Conception d'un détecteur pour l'imagerie Gamma Prompt basé sur temps de vol

Design of a Time-Of-Flight based prompt-gamma imaging device

• Auteur / Autrice : Maxime Jacquet
• Direction : Marie-Laure Gallin-Martel, Sara Marcatili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique subatomique et astroparticules
• Date : Soutenance le 11/05/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Derome
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Joël Hérault, Corinne Goy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : David Sarrut, Dominique Yvon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hadronthérapie

Mots clés libres

Temps de vol

Hadronthérapie

Détecteur gamma

Diamant

SiPM

Cherenkov

Particle therapy

Time of flight

Gamma detector

Diamond

SiPM

Cherenkov

Résumé

Le travail de thèse réalisé s'inscrit dans les thématiques du projet TIARA visant l’amélioration du contrôle du parcours des hadrons lors du traitement d'un patient en hadronthérapie. Le projet propose de mesurer ce parcours au moyen de la reconstruction de la position d'émission des gamma prompts, particules secondaires générées par l'interaction de hadrons avec le tissu et dont les vertex sont corrélés à leurs parcours. La méthode de reconstruction qui est proposée (PGTI – Prompt Gamma Time Imaging) est basée sur la mesure exclusive du temps de vol du gamma prompt. Cette mesure de temps de vol sera réalisée à terme par le système de détection TIARA (Time of flight Imaging ArrAy). Le système de détection TIARA envisagé est composé d’une trentaine de modules de détection placés de manière homogène autour du patient. L'originalité du projet porte sur l’utilisation de petits cristaux Cherenkov (PbF2) couplés à des photomultiplicateurs au silicium (SiPM). La mesure de temps de vol est réalisée en coïncidence avec un moniteur faisceau dont la surface active est en diamant étiquetant chacun des hadrons qui le traverse.Le travail de thèse s’est articulé autour de la caractérisation, du développement et du traitement des données acquises d’un module de détection de gamma prompts, module dont les spécificités doivent répondre aux exigences du projet TIARA. Les performances de différents blocs de détection (résolution temporelle, résolution spectroscopique, bruit intrinsèque...) ont été évaluées en laboratoire et reproduites par des simulations incluant le trajet optique des photons Cherenkov. Les différentes campagnes de test ainsi que les simulations ont montré qu’il est possible de créer un module de détection bas bruit, à haute efficacité de détection tout en conservant une résolution temporelle inférieure à 235 ps FWHM lors de la détection d’un gamma prompt. D’autre part, il a été prouvé par simulation que la méthode de reconstruction PGTI estimait correctement le vertex du gamma prompt, et qu’une résolution temporelle de 235 ps FWHM associée à la détection de ~ 3 000 gamma prompts permettait de mesurer le parcours des protons avec une précision de 3 mm à un niveau de confiance de 2 sigma. Ces résultats sont à comparer avec la caractérisation expérimentale de la sensibilité du module de détection à la mesure du décalage du parcours des protons. Pour ce faire, différents prototypes de détecteur Cherenkov ont été testés sous faisceau de protons au Centre de protonthérapie Antoine Lacassagne de Nice. Le temps de vol des gamma prompts a été mesuré en coïncidence avec un moniteur faisceau en diamant. La résolution temporelle mesurée du module de détection en coïncidence avec le diamant est de ~ 250 ps FWHM, du même ordre de grandeur que celle considérée en simulation. La reconstruction du parcours des protons avec une telle résolution temporelle a permis de mettre en évidence expérimentalement un décalage mesurable du parcours des protons de 4 mm à 2 sigma avec seulement 600 gamma prompts détectés. Le travail de thèse réalisée ouvre ainsi la voie au développement d’un système de détection de gamma prompts dont la précision peut potentiellement aboutir à une mesure au millimètre près du parcours des protons.

The thesis work is carried out in the framework of the TIARA project (Time of flight Imaging ArRAy) aiming at the improvement of hadron range monitoring in hadrontherapy treatments. The project proposes to measure the hadron range by means of the reconstruction of the prompt gamma (PG) emission vertex. PG are secondary particles generated by the hadron beam whose vertexes are correlated to their range. The proposed reconstruction method (PGTI – for Prompt Gamma Time Imaging) is based on the exclusive measurement of the prompt gamma time of flight as obtained by the TIARA (Time of flight Imaging ArrAy) detection system. This system is composed of about thirty detection modules homogeneously arranged around the patient. The originality of the project consists in the use of a Cherenkov crystal (PbF2) coupled to silicon photomultipliers (SiPM). The time-of-flight measurement is realized in coincidence with a diamond based beam monitor , tagging each hadron passing through it.The thesis work covered the characterization, the development and the data processing of a prompt gamma ray detection module, whose specifications must meet the requirements of the TIARA project. The performances of different detection blocks (time resolution, spectroscopic resolution, intrinsic noise...) have been evaluated in laboratory and reproduced by simulations including an accurate model for the optical path of Cherenkov photons. The different test campaigns and simulations have shown that it is possible to build a low noise detection module, with high detection efficiency while maintaining a time resolution lower than 235 ps FWHM for prompt gamma detection. On the other hand, it has been proven by simulation that the PGTI reconstruction method correctly estimates the prompt gamma vertex, and that a time resolution of 235 ps FWHM associated with the detection of ~ 3,000 prompt gamma enables the measurement of the proton range with a 3 mm precision at a 2 sigma confidence level. These results have to be compared with the experimental characterization of the detection module sensitivity for a proton range shift measurement. For this purpose, different prototypes of Cherenkov detectors have been tested under proton beam at the Centre de protontérapie Antoine Lacassagne in Nice. The prompt gamma time of flight was measured in coincidence with a diamond beam monitor. The measured time resolution of the detection module in coincidence with the diamond is ~ 250 ps FWHM, in agreement with the value considered in simulations. The reconstruction of the proton range with such a time resolution enabled to experimentally measure a 4 mm proton range shift at 2 sigma with only 600 prompt gamma detected. This work paves the way to the development of a prompt gamma detection system whose accuracy can potentially lead to a measurement of the proton range with a millimetric precision.