CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY

Diagnostic et contrôle d’un faisceau en protonthérapie, en vue d’une alternance

rapide entre salles

CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY CPO

Ludovic De Marzi

9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003

PlanPlan

• Le Centre de Protonthérapie d’Orsay

• Le projet d’alternance rapide

• Le contrôle de qualité du faisceau

• Expérimentations et résultats: -positionnement du faisceau -mesure du parcours -implémentation des nouveaux aimants

• Conclusion

CPO


Le Centre de Protonthérapie d’OrsayLe Centre de Protonthérapie d’Orsay

• Synchro-cyclotron (IPN/CNRS 1975)

• Dédié exclusivement au médical depuis 1991

• Traitements par protons de 200 Mev

(intracrânien) ou 73 Mev (ophtalmologiques)

• 2800 patients traités depuis 1991

CPO


CPO

Intérêt des protonsIntérêt des protons

Protons : Particules lourdes et chargées

Propriétés:

• Parcours fini

• Faibles diffusions latérales de part leur masse (environ 2000 fois celle de

l’électron) les protons diffusent peu latéralement. maximum de dépôt de dose en fin de parcours.

Avantages:

• Limitation de la dose aux tissus sains


CPO

Exemple de dosimétrie prévisionnelle(photons vs protons)

Exemple de dosimétrie prévisionnelle(photons vs protons)


CPOAimant de déviation

AccélérateurLe transport du faisceauLe transport du faisceau

A'1

A1

PV1

PV2

2A'1

A1

PV1

PV2

2

A2A2

A.P.C.E.E.

Vide S.C

1

PompageTurbo

A.P.C.E.E.

Vide S.C

1

PompageTurbo

Salle accélérateur• Ligne de transport sous vide


Salle de traitement

Y1

Salle de traitement

Y2

La conformation du faisceauLa conformation du faisceau

CPO


Diffusion passive

Gestion dynamique du faisceau

CPO

Le transport du faisceauLe transport du faisceau

• Ligne de mise en forme dans l’air (diffusion passive)

Profondeur d’eau

Dose relative (%)

Ajustement du parcoursDose relative (%)

1009080706050403020100

Profondeur d’eau

Modulation

Conformation en profondeur

Axe transverse

Collimateur

Diffuseur

Intensité

Diffusion


L’alternance rapideL’alternance rapide

• Changement de salle, travail en parallèle

CPO

- Évolution du contrôle de qualité : nécessité d’une

nouvelle instrumentation temps réel.

- Aimants de déviations vers les salles de traitement :

-vieillissement de l’actuel aimant A2 -technologie du feuilleté

- Alternance rapide: nombre de patients doublé à partir de mars 2004

-réglage des paramètres -contrôles: consigne et référence-traitement

2 mn2 mn


CPO0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Do

se r

ela

tiv

e (%

)

Profondeur (cm eau)

4 Gy/min

Pondération énergétique

Le contrôle de qualité : avant les traitementsLe contrôle de qualité : avant les traitements

• Bragg

effectué du côté médical

Énergie du faisceau

• Profils

effectué du côté technique

Positionnement du faisceau prédiffuseur

collimateur

diffuseur

Critères du CQ:

-Précision: ±0.5mm

-Inhomogénéité: 2%

-Cuve Wellhöfer


CPO

Le contrôle de qualité : pendant la journéeLe contrôle de qualité : pendant la journée

Positionnement du faisceau

• Vérification du positionnement avant le banc optique par les chambres à fils.

Énergie du faisceau

• Pas de contrôle direct

collimateur

diffuseur

profileur

Chambre à bandes

Banc optique


Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats

• Le positionnement du faisceau

CPO

• Objectifs: Développer une procédure de centrage avec les aimants de déviation (manuelle puis automatique)

• Méthodes: – Test de la chambre d ’ionisation à bandes– Tests de critères statistiques– Conception d’un détecteur à ‘pads’

• Conditions de référence: – Faisceau de 200MeV– Parcours de 13.9cm

collimateur

diffuseur

profileur

Chambre à bandes

Banc optique


CPO

Matériel : Carte d’acquisition TERA spécifique

Contrôle temps réel

Données

Q

Coupure faisceauou réglages paramètres

QN

KETHLEYSoft : ADWIN

- Info. Braggomètre- Info. Strip chamber

Supervision

1

64600fC

Enregistrement des paramètres

Vérification des profils

(symétrie, homogénéité)

Vérification du parcours




CPO



• Matériel: - chambre d’ionisation à bandes

(GSI)

barycentreH=(fCVY1,CHY1) Stripchamber

5,14

5,16

5,18

5,2

5,22

5,24

5,26

5,28

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9CY1 (Intensité)

bary

cen

tre s

trip

ni

barycentreH=f(CHY1)

barycentreH=f(CVY1)

BarycentreH=f(CVY1,CHY1) Profileur

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

-9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9CY1 (Intensité)

bary

centr

e n

i

barycentreH=f(CHY1)

barycentreH=f(CVY1)

• Résultats:


CPO



• Matériel: - chambre d’ionisation à ‘pads’

• Résultats:

CROSS V

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 2 4 6 8 10 12 14bande no

kurtosis=f(melcherCH)

-15

-14,5

-14

-13,5

-13

-12,5

-12

0 2 4 6 8

melcher

kurt

osi

s

kurtosis

Kurtosis = moment d’ordre 4Kurtosis = moment d’ordre 4


CPO


• Conclusions sur le positionnement du faisceau

- Une nouvelle procédure de centrage côté technique qui gère seul les paramètres machine.

