(1) Centre Régional François BACLESSE, Unité de Radiophysique - BP 5026 - 14076 CAEN cedex(2) Laboratoire de Physique Corpusculaire, ISMRA, bd Maréchal JUIN - 14050 CAEN cedex(3) ELDIM S.A. 1185 rue d’EPRON - 14200 HEROUVILLE SAINT-CLAIR

CENTRE FRANÇOIS BACLESSE

CARTOGRAPHIE DES FAISCEAUX DE CARTOGRAPHIE DES FAISCEAUX DE RADIOTHÉRAPIE PAR SCINTILLATEUR RADIOTHÉRAPIE PAR SCINTILLATEUR

PLASTIQUE ET CAMÉRA CCDPLASTIQUE ET CAMÉRA CCD

Aurélie ISAMBERT (1), Anne-Marie FRELIN (2), Jean-Marc FONTBONNE(2), Alain BATALLA(1), Thierry LEROUX(3), Anthony VELA(1), Gilles BAN(2),

Karine SEBE(1), Marc LABALME(2)

2Accélérateur linéaire Vue éclatée de la tête d’irradiation

La radiothérapie

Traitement des tumeurs cancéreuses par faisceaux de photons ou électrons haute énergie

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La radiothérapie

Effets biologiques des rayonnements ionisants :

– effet direct : cassure de l’ADN

– effet indirect : radiolyse de l’eau

radicaux libres très réactifs

Capacité de réparation des cellules normales > cellules tumorales

Effet différentiel sur lequel se base la radiothérapie

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La radiothérapie

BUT :BUT :

1.1. Délivrer une dose (énergie par unité de masse) homogène et Délivrer une dose (énergie par unité de masse) homogène et suffisante à la tumeursuffisante à la tumeur

2.2. Protéger les organes à risqueProtéger les organes à risque

• PLANIFICATION individualisée du traitement• Deux types de données nécessaires :

– les données patients (images scanner…)– les caractéristiques du faisceau :

• Dépôt de l’énergie en profondeur,• Profils des dépôts d’énergie,• Facteur de transmission des modificateurs de

faisceaux...

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Image morphologiqueImage morphologiqueTomodensitométrie (scanner RX)Tomodensitométrie (scanner RX)

ImageImage fonctionnellefonctionnellemédecine nucléaire : TEPmédecine nucléaire : TEP

Image morphologique IRMImage morphologique IRMimages M. RICARD, IGR

Données patients : différentes modalités d’imagerie

Précision indispensable sur la délimitation des volumes d’intérêt

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Contourage des volumes d’intérêt

Coupe transverse (image scanner RX)

vessievessie

rectumrectum

Volume à irradier Volume à irradier (prostate)(prostate)

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Balistique

Calcul de la dose

Balistique - calcul de la dose

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Caractéristiques des faisceaux : grandeurs de base

Isodoses du dépôt d’énergie dans le milieu en fonction de l’épaisseur de milieu traversé

PHOTONSPHOTONS

Profondeur (cm)

0

30

6 MV 15 MV

Surface d’entrée

source

9

source

ELECTRONSELECTRONS

Caractéristiques des faisceaux : grandeurs de base

Profondeur(cm)

0

20

Surface d’entrée

4 MeV 10 MeV

10

Caractéristiques des faisceaux : matériel de mesure

Cuve à eau Chambre d ’ionisation

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Limitation des systèmes de mesure actuels

Cuve à eau + chambre d’ionisation :

– Difficulté de mise en place– Temps d’acquisition : mesures ponctuelles – Pas d’équivalence eau de la chambre

d’ionisation– …

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But de l’étude

Utiliser les potentialités du scintillateur ponctuel (A-M Frelin) pour faire la cartographie des dépôts d’énergie en 3D :

– acquisition simplifiée des caractéristiques des faisceaux (Contrôle Qualité) ;

– validation de plans de traitement complexes.

