Dosimétrie in vivo pour la radiothérapie synchrotron

par Nicolas Rosuel

Projet de thèse en Physique appliquee

Sous la direction de Jean-François Adam et de Denis Dauvergne.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Rayonnement Synchrotron et Recherche Médicale (laboratoire) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    L'imagerie par rayonnement a montré d'importants avantages en terme de radiothérapie externe, en comparaison du rayonnement X conventionnel, pour l'élargissement de la fenêtre thérapeutique. La première étude clinique (étape 1/2) de radiothérapie par rayonnement synchrotron a été effectuée à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) sur 15 patients pour montrer la faisabilité et la sécurité de la méthode. Vu que la radiothérapie par synchrotron est encore en phase de conception, elle requiert un développement méthodologique et physique approfondi. La question de la dose délivrée en temps réelle dans la cible et les organes à risque est particulièrement difficile pour la radiothérapie synchrotron et n'a pas encore été abordée. Description du projet: • Recherche de nouvelles approches pour les détecteurs de fluence dans le cas d'un faisceau synchrotron à haut débit de dose, basées sur les détecteurs diamant développés au LPSC (laboratoire de physique subatomique et cosmologie). Une technique de dosimétrie in vivo en temps réel sera proposée en utilisant ce détecteur et le faisceau transmis pendant le traitement. Cette technique de dosimétrie dite de transit sera adaptée aux spécificités de la radiothérapie par rayonnement synchrotron en termes de propriétés balistiques et de faisceau. • Réaliser une validation expérimentale de cette nouvelle technique de dosimétrie in vivo dans le cadre d'irradiations fantômes ( Cuve à eau et fantôme anthropomorphique) ou sur le petit animal. La première étude de faisabilité in vivo sera également réalisée sur des rongeurs. Les résultats de cette dosimétrie in vivo seront comparés aux résultats obtenus pendant cette expérience par la planification du traitement et aux indices de qualité de traitement. Le doctorant prendra en charge l'étude, le développement, la caractérisation et le benchmarking des détecteurs diamant utilisés pour la dosimétrie de transit dans les programmes de radiothérapie par rayonnement synchrotron à haut débit de dose. Il sera également responsable du développement du programme de reconstruction de dose basé sur les données du détecteur recueillies pendant le traitement. La première étape du projet consiste à effectuer des simulations de Monte Carlo et des tests préliminaires pour optimiser la conception du détecteur et caractériser sa réponse dans les faisceaux synchrotron. Cette étape est obligatoire pour concevoir les spécifications de la géométrie finale que ce soit en termes de lecture spatiale ou en ce qui concerne la puce d'intégration. Une fois que l'électronique dédiée (ASIC) est disponible et assemblée sur une carte connectée au détecteur de bande de diamant, un premier prototype 1D sera testé pour des applications de dosimétrie in vivo dans des faisceaux larges et fractionnés spatialement. Des campagnes d'expérimentation seront conçues par le doctorant et réalisées pour caractériser le détecteur, évaluer ses performances en matière de dosimétrie et acquérir les données pertinentes pour calibrer le détecteur en dose dans l'eau. Dans le même temps le doctorant adaptera le modèle de dosimétrie portal (transit) pour récupérer la dose dans le patient depuis le signal du détecteur diamant, en utilisant des méthodes de rétroprojection dédiées basées sur des données de patient obtenues à partir de scanner de dosimétrie. Enfin, le doctorant participera à des études de bout en bout sur des petits animaux et des fantômes de taille humaine afin de valider l'ensemble de la chaîne de dosimétrie in vivo. S'il reste du temps, la dernière partie de la thèse portera sur la modélisation de la présence du détecteur dans le faisceau en amont du patient pour voir s'il pourrait être utilisé comme détecteur de transmission capable de surveiller la fluence entrante et de gagner encore plus de précision sur le protocole de dosimétrie in vivo. En ouverture sur les développements futurs, le doctorant étudiera également par des simulations Monte Carlo, la faisabilité de développer une version 2D du détecteur. Cela serait particulièrement intéressant pour diffuser la technique en dehors du monde synchrotron où les faisceaux sont déjà en forme de 2D.

  • Titre traduit

    In vivo dosimetry for synchrotron radiotherapy


  • Résumé

    Besides conventional x-ray radiation sources, synchrotron radiation has proven to offer significant advantages in external beam radiotherapy for further widening the therapeutic window. The first phase I/II clinical study of Synchrotron Radiotherapy ever realized has recently been performed on 15 patients at the ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) to show the feasibility and safety of the technique. As synchrotron radiotherapy is still in its conception phase, it obviously requires extensive methodological and medical physics development. The question of in vivo dosimetry -the real-time assessment of the true dose delivered to the target and organ at risk during the treatment is particularly challenging for synchrotron radiotherapy and has not been addressed so far. Description of the project: • Investigating new approaches for high dose rate synchrotron beam fluence detectors, based on diamond detectors developed at the LPSC (laboratoire de physique subatomique et cosmologie). A Real time in vivo dosimetry technique will be proposed using this detector and the transmitted beam during treatment. This so-called transit dosimetry technique will be adapted to the synchrotron radiotherapy specificities in terms of ballistic and beam properties. • Performing the experimental validation of this new in vivo dosimetry technique in the frame of phantom irradiations: water phantoms and anthropomorphic or small animal phantoms. The first end-to-end in vivo feasibility study will also be performed on rodents. The in vivo dosimetry results will be compared to treatment planning and treatment quality indexes will be derived from these experiments. The recruited PhD student will take in charge the study, development, characterization and benchmarking of the diamond detectors that will be used for transit dosimetry in high dose rate synchrotron radiotherapy programs. He/she will also be in charge of the development of the dose reconstruction program based on the detector data collected during the treatment. The first step of the project is to perform Monte Carlo simulations and preliminary tests to optimise the design of the detector and characterize its response in synchrotron beams. This step is mandatory to design the specifications of the final geometry in terms of spatial readout, and of the integration chip. Once the dedicated electronics (ASIC) is available and assembled on a board connected to the diamond strip detector, a first 1D prototype will be tested for in vivo dosimetry applications in broad and spatially fractionated beams. Experiments campaigns will be designed by the PhD candidate and performed to characterize the detector, evaluate its performances for dosimetry and acquire the relevant data to calibrate the detector in dose to water. In the same timeframe, the PhD candidate will adapt portal (transit) dosimetry models to retrieve the dose in patients from the diamond detector signal, using dedicated retroprojection methods based on a priori patient data obtained from the dosimetry CT. Finally, the PhD candidate will participate to end-to-end studies in small animals and in human size phantoms in order to validate the whole in vivo dosimetry chain. If there is time remaining, the last part of the PhD will be focused on modelling the presence of the detector in the beam upstream from the patient to see if it could be used as a transmission detector able to monitor the incoming fluence and gain even more precision on the in vivo dosimetry protocol. As opening on future developments, the PhD candidate will also study by Monte Carlo simulations, the feasibility to develop a 2D version of the detector.