Marie-Charlotte RICOL - IPNL - 19/10/2007.

PROCESSUS NUCLEAIRES EN HADRONTHERAPIE.

Plan.

• 1. Sujet de thèse.• 2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ?• 3. Problématique et méthode.• 4. Approche phénoménologique.• 5. Approche expérimentale.• 6. Conclusion.• 7. Perspectives.

« Etude des processus nucléaires intervenant en hadronthérapie et leur contribution à la

délocalisation du dépôt de dose ».

1. Sujet de thèse.

Thérapie du cancer basée sur l’utilisation de particules lourdes (hadrons) et les effets de leur dépôt d’énergie dans la matière.

Figure d’illustration: Dépôts de dose relatifs dans l’eau par différentes particules.

10-2

Attention: Les processus nucléaires ne sont pas nécessairement correctement inclus.

2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ? (1/3)

Dose physique : énergie déposée dans la cible par unité de masse de matière.

Unités : Gray 1Gy=1J/kg.

Sievert : 1 Sv= 1 Gy x Q ( Q facteur qualité dépend de la particule).

Dose létale pour un humain = 2 Sv en une fois.

Dose effective : dépend de la nature de la radiation mais aussi de la composition et de la nature des tissus touchés.

dose létale pour les cellules cancéreuses,

épargner au maximum les tissus sains environnants.

But :

Définitions :

2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ? (2/3)

Faisceaux utilisés : pour une pénétration allant jusqu’à 30 cm dans l’eau :

- Protons (50 à 600 MeV) : couramment utilisés en ophtalmologie.

- Ions carbone ( 95 à 375 MeV/u) : initialement pour la tête, se généralise …

Avantages des ions carbone :

1. TEL élevé.

2. Peu de déviation latérale (mult. scat.).

3. Bonne RBE :

Dγ/ Dcarbone = 1.5 à 3 pour un même effet biologique

La diffusion en profondeur d’un faisceau est plus élevée dans le cas des protons que dans le cas des ions carbone.

2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ? ( 3/3)

A.Désaccord simulations/mesures.

3. Problématique et méthode (1/4).

Sous-estimation des calculs MC des doses au delà pic de Bragg.

Sasaki et al. (KEK).

Dos

e re

lati

ve (

%).

Profondeur dans l’eau (mm).

Filtre avant la cible étalant l’énergie de 160 à 240MeV/u.

Faisceau primaire 12C à 290 MeV/u (cyclotron) :

3. Problématique et méthode (2/4).

B . Origine de ce désaccord mesures/simulations.

Exemple: à 400 MeV/u 12C, ~40% des projectiles engendrent un interaction nucléaire. production de fragments légers avec ≠ pouvoirs de pénétrations. Or, physique hadronique mal connue à basse énergie (pas calculable). Régime non pertubatif . Utilisation de modèles phénoménologiques basées sur les données expérimentales.

Mais : Les données expérimentales aux énergies utiles pour l’hadronthérapie ne sont pas encore acquises en majeure partie. Ce sont les sections efficaces totales et différentielles de production des fragments qui sont mal connues. Les Monte Carlo actuellement utilisés manquent nécessairement de précision dans leurs prédictions.

Problème: Incertitudes sur les distributions des doses physiques délivrée Incertitudes amplifiées pour les doses équivalentes (Sv) puisqu'elles dépendent de

la nature de la particule ( Facteur > 20 pour les neutrons de basses énergies) .

Energie perdue par le projectile.

Physique des particules,

Physique nucléaire.

Physique médicale,

Clinique.

Suivi du projectile et de ses descendants éventuels.

Répartition de l’énergie reçue et réponse du milieu à l’excitation .

≠ Energie reçue par la cible.

3. Problématique et méthode (3/4).

C . Deux points de vue :

3. Problématique et méthode (4/4).

D . Neutrons :

Facteur d’incertitude : production des neutrons .D’après Geant4 version 8 (mesures précises manquantes) : • En moyenne deux neutrons / interaction nucléaire.• Spectre dominé par les basses énergies (En < 1 MeV), isotrope.

Transport de neutrons dans la matière:Relativement bien connu, i.e. MCNP ( collision, capture,..).

Dose :G4: 12C 333 MeV/u sur H2O : ~1% de la dose physique est déposée par les neutrons au-delà du pic de Bragg sur une profondeur de ~ 1,5 cm. (c’est beaucoup.) Il faudra également y ajouter la contribution des autres fragments légers (γ, p, α,……11C ) . Nécessité de connaître leur taux de production et distributions angulaires.

4. Approche phénoménologique (1/7).

Objectif : amélioration des modèles inclus dans les MC.

