Design study of a Compton camera for prompts-gamma imaging during ion beam therapy

par Marie-Hélène Richard

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Cédric Ray et de Jean-Michel Létang.

Soutenue le 04-09-2012

à Lyon 1 , dans le cadre de École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon .

  • Titre traduit

    Conception d'une caméra Compton pour le contrôle en ligne en hadronthérapie


  • Résumé

    L'hadronthérapie est une technique innovante de radiothérapie par ions carbone ou protons visant à améliorer les traitements actuels. La précision balistique accrue renforce la nécessité d'un contrôle du dépôt de dose, si possible en temps réel. Une manière de réaliser ce contrôle est de détecter avec une caméra Compton le gamma prompt émis lors des fragmentations nucléaires pendant l'irradiation du patient. Dans un premier temps, la géométrie de deux types de caméra Compton (double diffusion puis simple diffusion) a été optimisée par simulation Monte Carlo. Cette optimisation a été réalisée en étudiant la réponse des caméras à une source ponctuelle de photons avec un spectre en énergie réaliste. La réponse de la caméra optimisée à l'irradiation d'un fantôme d'eau par un faisceau d'ions carbone ou de protons a ensuite été simulée. Ces simulations ont tout d'abord été confrontées à des mesures effectuées avec un prototype de taille réduite. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour évaluer les taux de comptage dans les détecteurs attendus en conditions cliniques. Dans la configuration actuelle de la caméra, ces taux sont élevés et les phénomènes d'empilement risquent d'être problématiques. Enfin, il est démontré que le dispositif étudié est sensible à un déplacement du pic de Bragg de plus ou moins 5 mm malgré les problèmes de coïncidences fortuites et malgré le bruit introduit par l'algorithme de reconstruction utilisé.


  • Résumé

    Ion beam therapy is an innovative radiotherapy technique using mainly carbon ion and proton irradiations. Its aim is to improve the current treatment modalities. Because of the sharpness of the dose distributions, a control of the dose if possible in real time is highly desirable. A possibility is to detect the prompt gamma rays emitted subsequently to the nuclear fragmentations occurring during the treatment of the patient. In a first time two different Compton cameras (double and single scattering) have been optimised by means of Monte Carlo simulations. The response of the camera to a photon point source with a realistic energy spectrum was studied. Then, the response of the camera to the irradiation of a water phantom by a proton beam was simulated. It was first compared with measurement performed with small-size detectors. Then, using the previous measurements, we evaluated the counting rates expected in clinical conditions. In the current set-up of the camera, these counting rates are pretty high. Pile up and random coincidences will be problematic. Finally we demonstrate that the detection system is capable to detect a longitudinal shift in the Bragg peak of +or- 5 mm, even with the current reconstruction algorithm.


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