utérus mais son grave inconvénient tenait au fait qu'il se présentait sous forme de cristaux enfermés dans des tubes scellés et que sa désintégration produisait du radon, corps radioactif gazeux donc dangereux si le tube présentait une fissure. Par ailleurs, sa période (demi-vie) de 1622 ans rendait l'utilisation du  radium particulièrement critique en cas de perte d'un tube ou d'une aiguille plus fragile encore que les tubes de platine.

Les années 50 virent apparaître deux radioéléments artificiels d'un intérêt majeur : le cobalt 60 et le césium 137.
Le cobalt 60 est un métal, sa période est de 5,27 années et il émet un rayonnement gamma légèrement supérieur à 1 MeV. L'apparition sur le marché des "bombes au cobalt" a entraîné la disparition des appareils classiques de radiothérapie transcutanée (c'est-à-dire émettant un rayonnement X dirigé vers la tumeur à travers la peau). Il est intéressant de remarquer que ces appareils de cobalthérapie des années 50 ont disparu progressivement au profit des nouveaux appareils générateurs de rayons X (ou d'électrons) de haute énergie que sont les accélérateurs linéaires ou autres bêtatrons.
Le césium 137 est lui aussi un métal, sa demi-vie est de 30,7 années avec un rayonnement gamma de 660 KeV; son intérêt réside dans le fait qu'il est un sous-produit de la réaction nucléaire de fission de l'uranium alors que la production de cobalt 60 demande l'immobilisation d'une "alvéole" de pile atomique pendant un temps proportionnel au niveau de radioactivité demandé.
Indépendamment de l'utilisation de ces deux corps radioactifs artificiels dans des "bombes" de radiothérapie transcutanée de "haute énergie" venant remplacer avantageusement les classiques "appareils à 200 Kilovolts", le Co60 et le Cs137 peuvent être conditionnés en sources quasi ponctuelles - grains ou fils- utilisables en curiethérapie endo-cavitaire ou "interstitielle" (c'est-à-dire insérés dans et autour de la tumeur).

Un autre radioélément artificiel est venu s'imposer en curiethérapie: l'iridium 192. Ce radioélément artificiel a pratiquement toutes les qualités requises par la curiethérapie: c'est un métal extrêmement résistant (plus dur que le platine) couramment conditionné en fils ; sa demi-vie de 73,83 jours est à la fois suffisamment longue pour que les fils reçus du centre nucléaire qui "active" les fils d'iridium stable soient utilisables pendant plusieurs jours sans décroissance gênante, et suffisamment courte pour que la perte d'un fil ne soit pas réellement catastrophique, la radioactivité émise étant pratiquement nulle au bout de 10 périodes, c'est-à-dire environ deux ans.
L'iridium 192 émet un rayonnement β de 672 KeV aux effets destructeurs sur les premiers millimètres de tumeur et un rayonnement γ d’une énergie de 316 KeV donc d’une bonne efficacité sur le plan de la pénétration tout en permettant une protection relativement facile.

Par ailleurs, ces trois radioéléments conditionnés soit en fils, soit en grains, permettent la technique dite de "l’afterloading", c’est-à-dire du chargement différé dans des applicateurs réalisés "sur mesure". Cette technique permet non seulement une protection totale de l’environnement médical mais autorise également la réalisation d’une étude parfaite de la dose de rayonnement délivrée, des fils "fantômes" non radioactifs étant mis en place permettant une simulation la plus précise possible. Les utilisations majeures de l’iridium 192 en cancérologie sont les cancers de l’utérus (col et endomètre), du sein et de la prostate. Le cancer de la prostate bénéficie maintenant de la mise au point d’un autre radioélément : l’iode 125 ayant une demi-vie de 60 jours et émettant un rayonnement γ de faible énergie (0,035 MeV).