Advancing the generation of proton minibeams for radiation therapy

par Tim Schneider

Thèse de doctorat en Radio et hadron-thérapies

Sous la direction de Yolanda Prezado.

  • Titre traduit

    Amélioration de la génération de mini-faisceaux de protons pour la radiothérapie


  • Résumé

    Malgré d’importants progrès, la tolérance des tissus sains aux rayonnements demeure un facteur central en radiothérapie, limitant par exemple l’efficacité du traitement des gliomes de haute grade. La proton thérapie avec mini-faisceaux (proton minibeam radiation therapy, pMBRT) est une nouvelle stratégie thérapeutique qui a pour objectif d’améliorer la préservation des tissus sains en combinant les avantages balistiques des protons et le fractionnement spatial de la dose obtenu avec des faisceaux submillimétriques. Dans ce contexte, la pMBRT a déjà démontré sa capacité à augmenter l’index thérapeutique dans le traitement des tumeurs cérébrales de rats. Un défi important est la génération des mini-faisceaux dans un cadre clinique : contrairement à la radiothérapie conventionnelle qui utilise des faisceaux larges (diamètre d’environ 5 mm à plusieurs centimètres), les mini-faisceaux se caractérisent par un diamètre de moins d’un millimètre. Actuellement, la génération des mini-faisceaux de protons est réalisée à l’aide de collimateurs mécaniques (blocs en métal avec plusieurs fentes ou trous) ce qui comporte plusieurs inconvénients (notamment une très faible flexibilité, une réduction importante du débit de dose ainsi que la génération de particules secondaires indésirables). Une solution optimale pourrait être la génération des mini-faisceaux par focalisation magnétique. Il en découle la question principale traitée dans cette thèse : Comment la génération des mini-faisceaux de protons par focalisation magnétique peut-elle être réalisée dans un cadre clinique ? En utilisant le modèle numérique d’un pencil beam scanning nozzle (le "nozzle" est la dernière partie d’une ligne de faisceau clinique), il a été démontré que les nozzles actuels ne sont pas adéquats pour focaliser les faisceaux de protons à la taille requise, les principales raisons étant une distance focale trop grande et une présence d’air excessive. En partant de ces conclusions, un nouveau design de nozzle optimisé a été développé. Ce nouveau modèle est capable de générer des mini-faisceaux de protons par focalisation magnétique dans des conditions réalisables avec les technologies existantes. Une étude Monte Carlo a également été menée afin de comparer et de quantifier les différences entre la génération de mini-faisceaux par collimation mécanique et par focalisation magnétique. Dans un second temps, cette thèse présente une évaluation des ions d’hélium comme alternative aux protons pour la radiothérapie avec mini-faisceaux. Il a pu être démontré que les ions d’hélium peuvent être un bon compromis en offrant certains des avantages dosimétriques observés avec les ions lourds sans les risques de toxicité associés.


  • Résumé

    Despite major advances over the last decades, the dose tolerance of normal tissue continues to be a central problem in radiation therapy, limiting for example the effective treatment of hypoxic tumours and high-grade gliomas. Proton minibeam radiation therapy (pMBRT) is a novel therapeutic strategy, combining the improved ballistics of protons with the enhanced tissue sparing potential of submillimetric, spatially fractionated beams (minibeams), that has already demonstrated its ability to significantly improve the therapeutic index for brain cancers in rats. In contrast to conventional proton therapy which uses comparatively large beam diameters of five millimetres to several centimetres, minibeams require beam sizes of less than 1 mm which are challenging to create in a clinical context. So far, every implementation of pMBRT at clinically relevant beam energies could only be achieved with the help of mechanical collimators (metal blocks with thin slits or holes). However, this method is inefficient, inflexible and creates high levels of unwanted secondary particles. The optimal approach may therefore be the generation of minibeams through magnetic focussing.This thesis investigates how magnetically focussed proton minibeams can be realised in a clinical context. Starting from the computer model of a modern pencil beam scanning nozzle (the term "nozzle" describes the final elements of a clinical beamline), it could be shown that current nozzles will not be suitable for this task, since their large dimensions and the presence of too much air in the beam path make it impossible to focus the beam down to the required sizes. Instead, an optimised nozzle design has been developed and evaluated with clinical beam models. It could be demonstrated that this design allows the generation of proton minibeams through magnetic focussing and that the new nozzle can be used with already existing technology. Moreover, a Monte Carlo study was performed to compare and quantify the differences between magnetically focussed minibeams and mechanically collimated minibeams.Finally, as the second aspect of this thesis, helium ions were evaluated as a potential alternative to protons for minibeam radiation therapy. It could be shown that helium ions could present a good compromise exhibiting many of the dosimetric advantages of heavier ions without the risks related to normal tissue toxicities.


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