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Description
Développement et caractérisation d'un système de détection rapide dédié à l'imagerie gamma par temps de vol
Ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du contrôle en ligne de la protonthérapie. La protonthérapie est une technique de radiothérapie basée sur l’irradiation des tumeurs cancéreuses par un faisceau de protons. Elle permet une plus haute précision balistique que la radiothérapie conventionnelle, utilisant des rayons X, grâce à la distribution en profondeur du dépôt de dose des protons qui est maximale à la fin de leur parcours ("pic de Bragg"). Cette haute balistique permet d’épargner les tissus sains environnant la tumeur, mais rend également le traitement plus sensible à d’éventuelles erreurs induites par exemple par des incertitudes anatomiques ou de positionnement du patient. Afin de vérifier la conformité des traitements de protonthérapie et d’en améliorer la précision, il est donc primordial de développer un système de contrôle en ligne du parcours des protons. Ce contrôle en ligne peut être réalisé par la détection de particules secondaires générées après interactions nucléaires des protons dans la zone irradiée. Une particule d’intérêt pour cette application est le gamma prompt (PG pour Prompt Gamma), dont l’émission présente la particularité d’être à la fois spatialement et temporellement corrélée au dépôt de dose. Dans ce contexte la méthode d’imagerie Prompt Gamma Time Imaging (PGTI) propose de reconstruire le profil d’émission des PG grâce à une mesure exclusive de temps de vol. Ce temps est mesuré entre un moniteur faisceau, placé en amont du patient, mesurant le temps de passage des protons, et des détecteurs PG placés autour de la région d’intérêt. La résolution temporelle en coïncidence du système de détection, nommé TIARA (pour Time of flight Imaging ARrAy), est de 100 ps σ, permettant d’envisager une précision millimétrique sur le parcours des protons reconstruit. Le moniteur faisceau est composé d’un scintillateur plastique tandis que le détecteur PG est basé sur un radiateur Cherenkov pur (PbF2), tous deux lus par des photomultiplicateurs en silicium (SiPMs).
Cette thèse porte sur la réalisation d’une première version du système de détection, composée d’un moniteur et de huit détecteurs PG, et l’évaluation de ses performances pour l’application PGTI. Pour cela, les détecteurs ont été développés et testés en laboratoire puis caractérisés lors de campagnes expérimentales sous différents accélérateurs cliniques (au Centre Antoine Lacassagne de Nice et au Centro Nazionale di Adroterapia Oncologica à Pavie, en Italie). Des simulations Monte Carlo ont également été réalisées sous Geant4 afin de quantifier l’efficacité de détection du système, ainsi que d’évaluer sa sensibilité au bruit venant d’autres particules atteignant les détecteurs, comme des protons diffusés. Enfin, une toute première mesure expérimentale de l’irradiation d’une tête de fantôme anthropomorphique a été réalisée. Elle a permis de valider la capacité du système TIARA, grâce à son excellente résolution temporelle, à détecter un changement anatomique avec la méthode PGTI.
