Caractérisation de détecteurs pour des systèmes de monitorage des faisceaux d'ions en hadronthérapie

Characterization of detectors for ion beam monitoring systems in hadrontherapy

• Auteur / Autrice : Oreste Allegrini
• Direction : Étienne Testa, Jean-Michel Létang, Denis Dauvergne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique médicale
• Date : Soutenance le 17/11/2022
• Etablissement(s) : Lyon 1
• 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 : Marie-Laure Gallin-Martel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Testa, David Brasse, Vincent Métivier, Anne-Marie Frelin, Nathalie Millard-Pinard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Brasse, Vincent Métivier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Médecine nucléaire

Cancer -- Thérapeutique

Cancer -- Radiothérapie

Hadronthérapie

Mots clés libres

Hadronthérapie

Contrôle en ligne

Temps de vol

Caméras gamma

Instrumentation

Simulation

Gammas prompts

Hadrontherapy

Online monitoring

Time of flight

Gamma cameras

Instrumentation

Simulation

Prompt gammas

Résumé

Les techniques de thérapie par les ions ont connu une expansion rapide dans les pratiques médicales durant ces deux dernières décennies. En effet, trois principales raisons rendent ce type de thérapie plus avantageux que la radiothérapie conventionnelle par rayons X. Le dépôt d'énergie significatif dans les quelques derniers millimètres du parcours des ions (« pic de Bragg ») produit des dommages importants aux cellules ciblées tout en préservant les cellules des tissus sains traversés et celles en aval de la position du pic de Bragg. De plus, la zone de diffusion latérale des faisceaux de particules chargées (de l'ordre de quelques millimètres FWHM) conduit à une pénombre plus fine que celle des faisceaux de rayons X. Cette pénombre, non souhaitée, peut être réduite en augmentant la masse des particules chargées. Enfin, l'hadronthérapie présente un intérêt en termes d'effets biologiques pour les ions plus lourds que les protons. La différence d'effet entre des ions lourds et des photons dans les milieux est due à la distribution de dose à l'échelle microscopique, qui est caractérisée par le transfert d'énergie linéique (TEL) des particules. Afin de comparer des particules de TEL différent, la notion d'Efficacité Biologique Relative (EBR) a été introduite. Les études de survie cellulaire ont montré que les particules de TEL élevé ont en général une EBR plus élevée dans le volume tumoral par rapport aux particules de faible TEL (rayons X). Cependant, bien que le profil de dose en profondeur des particules chargées offre de nombreux avantages cliniques, des incertitudes concernant la position du pic de Bragg existent. Dans ce contexte, des méthodes cliniquement applicables et des instruments sont en cours de développement pour contrôler, in vivo, le parcours des ions et les profils de dose avec une précision millimétrique à partir de la détection des rayonnements secondaires. Parmi ces développements, les projets CLaRyS-GaMedi et CLaRyS-UFT sont focalisés sur la mise au point de cameras dédiées à la détection des gamma prompts (PGs) avec mesures de temps de vol. Les principaux objectifs de cette thèse consistent à caractériser les détecteurs des systèmes CLaRyS et TEMPORAL avec leur chaîne d'acquisition ainsi qu'à améliorer le module de simulation GATE/Geant4 dédié à l'étude de systèmes de détection des PGs. Les performances de la caméra collimatée CLaRyS (absorbeur et collimateur), ainsi que celles d'une version réduite de l'hodoscope de faisceau, fait de fibres scintillantes, ont été évaluées lors de tests en faisceaux et ont montré des résultats encourageants. Cependant, les tests préliminaires de fonctionnement des détecteurs silicium du diffuseur de la caméra Compton menés en laboratoire n'ont pas permis d'effectuer la caractérisation de ces derniers. En dernier lieu, des tests avec l'ensemble des détecteurs connectés à la chaîne d'acquisition de système CLaRyS doivent encore être réalisés. En ce qui concerne le système TEMPORAL, sa caractérisation a été effectuée en laboratoire et des mesures en faisceau ont mis en évidence la capacité du système à acquérir des données hautement résolues en temps (»300 ps (σ)) et la possibilité d'une utilisation en configuration Compton. Enfin, une amélioration du module de simulation vpgTLE permettant de récupérer l'information temps de vol a été proposée et testée.

Ion beam therapy techniques have experienced a rapid spread in medical practices during the last years. Indeed, three main reasons make this type of therapy more advantageous than conventional radiotherapy (X-rays). The significant energy deposition in the few last millimeters of ion ranges (« Bragg peak ») produces severe damages to the targeted cells while sparing traversed healthy cells and the ones beyond the Bragg peak position. Furthermore, the lateral scattering area of charged particles (CP) beam (of the order of a few millimeters FWHM) leads to a penumbra which is smaller than the one of X-ray beams. This unwanted penumbra can be reduced by increasing the mass of the charged particle. Last, hadrontherapy provides benefits in terms of biological effects with ions heavier than protons. The difference between heavy ions and photons effect in media is due to the microscopic dose distribution, which is characterized by the Linear Energy Transfer (LET) of particles. In order to compare particles with various LET, the Relative Biological Efficiency (RBE) has been introduced. Cell survival studies have shown that high-LET particles have in general an increased RBE in the tumor volume with respect to low-LET particles. Although, the depth dose profile of CP offers many clinical advantages, uncertainties concerning the Bragg peak position currently exist. In this context, clinically applicable methods and instruments are under development to monitor, in vivo, ion-ranges and dose profiles with millimeter accuracy using secondary radiation detection. Among these developments, the CLaRyS-Gamedi and CLaRyS-UFT projects are focused on the development of cameras to perform prompt gammas (PGs) detection with TOF measurement. The main objectives of the PhD consist in characterizing both the CLaRyS and TEMPORAL detection systems with their data acquisition chain and improving the GATE/Geant4 simulation module dedicated to the study of PG detection systems. The performances of the CLaRyS collimated camera (absorber and collimator), as well as the ones of a small version of the beam tagging hodoscope made of scintillating fibers were assessed during in-beam tests and showed encouraging results. However, the preliminary in-lab operating tests of the silicon detectors associated to their front-end board did not allow to properly characterize the scatterer. Tests with the whole detectors connected to the CLaRyS data acquisition chain have still to be achieved. Concerning the TEMPORAL system, its characterization has been completed in laboratory and in-beam measurements have proven the capability of the system to acquire high resolved time data (»300 ps (σ)) and the possibility to use it in Compton camera configuration. Finally, an upgrade of the vpgTLE simulation module allowing to recover time-of flight information has been proposed and tested.