CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY

1. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Diagnostic et contrôle d’un faisceau en protonthérapie, en vue d’une alternance rapide entre salles Ludovic De Marzi • CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY

2. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Plan • 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

3. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le 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

4. 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 • 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Intérêt des protons

5. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Exemple de dosimétrie prévisionnelle (photons vs protons)

6. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le transport du faisceau Accélérateur • Ligne de transport sous vide Salle de traitement Y1 Salle de traitementY2 Aimant de déviation

7. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 La conformation du faisceau Gestion dynamique du faisceau Diffusion passive

8. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Conformation en profondeur Ajustement du parcours Dose relative (%) Dose relative (%) Diffusion Collimateur Modulation Diffuseur Intensité Profondeur d’eau Profondeur d’eau Axe transverse 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Le transport du faisceau • Ligne de mise en forme dans l’air (diffusion passive)

9. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 - Alternance rapide: nombre de patients doublé à partir de mars 2004 -réglage des paramètres -contrôles: consigne et référence -traitement 2 mn L’alternance rapide • Changement de salle, travail en parallèle - Aimants de déviations vers les salles de traitement : -vieillissement de l’actuel aimant A2 -technologie du feuilleté • Évolution du contrôle de qualité : nécessité d’une • nouvelle instrumentation temps réel.

10. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Positionnement du faisceau diffuseur • Profils • effectué du côté • technique collimateur prédiffuseur Énergie du faisceau • Bragg • effectué du côté • médical Le contrôle de qualité : avant les traitements • Critères du CQ: • -Précision: ±0.5mm • Inhomogénéité: 2% • Cuve Wellhöfer

11. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Banc optique Positionnement du faisceau profileur • Vérification du positionnement avant le banc optique par les chambres à fils. diffuseur collimateur Énergie du faisceau Chambre à bandes • Pas de contrôle direct Le contrôle de qualité : pendant la journée

12. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Banc optique profileur diffuseur collimateur Chambre à bandes Expérimentations et résultats • Le positionnement du faisceau • 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

13. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Q 1 QN - Info. Braggomètre - Info. Strip chamber Vérification des profils (symétrie, homogénéité) Vérification du parcours KETHLEY Soft : ADWIN Données 600fC 64 Coupure faisceau ou réglages paramètres Supervision Enregistrement des paramètres Contrôle temps réel Expérimentations et résultats • Le positionnement du faisceau Matériel : Carte d’acquisition TERA spécifique

14. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • Le positionnement du faisceau • Matériel: - chambre d’ionisation à bandes • (GSI) • Résultats:

15. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • Le positionnement du faisceau • Matériel: - chambre d’ionisation à ‘pads’ • Résultats: Kurtosis = moment d’ordre 4

16. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • 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.

17. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • La mesure du parcours • 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

18. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • La mesure du parcours: méthode actuelle • Méthodes: • -étude de la mesure du parcours • Matériel: - cuve à eau Wellhöfer • •Résultats: • -imprécision de la mesure • (mécanique et géométrique) • -dépendance de l’opérateur • (position du détecteur)

19. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • La mesure du parcours: méthode actuelle • 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 • Matériel: - cuve à eau Wellhöfer • •Résultats:

20. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Points de mesure Expérimentations et résultats • La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide « Braggomètre » : -ionisation dans l’air -signal recueilli sur des plaques annulaires: non intrusif, relatif -différentes épaisseurs d’aluminium devant chaque plaque

21. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide • Méthodes: • -étude (films) pour le positionnement et le design du détecteur. • -programmation et traitement des • données brutes de la carte • d’acquisition. • Matériel: - ‘Braggomètre’ • •Résultats:

22. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • Conclusions sur la mesure du parcours -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’.

23. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • 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 • Implémentation des nouveaux aimants Aimant massif Aimant feuilleté

24. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • Implémentation des nouveaux aimants • •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).

25. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats • Conclusions sur l ’implémentation des nouveaux aimants • 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.

26. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 CONCLUSION • 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.

27. 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Remerciements • Samuel Meyroneinc • Catherine Nauraye • Régis Ferrand • Frédéric Martin • Le personnel du CPO, de l ’IPNO