Estimate of neutron secondary doses received by patients in proton therapy : cases of ophtalmologic treatments

Estimation des doses dues aux neutrons secondaires reçues par les patients en protonthérapie : cas des traitements ophtalmologiques

• Auteur / Autrice : Florent Martinetti
• Direction : Joël Hérault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique médicale
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie

Dosimétrie

Protonthérapie

Résumé

Les travaux de recherche menés au cours de cette thèse ont eu pour objet d’évaluer les doses dues aux neutrons secondaires reçues par les organes du patient situés en dehors du champ de traitement. L’étude a été axée sur le cas des traitements ophtalmologiques réalisés à l’Institut Curie – centre de Protonthérapie d’Orsay (ICPO). En premier lieu, un modèle de la ligne de faisceau de 75 MeV utilisée pour ces traitements à Orsay a été développé avec le code de calcul Monte Carlo MCNPX. Dans un second temps plusieurs validations expérimentales du modèle ont été mises en œuvre. Elles concernent : (i) la distribution de dose des protons dans un fantôme d’eau, (ii) l’équivalent de dose ambiant dû aux neutrons secondaires, H*(10), ainsi que les spectres neutroniques dans la salle de traitement, et (iii) les doses déposées par les neutrons secondaires dans un mannequin anthropomorphe. L’accord entre les simulations et les mesures a été jugé suffisamment correct pour considérer le modèle de la ligne de traitement comme représentatif du faisceau utilisé en clinique à l’ICPO. L’estimation numérique des doses secondaires reçues par les organes du patient a été réalisée à l’aide d’un fantôme mathématique de type MIRD. Les doses absorbées dues aux neutrons secondaires ont été calculées pour plusieurs organes. Les valeurs les plus élevées, estimées au niveau de l’œil non traité, du cerveau et de la thyroïde, sont respectivement égales à 800, 310 et 235 µGy pour un traitement de 60 Gy équivalent 60Co délivrés à l’œil. Les organes recevant une dose équivalente supérieure à 1 mSv sont ceux situés sur la partie antérieure du corps, directement exposée aux neutrons générés dans la ligne de traitement. Un facteur 10 sur la dose équivalente est observé entre les organes situés à proximité de la zone traitée et ceux plus profond et éloignés du champ de traitement. L’utilisation du concept de dose efficace s’avère peu adapté pour caractériser la protection radiologique du patient en protonthérapie.

The research work conducted during this thesis was to evaluate the neutrons secondary doses received by the organs of the patient outside the treatment field. The study focused on cases of eye treatments performed at the Institut Curie – Centre de Protonthérapie d’Orsay (ICPO). First, a model of the 75 MeV beam line used for the treatments at Orsay has been developed with the Monte Carlo code MCNPX. In a second time, several experimental validations of the model have been performed. They are: (i) the dose distribution of protons in a water phantom, (ii) the ambient dose equivalent due to secondary neutrons, H*(10) and the neutron spectra in the treatment room and (iii) the dose deposited by secondary neutrons in an anthropomorphic phantom. The agreement between simulations and measurements has been deemed sufficiently correct to consider the beam line model as representative of the beam used in clinics et the ICPO. The numerical estimation of secondary doses received by the organs of the patient was performed using a mathematical phantom type MIRD. The absorbed doses due to secondary neutrons were calculated for several organs. The highest values, estimated for the non treated eye, brain and thyroid, are respectively equal to 800, 310 and 235 μGy for a therapeutic dose of 60 GyE (60Co equivalent) delivered to the eye. The organs receiving an equivalent dose greater than 1 mSv are those located on the anterior part of the body directly exposed to neutrons generated in the beam line. A factor of 10 on the equivalent dose is observed between the organs located near the treated area and those located deeper and far from the treatment field. Using the concept of effective dose is not well adapted to characterize the radiological protection of patients in proton therapy.