Étude de l’émission de particules chargées secondaires dans l’optique d’un monitorage faisceau et de la dosimétrie en ligne en hadronthérapie

Study of secondary charged particles emission to monitor in-line dosimetry during hadrontherapy treatment

• Auteur / Autrice : Pierre Henriquet
• Direction : Denis Dauvergne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique médicale
• Date : Soutenance le 06/07/2011
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique nucléaire (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Joseph Remillieux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Dauvergne, Gérard Montarou, Marc Rousseau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Leray, Fabio Sauli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fragmentation nucléaire

Hadronthérapie

Mots clés libres

Hadronthérapie

Fragmentation

Nucléaire

Vertex

Tracking

Taux de production

Reconstruction de trace

Hadrontherapy

Fragmentation

Nuclear

Vertex

Tracking

Production rate

Résumé

Ce travail est consacré à l'étude de faisabilité d'une imagerie par reconstruction de vertex (IRV) pour le contrôle qualité en temps réel de la thérapie par faisceau d'ions carbone. La détection de vertex d'interactions nucléaires repose sur la détection de particules secondaires : grâce à un dispositif de détection spatiale des fragments chargés (tracker), on peut reconstruire les trajectoires des particules émergeant du patient et les extrapoler jusqu'à leur point d'origine (le vertex)... Dans le cadre de notre étude, la position du vertex est déterminée de deux manières différentes : soit en calculant l'intersection de la trajectoire d'un fragment émergent avec celle de l'ion incident (connue grâce à l'utilisation d'un hodoscope de faisceau placé en amont du patient), soit grâce à l'intersection de la trajectoire de deux fragments émergents détectés en coïncidence. Notre étude de faisabilité de la technique repose sur l'outil de simulation GEANT4. La première partie de l'étude a consisté à valider cet outil grâce à plusieurs expériences réalisées au GANIL (Caen) et au GSI (Darmstadt) avec des ions carbone de différentes énergies dans des cibles d'eau ou de PMMA Par la suite, la comparaison des deux modes de détection des particules secondaires a montré que la technique utilisant l'hodoscope est la plus performante. Enfin, après l'optimisation des principaux paramètres de cette technique, une simulation réaliste montre qu'il est possible de mesurer le parcours des ions avec une précision millimétrique à l'échelle d'une tranche en énergie voire à l'échelle d'un voxel unique

This work is devoted to the feasibility study of interaction vertex imaging (IVI) for real-time quality assurance in hadrontherapy treatments with carbon ion beams. Nuclear interaction vertex detection is based on secondary particle detection: a device allows us to spatially detect charged particles (tracker), thus we can reconstruct the trajectories of particles emerging from the patient and then extrapolate their emission point (vertex). In our study, the vertex position is determined by two ways: either by calculating the intersection of the trajectory of an emerging fragment with the trajectory of the incident ion (measured by means of a beam hodoscope upstream of the patient), or with the intersection of two emerging particles trajectories detected in coincidence. Our feasibility study of this technique relies on the GEANT4 simulation tool. The first part of the study aimed to validate this tool with experiments performed at GANIL (Caen) and GSI (Darmstadt) using carbon ion beams at various energies and in various targets (water or PMMA). Secondly, the comparison of two different technics for secondary particles detection showed that the technique using the hodoscope is the most efficient. Finally, after the parameters optimization of this technique, a realistic simulation shows that it is possible to measure ion paths within millimeter precision during each energy slices. A control of each beam spot may also be possible