Dépôt d'énergie de rayonnement ionisant dans des systèmes d'intérêt biologique : étude de la structure des traces des hadrons et applications en dosimétrie pour l'hadronthérapie

Energy deposition of ionizing radiation in biological systems of interest : study of hadron track structure and dosimetric application for hadrontherapy

• Auteur / Autrice : Verónica Belén Tessaro
• Direction : Michaël Beuve, Mariel Elisa Galassi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/09/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Universidad nacional de Rosario (Argentine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Jury : Président / Présidente : Alfonso San Miguel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michaël Beuve, Mariel Elisa Galassi, Claudia Montanari, Gustavo Santa Cruz, Sara Gonzalez, Roberto Rivarola
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudia Montanari, Gustavo Santa Cruz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Excitation électronique

Pouvoir d'arrêt (physique nucléaire)

Dosimétrie

Hadronthérapie

Mots clés libres

Hadronthérapie

Pouvoir d'Arrêt

Valeurs W

Hadrontherapy

Stopping Power

W Values

Résumé

L’objectif de cette thèse est l’étude de paramètres physiques d’intérêt en dosimétrie pour l’hadronthérapie. La dosimétrie de référence fournit une méthodologie pour déterminer la dose absorbée dans l’eau à l'aide de chambres d’ionisation. Pour convertir la lecture du dosimètre de l’air à l’eau, des paramètres physiques sont nécessaires, tels que le rapport de pouvoir d’arrêt de l’eau à l’air et les valeurs W dans l’air. Actuellement, l’incertitude sur leurs valeurs sont la première source d’incertitude sur la dose. Les données expérimentales des valeurs-W étant rares et son calcul théorique très complexe pour les ions rapides, les protocoles internationaux préconisent une valeur constante, quel que soit la qualité du faisceau. Pour étudier ce paramètre physique, une description détaillée des processus élémentaires et des méthodes de calcul sont nécessaires. Les chapitres 2 et 3 se focalisent sur les sections efficaces des processus inélastiques : l’ionisation simple et multiple et l’excitation électronique par l'impact des électrons et des ions. Le chapitre 4 décrit les codes de simulation Monte Carlo MDM et MDM-Ion utilisés et optimisés. Le chapitre 5 montre des valeurs théoriques des pouvoirs d’arrêt et des coefficients W des ions et électrons, en accord avec les données expérimentales ou les valeurs recommandées. A haute énergie, les valeurs W apparaissent constantes. Nous avons aussi démontré un impact significatif des processus d’excitation électronique et de l’émission Auger. L’écart observé avec les valeurs recommandées dans le domaine des basses et moyennes énergies suggère des études supplémentaires.

The aim of this thesis is the study of physical parameters of interest in reference dosimetry for ion radiation therapy, called hadrontherapy. Following international protocols as the TRS-398 IAEA, the reference dosimetry provide a methodology to determine the absorbed dose in water using ionization chambers. To convert the dosimeter lecture from air to liquid water conversion factors are required like the stopping power ratio of water to air and the W-values in air. Their study is relevance because they are the ones that contribute the most to uncertainties in physical dose determination. The W-values experimental data are scarce and theoretical calculations are very complex for swift ions, so international dosimetry protocols recommend constant values, regardless of the quality of the beam (charge and energy). To obtain this value with the highest accuracy, a detailed study of the physical processes and calculation methods are needed. In Chapters 2 and 3, the cross sections of all the physical processes of relevance in dose deposition are studied, this is: single and multiple ionization with post-colisional effect and electronic excitation for electron, proton and carbon ion projectiles. Chapter 4 describes the Monte Carlo codes: MDM and MDM-Ion, used and optimize to calculated the physical parameters. In Chapter 5 these parameters are calculated in detail with two methods: the Monte Carlo codes and the Continuous Slowing Down Approximation. Results show an independence with the charge, mass and energy of the projectile in the high-energy range. This behavior does not happen in the low-intermediate energy range so new research and experimental values are required.

El objetivo de esta tesis es el estudio de parámetros físicos de interés en la dosimetría de referencia para la hadronterapia. Siguiendo protocolos internacionales como el TRS-398 IAEA, la dosimetría de referencia proporciona una metodología para determinar la dosis absorbida en agua utilizando cámaras de ionización. Para convertir la lectura del dosímetro de aire a agua, factores de conversión son requeridos como la razón del poder de frenado en agua-aire y los valores W en el aire. Estos son los que más contribuyen a las incertezas en la determinación de la dosis física. Los datos experimentales de valores-W son escasos y su cálculo teórico es muy complejo para iones rápidos, por lo cual, los protocolos internacionales recomiendan valores constantes independientemente de la calidad del haz (carga y energía). Para obtener este valor con la mayor precisión posible, se necesita un estudio detallado de los procesos físicos y métodos de cálculo. En los Capítulos 2 y 3 se estudian las secciones eficaces de los procesos físicos relevantes en la deposición de dosis: ionización y excitación electrónica para impacto de electrones e iones. En el Capítulo 4 se describen los códigos Monte Carlo MDM y MDM-Ion, utilizados y optimizados para calcular los parámetros físicos. En el Capítulo 5, se presentan los resultados teóricos de poderes de frenado y valores-W para iones y electrones en agua y otros medios, en buen acuerdo con datos experimentales y recomendados. Los valores-W resultan independientes de la calidad del haz en el rango de altas energías. A energías intermedias y bajas esto deja de ser válido, por lo cual, nuevas investigaciones y valores experimentales son requeridos.