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Intérêt des scintillateurs plastiques

• Équivalence à l’eau (# tissus)• Peu de dépendance en énergie (dans la gamme des

hautes énergies)• Intensité de la scintillation proportionnelle au débit de

dose • Lecture directe• Composant passif : ni alimentation ni haute-tension• Insensible aux variations de T° et de pression• Pas de problèmes d’étanchéité• Usinage facile et coût réduit• Robustesse

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• Équivalence à l’eau dégradée dans les basses énergies (variation du coefficient massique d’absorption)

• Sensibilité (rapport signal sur bruit)

• Effet Cerenkov

Cerenkov

Scintillation

Limitations

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

1,0

350 400 450 500 550 600 650

Longueur d’onde (nm)

Am

plitu

de d

e la

sc

intil

latio

n

15

• Scintillateur plastique + Fibre optique + photodiodesScintillateur plastique + Fibre optique + photodiodes

OUOU• Scintillateur plastique + Fibre optique + caméra CCDScintillateur plastique + Fibre optique + caméra CCD

Principe du détecteur ponctuel

10 mm 10 m2 m

Scintillateur plastique

Connecteur optique

Fibre optique

Photodiodes

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Du détecteur ponctuel à la cartographie 3D

Cubes équivalents tissusCubes équivalents tissus

Caméra Caméra CCDCCD

ScintillateurScintillateuracquisition du dépôt de

acquisition du dépôt de

dose par balayage

dose par balayage

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Détecteur 3D

25 cm25 c

m

Cubes de polystyrène transparent

plaque de scintillateur

(vue éclatée)

18

Vue de dessus

Détecteur 3D

19

Objectif de la caméra + porte-filtres

Détecteur 3D

Porte-filtres

caméra

20

Faisceau de photons 15 MV

• Plan transverse

• Données brutes :Scintillation + Cerenkov

Premiers résultats

Brique plombée

source

Dose normalisée

21

Faisceau d’électrons 15 MeV

• Plan transverse

• Données brutesScintillation + Cerenkov

Premiers résultats

source

Dose normalisée

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D = a . B + b . R

Étalonnage (1 / 2)

• Perturbation du signal de scintillation par effet Cerenkov : étalonnage nécessaire pour remonter à la dose

• La quantité de lumière globale est fonction de– la dose déposée

– l’intensité de l’effet Cerenkov

• Relation linéaire entre les 2 composantes du signal et la dose :

a, b = coefficients de linéarité liés aux quantités de lumière dans le bleu (B) et le rouge (R) respectivement

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D = a. B+ b. R

D1 = a . B1 + b. R1

Scintillation + Cerenkov

D2 = a . B2 + b . R2

Cerenkov

Détermination de a et b

Étalonnage (2 / 2)

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Faisceau de photons 15 MV

• Plan transverse

• Conversion en dose

Données corrigées

source

Dose normalisée

25

Faisceau d’électrons 15 MeV

• Plan transverse

• Conversion en dose

Données corrigées

Dose normalisée

source

26

Faisceau d’électrons 15 MeV

Même image obtenue avec un film radiologique

Données corrigées

27

Motorisation : déplacement du dispositif pour cartographie 3D

Détecteur 3D

28

Données corrigées - Faisceau de photons 15 MV

• Plans transverses

• Conversion en dose

Détection 3D

source

29

Données corrigées - Faisceau d’électrons 15 MeV

• Plan frontal

• Conversion en dose

Reconstruction – plan frontal

source

Dose normalisée

30

Conclusion (1 / 2)

Limitations :

– Rapport S / B faible (scintillateur)

– Phénomènes optiques

– Améliorer le blindage de la caméra (sensibilité au rayonnement diffusé)

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Conclusion (2 / 2)

Caractéristiques attendues :

– Résolution spatiale inframillimétrique dans les plans transverses (0,43 x 0,87 mm2)

– Résolution spatiale dans les plans sagittaux et frontaux dépend du nombre de plans de mesure (1 plan tous les mm)

– Temps de mesure : 10 s par plan (mais 1 s par plan est envisageable)

Outils :

– Reconstruction 3D

– Analyse des rendements et des profils

– Comparaison avec le calcul (Système de planification de traitement ; codes de Monte Carlo)