-Aucun critère de quantification de l’inhomogénéité (qui doit rester <2%) n’a été trouvé avec Wellhöfer pour le centrage actuel.

-La sensibilité de la chambre à bandes est insuffisante: effets surfaciques et bruitage du signal.

-La chambre à ‘pads’ (prototype) permet avec le kurtosis de trouver la position centrée du faisceau: commande au service détecteur de GSI.



• La mesure du parcours

CPO

• Objectifs: Étude des causes de variation de parcours et développement d’un système de mesure non intrusif.

• Méthodes:– Étude du système de mesure du parcours en fonction des

paramètres de faisceaulogie– Développement du « braggomètre »

• Conditions de référence: – Faisceau de 200MeV


CPO

• Matériel: - cuve à eau Wellhöfer

• Résultats:

-imprécision de la mesure

(mécanique et géométrique)

-dépendance de l’opérateur

(position du détecteur)


• La mesure du parcours: méthode actuelle

• Méthodes:

-étude de la mesure du parcours


CPO

• Matériel: - cuve à eau Wellhöfer

• Résultats:


• La mesure du parcours: méthode actuelle

Parcours mesuré en fonction du temps

13,76

13,78

13,8

13,82

13,84

13,86

13,88

13,9

13,92

13,94

13,96

13,98

0 20 40 60 80 100 120 140jours

pa

rco

urs

en

cm

mise en place contacteur

début melchers

• Méthode:

-étude de la pénombre et des paramètres du synchro-cyclotron: faisceau poly-énergétique

-mesure du parcours en faisant varier les paramètres: A2, A1, A’1

-mesure lors du contrôle de qualité


CPO

« Braggomètre » : -ionisation dans l’air

Points de mesure

-signal recueilli sur des plaques annulaires: non intrusif, relatif

-différentes épaisseurs d’aluminium devant chaque plaque


• La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide


CPO

• Matériel: - ‘Braggomètre’

• Résultats:


• La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide

rendements en profondeur

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

profondeur (cm)

do

se e

n %

90pb1

20pb1

130pb1

110pb1

• Méthodes:

-étude (films) pour le positionnement et le design du détecteur.

-programmation et traitement des données brutes de la carte d’acquisition.


CPO

-Le faisceau est polyénergétique, le parcours ne bouge pas lorsque certains éléments de la ligne tels que A2 ou les déviateurs varient. La dérive en champ des aimants joue sur le centrage, apparemment pas sur le parcours.

- Des améliorations du ‘braggomètre’ ont été proposées, notamment concernant la géométrie du détecteur au vu de l’expérience de la chambre à ‘pads’.


• Conclusions sur la mesure du parcours


Expérimentations et résultatsExpérimentations et résultats• Implémentation des nouveaux aimants

CPO

• Objectifs: Étudier le comportement des aimants feuilletés soumis à une consigne ‘rapide’ (<30s)

• Problèmes liés aux aimants de déviation:– Différentes causes de dérive en champ des aimants: -courants de Foucault induits dans le noyau -réchauffement du matériau dans le temps -dérive en température du circuit de refroidissement– Hystérésis


Aimant massif

Aimant massif Aimant

feuilleté

Aimant feuilleté

CPO

• Matériel: -alimentations en courant (JEMA)

-aimant en acier massif

-gaussmètre, sonde à effet Hall

• Résultats:

-épaisseur de feuilletage de 1.5mm<2 à 1Hz

-les fluctuations en courant engendrent des fluctuations en champ de même ordre de grandeur (10-5 à 5.10-4).


• Implémentation des nouveaux aimants


CPO

-Usage du feuilleté permet d’améliorer la rapidité (moins de courants de foucault) et la reproductibilité: il pourra être utile d’alimenter ces aimants avec des cycles particuliers pour les stabiliser ou minimiser les effets des hystérésis.

-L’ordre de grandeur des fluctuations instantanées en courant ou en champ est trop faible pour avoir une incidence sur les profils.

- A priori, prépondérance des effets thermiques sur les dérives en champ des aimants.


• Conclusions sur l ’implémentation des nouveaux aimants


CPO

CONCLUSIONCONCLUSION

• Un contrôle de qualité du positionnement du faisceau doit être réalisé en un temps très rapide pour l ’alternance rapide: de nouveaux détecteurs sont développés par le CPO et différents partenaires (IPN, GANIL, INFN, GSI).

• Assurance qualité pendant le traitement : une boucle de rétroaction active sur certains éléments est envisageable.


CPO

RemerciementsRemerciements

• Samuel Meyroneinc

• Catherine Nauraye

• Régis Ferrand

• Frédéric Martin

• Le personnel du CPO, de l ’IPNO


Documents

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