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

1. PROCESSUS NUCLEAIRES EN HADRONTHERAPIE. Marie-Charlotte RICOL - IPNL - 19/10/2007.

2. 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.

3. 1. Sujet de thèse. « Etude des processus nucléaires intervenant en hadronthérapie et leur contribution à la délocalisation du dépôt de dose ».

4. 2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ? (1/3) Thérapie du cancer basée sur l’utilisation de particules lourdes (hadrons) et les effets de leur dépôt d’énergie dans la matière. 10-2 Attention: Les processus nucléaires ne sont pas nécessairement correctement inclus. Figure d’illustration: Dépôts de dose relatifs dans l’eau par différentes particules.

5. 2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ? (2/3) But : • dose létale pour les cellules cancéreuses, • épargner au maximum les tissus sains environnants. Définitions : 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.

6. 2. Qu’est ce que l’hadronthérapie ? ( 3/3) Avantages des ions carbone : • TEL élevé. • Peu de déviation latérale (mult. scat.). • 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. • 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 …

7. 3. Problématique et méthode (1/4). Filtre avant la cible étalant l’énergie de 160 à 240MeV/u. Dose relative (%). Profondeur dans l’eau (mm). Sous-estimation des calculs MC des doses au delà pic de Bragg. Sasaki et al. (KEK). A.Désaccord simulations/mesures. Faisceau primaire 12C à 290 MeV/u (cyclotron) :

8. 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 hadroniquemal 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) .

9. 3. Problématique et méthode (3/4). Energie perdue par le projectile. ≠ Energie reçue par la cible. Physique médicale, Clinique. Physique des particules, Physique nucléaire. Suivi du projectile et de ses descendants éventuels. Répartition de l’énergie reçue et réponse du milieu à l’excitation . C . Deux points de vue :

10. 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.

11. 4. Approche phénoménologique (1/7). • 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. Objectif : amélioration des modèles inclus dans les MC.

12. 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.

13. 4. Approche phénoménologique (3/7). Problème sur les données collectées. Désaccord entre données pour la même réaction. Erreurs de mesures publiées probablement sous estimées ! Compilation des sections efficaces expérimentales de la réaction p+ 12 C  11C + x en fonction de l’énergie incidente du proton.

14. 4. Approche phénoménologique (4/7). B. Modèles phénoménologiques appropriés. • 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. Exemple: Section efficace totale (p, 12C) selon [1] Le modèle le plus récent et le plus approprié et celui de Sihver [1]. [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).

15. 4. Approche phénoménologique (5/7). Modèle semi-empirique de Sihver : • 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 At1/3, • 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.

16. 4. Approche phénoménologique (6/7). Réévaluation des paamètres de Sihver avec l’ensemble des données existantes. Méthode : Minimisation de 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 .

17. 4. Approche phénoménologique (7/7). Exemple de fit obtenu : Section efficace (mbarn) Energie du projectile (MeV)

18. 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). Emetteurs β+ : dispositif expérimental.

19. 4. Approche expérimentale (2/8). Emetteurs β+ : dispositif expérimental (suite). Tête gauche. Exemple de ligne de réponse détectée cible d’eau Faisceau de 13 C 75 MeV/u Tête droite. Schéma de la vue de dessus du dispositif expérimental. - 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. - Différentes cibles (eau, PMMA, teflon) ont été placées entre les deux têtes du prototype TEP. - Prototype utilisé en mode gamma caméra : seules les lignes de réponse perpendiculaires à l’axe du faisceau sont utilisées.

20. 4. Approche expérimentale (3/8). Emetteurs β+ : Résultats. 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.

21. 4. Approche expérimentale (4/8). Emetteurs β+ : Résultats (suite). 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). Explications possibles :

22. 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.

23. 4. Approche expérimentale (6/8). Aspect macro-dosimétrique : dispositif expérimental (suite). Film dosimétrique. 5*cm*5cm*0.231mm Plaque de graphite (5cm*5cm*0.19cm) Schéma de la cible en graphite. 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.

24. 4. Approche expérimentale (7/8). Aspect macro-dosimétrique : Résultats préliminaires. Profils de dose transversaux ( graphite) : Film 1 Film 8 Echelle de couleur : Rouge : dose élevée. Bleu : dose faible. Dimensions films : 5 cm * 5 cm. Film 9 Film 11

25. 4. Approche expérimentale (8/8). Aspect macro-dosimétrique : Résultats préliminaires(suites). Film 1 Film 12 protons Profils de dose longitudinaux ( PMMA) : Film 19 19 films + 18 plaques de PMMA.

26. 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.

27. 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.

28. 7. Perspectives. Simulation : • - 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. Mesures : Faisceau de 12C 333 MeV/u PSI – Automne 2007.

29. Merci de votre écoute …