Soutenance de thèse Pierre Everaere: Contrôle en ligne en protonthérapie – Conception d’un moniteur de faisceau en technologie diamant et mise en œuvre d’une technique de détection de rayons gamma prompts adaptée aux faisceaux cliniques.

par Pierre Everaere (LPSC)

lundi 18 déc. 2023, 10:00 → 12:00 Europe/Paris

amphithéatre (lpsc)

Un des principaux atouts de l’hadronthérapie repose sur les excellentes propriétés balistiques des ions permettant de délivrer la dose prescrite au volume tumoral tout en épargnant mieux les tissus sains (en comparaison à la radiothérapie conventionnelle utilisant des photons). Le parcours des ions est cependant très sensible aux incertitudes de traitement et un système de vérification du parcours des ions permettrait de mieux exploiter les propriétés balistiques de l’hadronthérapie. Plusieurs systèmes de contrôle ont été proposés depuis quelques dizaines d’années, notamment des systèmes de détection des rayons gamma prompts (GP) qui sont émis lors de réactions nucléaires subies par une fraction des ions incidents et dont le profil d’émission est fortement corrélée au parcours des ions. L’objectif de cette thèse est de contribuer à l’amélioration des techniques de contrôles GP avec le développement de deux systèmes de détection : i) un hodoscope de faisceau avec une excellente résolution temporelle («1 ns) nécessaire pour les techniques GP utilisant une mesure précise de temps de vol ; ii) une nouvelle technique de détection GP adaptée aux intensités de faisceaux relativement élevées des synchro-cyclotrons de plus en plus utilisés dans les centres de protonthérapie (intensités crête de l’ordre du µA) : la technique “Prompt Gamma Energy Integral” (PGEI). Le moniteur de faisceaux basé sur la technologie diamant qui a été conçu est capable de fournir à la fois une information spatiale avec une résolution millimétrique et une information temporelle avec une résolution d’environ 100 ps (RMS) sur le passage de l’ion incident qui le traverse. Ce manuscrit présente en détail l’architecture complète du moniteur de faisceaux (volume actif et l’électronique associée). Il décrit la caractérisation en laboratoire du dispositif et statue sur les premières expériences sous faisceau de protons de 70 MeV qui ont permis d’évaluer les performances du dispositif en adéquation avec les exigences du cahier des charges. La technique PGEI proposée dans le cadre de cette thèse repose sur une mesure intégrale de l’énergie déposée dans un ensemble de détecteurs placés autour du patient pendant l’irradiation. L’utilisation d’une approche intégrale permet de maximiser la statistique de détection (détecteurs relativement proches du patient) malgré l’intensité élevée de faisceau qui conduit à un empilement des signaux dans les détecteurs. Cette méthode a tout d’abord fait l’objet d’une étude par simulation Monte Carlo avec le logiciel Gate (basé sur l’outil Geant4). Une sensibilité de l’ordre de quelques millimètres sur le parcours des protons a pu être obtenue avec 10^7 protons incidents et 8 détecteurs de 5 cm de rayon placés à 20 cm d’une cible sphérique en plastique. Ensuite, sur le plan expérimental, divers scintillateurs tels que le NaI, le BaF2 et le PbWO4 ont été caractérisés en laboratoire, puis testés avec différents types de faisceaux, notamment des protons et des particules alpha d’environ 70 MeV. Cela a permis de conclure quant à leur adéquation avec le principe de la méthode proposée et les performances de celles-ci en conditions expérimentales.