Mise en oeuvre et caractérisation du système d'acquisition de données d'une caméra Compton pour l'imagerie des gamma prompts en protonthérapie

Implementation and characterization of the data acquisition system of a Compton camera for prompt gamma imaging in protontherapy

• Auteur / Autrice : Cairo Pimenta Cheble Caplan
• Direction : Christian Morel, Jean-Pierre Cachemiche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Instrumentation
• Date : Soutenance le 11/12/2020
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique des particules de Marseille (CPPM)
• Jury : Président / Présidente : Cristinel Diaconu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Laure Gallin-Martel, Aurelio Bay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acquisition automatique des données

Traitement du signal

Protonthérapie

Mots clés libres

Protonthérapie

Imagerie des gamma prompts

Traitement du signal

Acquisition de données

Caméra Compton

Protontherapy

Prompt-Gamma imaging

Signal processing

Data acquisition

Compton camera

Résumé

L’hadronthérapie utilise un faisceau de particules chargées (protons ou ions carbone) pour détruire des tumeurs cancéreuses. En comparaison de la radiothérapie conventionnelle l’hadronthérapie représente une technique prometteuse pour traiter le cancer parce que la délivrance de la dose est concentrée dans le pic de Bragg. La surveillance de la délivrance de dose peut ainsi être adressée en vérifiant le parcours des particules du faisceau. CLaRyS, pour Contrôle en Ligne de l’hadronthérapie par Rayonnements Secondaires, est un projet regroupant plusieurs laboratoires qui vise à améliorer le contrôle de la délivrance de dose en imageant l’émission des gamma prompts issus des collisions inélastiques entre les particules du faisceau et les noyaux cibles. Ceci requiert de détecter les rayons gamma en utilisant une collimation soit mécanique soit électronique résultant de leurs interactions Compton dans un diffuseur. Une électronique back-end (BE) a été développée au CPPM pour acquérir les données des détecteurs via 34 liens optiques à 3 Gb/s. Les données sont assemblées et envoyées au PC par une liaison Ethernet à 1 Gb/s, garantissant une bande passante de 300 Mb/s telle que spécifiée pour la caméra Compton par simulation Monte Carlo pour une intensité de faisceau de 10 puissance 8 proton/s. Mon travail de thèse comprenait le développement du firmware du FPGA de l’électronique BE de CLaRyS, tout en contribuant au développement et à l’évaluation de son dispositif de détection. Des mesures avec la caméra collimatée et l’hodoscope de faisceau ont été effectuées sur la ligne de faisceau de protons de 65 MeV de l’Institut Méditerranée de Protonthérapie à Nice.

Hadrontherapy uses a beam of charged particles (protons or carbon ions) to destroy tumour cells. Compared to conventional radiotherapy hadrontherapy represents a promising technique to treat cancer because of its concentrated dose delivery within the Bragg peak. Monitoring of dose delivery can thus be addressed by verifying the range of the beam particles.CLaRyS, which stands for online control of hadrontherapy by secondary radiation, is a project regrouping several laboratories that aims at improving dose delivery control by imaging the emission of prompt-gamma rays issued from inelastic collisions of the beam particles with target nuclei. This requires to detect prompt-gamma rays using either a mechanical or the electronic collimation resulting from the Compton interactions of the gamma rays in a scatterer.As part of this development, a high-performance and compact Back-End (BE) electronics was developed at CPPM to perform data acquisition from the detectors through 34 optical links of 3 Gb/s. Data are packed and sent to a PC on a 1 Gb/s Ethernet link, guaranteeing 300 Mb/s throughput as specified for the Compton camera by Monte Carlo simulations for a beam intensity of 10 power of 8 proton/s. My thesis work comprised the development of the FPGA firmware for the BE electronics of CLaRyS, while contributing to the development and evaluation of its detection system. Measurements with the collimated camera and beam hodoscope were performed on the 65 MeV proton beam line of the Mediterranean Protontherapy Institute in Nice.