CARTOGRAPHIE DES FAISCEAUX DE RADIOTHRAPIE PAR SCINTILLATEUR PLASTIQUE

CARTOGRAPHIE DES FAISCEAUX DE RADIOTHÉRAPIE PAR SCINTILLATEUR PLASTIQUE 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) CENTRE FRANÇOIS BACLESSE (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

La radiothérapie Traitement des tumeurs cancéreuses par faisceaux de photons ou électrons haute énergie Accélérateur linéaire Vue éclatée de la tête d’irradiation 2

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 3

La radiothérapie BUT : 1. Délivrer une dose (énergie par unité de masse) homogène et suffisante à la tumeur 2. Protéger 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. . . 4

Données patients : différentes modalités d’imagerie Précision indispensable sur la délimitation des volumes d’intérêt Image fonctionnelle médecine nucléaire : TEP images M. RICARD, IGR Image morphologique IRM Image morphologique Tomodensitométrie (scanner RX) 5

Contourage des volumes d’intérêt vessie Volume à irradier (prostate) rectum Coupe transverse (image scanner RX) 6

Balistique - calcul de la dose Balistique Calcul de la dose 7

Caractéristiques des faisceaux : grandeurs de base Isodoses du dépôt d’énergie dans le milieu en fonction de l’épaisseur de milieu traversé Surface d’entrée 0 source Profondeur (cm) 30 PHOTONS 6 MV 15 MV 8

Caractéristiques des faisceaux : grandeurs de base 0 Surface d’entrée source Profondeur (cm) 20 ELECTRONS 4 Me. V 10 Me. V 9

Caractéristiques des faisceaux : matériel de mesure Cuve à eau Chambre d ’ionisation 10

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 –… 11

But de l’étude Utiliser les potentialités du scintillateur ponctuel (A-M Frelin) pour faire la cartographie des dépôts d’énergie en 3 D : – acquisition simplifiée des caractéristiques des faisceaux (Contrôle Qualité) ; – validation de plans de traitement complexes. 12

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 13

Limitations • Équivalence à l’eau dégradée dans les basses énergies (variation du coefficient massique d’absorption) • Sensibilité (rapport signal sur bruit) • Effet Cerenkov Amplitude de la scintillation 1, 0 0, 8 Scintillation 0, 6 Cerenkov 0, 4 0, 2 0, 0 350 400 450 500 550 600 650 Longueur d’onde (nm) 14

Principe du détecteur ponctuel • Scintillateur plastique + Fibre optique + photodiodes OU • Scintillateur plastique + Fibre optique + caméra CCD 10 mm 2 m 10 m Photodiodes Scintillateur plastique Connecteur optique Fibre optique 15

Du détecteur ponctuel à la cartographie 3 D e d t pô é d du yage n o i t la i a s i b u r acq se pa do Scintillateur Caméra CCD Cubes équivalents tissus 16

Détecteur 3 D Cubes de polystyrène transparent 25 c m 25 cm plaque de scintillateur (vue éclatée) 17

Détecteur 3 D Vue de dessus 18

Détecteur 3 D Objectif de la caméra + porte-filtres Portefiltres caméra 19

Premiers résultats Faisceau de photons 15 MV • Plan transverse • Données brutes : Scintillation + Cerenkov source Brique plombée Dose normalisée 20

Premiers résultats Faisceau d’électrons 15 Me. V • Plan transverse • Données brutes Scintillation + Cerenkov source Dose normalisée 21

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 : D=a. B+b. R a, b = coefficients de linéarité liés aux quantités de lumière dans le bleu (B) et le rouge (R) respectivement 22

Étalonnage (2 / 2) Scintillation + Cerenkov D 1 = a. B 1 + b. R 1 Cerenkov D 2 = a. B 2 + b. R 2 Détermination de a et b D = a. B+ b. R 23

Données corrigées Faisceau de photons 15 MV • Plan transverse • Conversion en dose source Dose normalisée 24

Données corrigées Faisceau d’électrons 15 Me. V • Plan transverse • Conversion en dose source Dose normalisée 25

Données corrigées Faisceau d’électrons 15 Me. V Même image obtenue avec un film radiologique 26

Détecteur 3 D Motorisation : déplacement du dispositif pour cartographie 3 D 27

Détection 3 D Données corrigées - Faisceau de photons 15 MV • Plans transverses • Conversion en dose source 28

Reconstruction – plan frontal Données corrigées - Faisceau d’électrons 15 Me. V • Plan frontal • Conversion en dose source Dose normalisée 29

Conclusion (1 / 2) Limitations : – Rapport S / B faible (scintillateur) – Phénomènes optiques – Améliorer le blindage de la caméra (sensibilité au rayonnement diffusé) 30

Conclusion (2 / 2) Caractéristiques attendues : – Résolution spatiale inframillimétrique dans les plans transverses (0, 43 x 0, 87 mm 2) – 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 3 D – Analyse des rendements et des profils – Comparaison avec le calcul (Système de planification de traitement ; codes de Monte Carlo) 31