CARTOGRAPHIE DES FAISCEAUX DE RADIOTHÉRAPIE PAR SCINTILLATEUR PLASTIQUE ET CAMÉRA CCD

1. CENTRE FRANÇOIS BACLESSE 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) (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

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

3. 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

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

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

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

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

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

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

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

11. 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 • …

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

13. 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

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

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

16. Du détecteur ponctuel à la cartographie 3D acquisition du dépôt de dose par balayage Scintillateur Caméra CCD Cubes équivalents tissus

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

18. Détecteur 3D Vue de dessus

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

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

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

22. 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

23. Étalonnage (2 / 2) Scintillation + Cerenkov Cerenkov D1 = a . B1 + b. R1 D2 = a . B2 + b . R2 Détermination de a et b D = a. B+ b. R

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

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

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

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

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

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

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

31. Conclusion (2 / 2) Caractéristiques attendues : • Résolution spatiale inframillimétrique dans les plans transverses (0,43 x 0,87 mm2) • 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 3D • Analyse des rendements et des profils • Comparaison avec le calcul (Système de planification de traitement ; codes de Monte Carlo)