• Compilation des données (sections efficaces) expérimentales disponibles,

ou extraites indirectement à partir d’autres mesures.

• Incorporation de ces données dans les modèles phénoménologiques existants appropriés.

• Insertion des mises à jours dans les simulateurs, i.e. GEANT4.

• Nouvelles prédictions raffinement.

Gain: Mise au point d’une procédure permettant d’inclure les nouvelles données expérimentales au fur et à mesure des nouvelles acquisitions.

4. Approche phénoménologique (2/7).

A. Compilation des données (sections efficaces) expérimentales.

~ 140 fichiers de données expérimentales ont été recueillis : publications et bases de données.

Contiennent les sections efficaces totales et différentielles concernées par l’hadronthérapie : (p,H2O), (12C,H2O), (16O,H2O) …

Constatations: Manque évident de données aux basses énergies : E Projectile < 80 MeV/u. Les modèles inclus dans GEANT4 ne reproduisent pas les données recueillies, particulièrement pour E Projectile < 80 MeV/u.

Compilation des sections efficaces expérimentales de la réaction

p+ 12 C 11C + x en fonction de l’énergie incidente du proton.

Désaccord entre données pour la même réaction.

Erreurs de mesures publiées probablement sous estimées !

4. Approche phénoménologique (3/7).

Problème sur les données collectées.

[1] . Sihver et al. «Total reaction and partial cross section calculations in proton-nucleus (Zt≤26) and nucleus-nucleus reactions (Zp and Zt≤26) » - Phys. Rev. C 47(3) , p. 1225 - 1236 (1993).

Le modèle le plus récent et le plus approprié et celui de Sihver [1].

Exemple: Section efficace totale (p, 12C) selon [1]

Problèmes:

-Ne sont incluses que les sections efficaces géométriques dans G4.

-Les valeurs numériques des paramètres publiés dans [1] ne reproduisent pas les spectres de cette même publication.

4. Approche phénoménologique (4/7).

B. Modèles phénoménologiques appropriés.

Formule analytique à 19 paramètres pouvant décrire σtot et σdiff pour Zproj et Zcible < 26.

Le modèle incorpore:Pour les sections efficaces de réaction proton-noyau :

• Un terme géométrique classique, • pour Ep > 200 MeV  polynôme dépendant de At

1/3,

• pour Ep< 200 MeV: fonctions exponentielles de EP.

Pour les sections efficaces de fragmentation proton-noyau :

• Terme pour favoriser la production de fragments tels que Acible – Afragment ~0.• Terme indiquant que l’excès de neutrons augmente avec le Zfragment.• Terme tenant compte du caractère statistique de l’évaporation nucléaire.• Terme indiquant que la production de fragments légers est favorisée.

Pour les sections efficaces de fragmentation noyau-noyau :Le facteur d’échelle intervenant pour passer de la section efficace de fragmentation (proton-noyau) à la section efficace de fragmentation (noyau)-(noyau) tient compte :

- d’un paramètre spécifique non géométrique,- d’un paramètre de recouvrement géométrique.

4. Approche phénoménologique (5/7).

Modèle semi-empirique de Sihver :

Méthode : Minimisation de

2exp

2),(

exp2 /))(( AFDréactionsr Datad

dr

),(exp drD

)(AF

exp

Représente une donnée d de la réaction r.

Formule analytique en fonction de l’ensemble {A} des 19 paramètres libres.

L’erreur sur la donnée expérimentale, elle est mise à 10% quand elle n’est pas disponible.

Minimisation: Programme MINUIT du CERN.

Données: ~ 1400 points expérimentaux pour différents Zproj, Zcible et Zfrag.

Résultats: 19 nouveaux paramètres reproduisant ( dans les barres d’erreurs) les données utilisées pour l’ajustement (fit). Χ2/d.o.f = 2.7 .

4. Approche phénoménologique (6/7).

Réévaluation des paamètres de Sihver avec l’ensemble des données existantes.

Sect

ion

effi

cace

(m

barn

)

4. Approche phénoménologique (7/7).

Exemple de fit obtenu :

Energie du projectile (MeV)Energie du projectile (MeV)

Emetteurs β+ : dispositif expérimental.

4. Approche expérimentale (1/8).

A) Aspect fragmentation, exemple : émetteurs β+ (GANIL).B) Aspect macro-dosimétrique : distribution de dose (PSI, CERN).

A) Aspect fragmentation, exemple : émetteurs β+ (GANIL).

4. Approche expérimentale (2/8).

Emetteurs β+ : dispositif expérimental (suite).

- Différentes cibles (eau, PMMA, teflon) ont été placées entre les deux têtes du prototype TEP.

- Chaque tête du protoype TEP est équipée d’une matrice de LYSO 64 pixels

lu par un PM 64 voies grâce à une carte VA-TA provenant du groupe OPERA de l’IPNL.

- Prototype utilisé en mode gamma caméra : seules les lignes de réponse perpendiculaires à l’axe du faisceau sont utilisées.

Tête droite.

Tête gauche.

Faisceau de 13 C

75 MeV/u

Exemple de ligne de réponse détectée

Schéma de la vue de dessus du dispositif expérimental.

cible d’eau

Beam off : GEANT4 sous estime de 10% le taux de production d’émetteurs β+

au-delà du pic de Bragg.

Bean on : GEANT4 sous estime de 41% le nombre d’émetteurs β+ au-delà du pic de Bragg.

4. Approche expérimentale (3/8).

Emetteurs β+ : Résultats.

Beam off : le taux de production d’émetteurs β+(à 10% près) semble correct dans G4.

Beam on : Raisons du désaccord :• le taux de production de gammas directs (prompts) et leur matérialisation en paires e+e- dans la cible est sous estimé.• Taux de random (coïncidences fortuites) élevé ( fenêtre de coinc : 20 ns).• Sensibilité du LYSO aux neutrons. • Halo du faisceau.• Mauvais monitorage du flux incident.

Actions: • Révision du taux de production de gammas directs (prompts) et leur matérialisation

dans la cible (en cours).• Nouvelle prise de données dans de meilleures conditions (PSI - Automne 2007).

4. Approche expérimentale (4/8).

Emetteurs β+ : Résultats (suite).

Explications possibles :

4. Approche expérimentale (5/8).

B. Aspect macro-dosimétrique : distribution de dose.

Dispositif expérimental :

- Faisceau de protons de 63 MeV, 4cm*4cm, ~106 à 108 pps.

- Cibles constituées de films dosimétriques intercalés entre des plaques de matériaux : PMMA ou graphite ou Si.

- Détecteurs : BGO pour les γ ,

NE110 pour les neutrons.

Photographie du dipositif expérimental – PSI, juillet 2007.

4. Approche expérimentale (6/8).

Aspect macro-dosimétrique : dispositif expérimental (suite).

Choix de la cible en graphite : proton 63 MeV sur carbone correspond en cinématique inverse

à carbone ~13 MeV (près du pic de Bragg) sur H.

Schéma de la cible en graphite.

Film dosimétrique.

5*cm*5cm*0.231mm

Plaque de graphite

(5cm*5cm*0.19cm)

4. Approche expérimentale (7/8).

Aspect macro-dosimétrique : Résultats préliminaires.

Profils de dose transversaux ( graphite) :

Echelle de couleur :

Rouge : dose élevée.

Bleu : dose faible.

Dimensions films :

5 cm * 5 cm.

Film 1Film 1 Film 8Film 8

Film 9Film 9 Film 11Film 11

4. Approche expérimentale (8/8).

Aspect macro-dosimétrique : Résultats préliminaires(suites).

Profils de dose longitudinaux ( PMMA) :

Film 1 Film 12

Film 19

protons

19 films + 18 plaques de PMMA.

6. Conclusions (1/2)

Pour pallier la mauvaise connaissance de la physique hadronique à basse énergie,

et donc l’imprécision des prédictions de dépôts de dose des simulateurs MC,

deux stratégies ont été mises en place :

Approche phénoménologique :

Amélioration des valeurs des paramètres d’un modèle fragmentation semi-expérimental.

Approche expérimentale :

Emetteurs β+ : - : - mesure du profil en profondeur des émetteurs β+ dans une cible d’eau

irradiée par un faisceau d’ions 13C.

Macro-dosimétrie : - mesure de profils de dose longitudinaux et transversaux dans des cibles

de carbone et de PMMA irradiées par un faisceau de protons de 63 MeV.

- mesure du spectre en énergie des neutrons et γ prompts émis.

6. Conclusions (2/2)

Objectifs finaux :

- - estimer l’erreur sur la dose des prédictions de notre simulateur,

- - disposer d’un simulateur (G4) reproduisant au mieux nos mesures expérimentales.

7. Perspectives.

- Finaliser les simulations correspondants aux mesure effectuées au PSI (en cours) :

•Profils de dose,

•Spectre en énergie des neutrons émis.

- Incorporer les paramètres de Sihver modifiés dans le simulateur MC :

- Evaluer l’incidence de l’amélioration du modèle sur les prédictions de dépôts de

dose.

Simulation :

Mesures :

Faisceau de 12C 333 MeV/u PSI – Automne 2007.

Merci de votre écoute …Merci de votre écoute …