Conception d'un système de monitorage faisceau en radiothérapie électrons à Ultra Haut Débit de Dose

Design of an electron beam monitoring system for Ultra High Dose Rate radiotherapy

• Auteur / Autrice : Chloé Lahaye
• Direction : Jean-Marc Fontbonne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/10/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Dauvergne, Ferid Haddad, Jean-Marc Bordy, Sophie Heinrich, Claude Bailat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Dauvergne, Ferid Haddad

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation numérique directe

Chambres d'ionisation

Dosimétrie

Instruments de mesure

Mots clés libres

Système de monitorage

Instrumentation

Effet Flash

Ultra Haut Débit de Dose

Transformateur d'impulsion faisceau

Modélisation numérique

Instrumentation

Monitoring system

Dose

Ionization chamber

Flash effect

Ultra High Dose Rate

Beam current transformer

Numerical modelisation

Résumé

La radiothérapie FLASH ou à Ultra Haut Débit de Dose (UHDD) est aujourd’hui considérée comme une alternative prometteuse à la radiothérapie conventionnelle grâce à la découverte de l’effet Flash. Un effet biologique observé lorsque le traitement est délivré en une unique séance et sur un court laps de temps. Cet effet biologique réduit considérablement les effets néfastes de l’irradiation sur les tissus sains autour de la tumeur. Dans ce contexte, des machines conçues pour délivrer du UHDD sont développées pour des études précliniques de cet effet. Ces machines s’accompagnent de problématiques liées au monitorage du faisceau qui ne peut pas être réalisé par les chambres d’ionisation monitrices usuellement utilisées en radiothérapie conventionnelle. En effet, à de tels débits de dose, ce type de détecteur a une perte d’efficacité qui est trop importante et non corrigeable. Mon travail de thèse a consisté à concevoir et développer un moniteur de dose, appelé DosiFLASH, dédié à la machine ElectronFlash qui est située à l’institut Curie (Paris, Saclay) et qui délivre un faisceau d'électron avec des impulsions de l'ordre de la microseconde et un débit de dose allant jusqu'à la dizaine de Gy/µs. Ce moniteur couple deux technologies de détecteur, un transformateur d’impulsion faisceau, servant au monitorage en temps réel du faisceau et une chambre d’ionisation à air, servant à la calibration en dose du moniteur. Le transformateur d'impulsion faisceau a été entièrement conçu depuis le dimensionnement des composants, l'optimisation de l'électronique de mesure jusqu'à la calibration du détecteur. Des mesures in situ préliminaires avec le moniteur ont permis d'évaluer la stabilité du faisceau et de valider les performances de DosiFLASH sous condition faisceau. De plus, un modèle numérique a été développé pour simuler le comportement du moniteur avec ElectronFlash. En particulier, le modèle montre, au regard des données expérimentales, que la chambre d'ionisation est capable de mesurer un courant qui est proportionnel au débit de dose sur un temps au début de l'impulsion qui dépend de ce même paramètre. En utilisant la charge mesurée par la chambre d'ionisation sur ce temps caractéristique, il est possible de calibrer en dose le transformateur d'impulsion faisceau utilisé pour le monitorage. Des améliorations sont à prévoir sur le système DosiFLASH pour s'affranchir des problèmes de CEM rencontrés, intégrer un outil d'acquisition des données en temps réel et stopper la machine lorsque la consigne de dose est atteinte.

FLASH or Ultra High Dose Rate (UHDR) radiotherapy is now considered as a promising alternative to conventional radiotherapy due to the discovery of the Flash effect. A biological effect observed when the treatment is delivered in a single session and over a short period of time. This biological effect reduces considerably the side effects of irradiation on the healthy tissue around the tumour. In this context, machines designed to deliver UHDD are being developed for preclinical studies of this effect. These machines are related beam monitoring issues. Indeed, the monitor ionisation chambers, usually used in conventional radiotherapy, cannot be used in UHDD. At such dose rates, this type of detector has a loss of efficiency that is too important and uncorrectable. My thesis work focused on the design and development of a dose monitor, called DosiFLASH, dedicated to the ElectronFlash machine which is located at the Curie Institute (Paris, Saclay) and which delivers an electron beam with pulses of the order of microseconds. This monitor combines two detector technologies, a beam current transformer, used for real-time beam monitoring, and an in air ionisation chamber, used for dose calibration of the monitor. The beam current transformer has been fully designed from electronic optimization to the detector calibration. Preliminary in-situ measurements with the monitor allowed to evaluate the stability of the beam and to validate the performance of DosiFLASH under beam conditions. In addition, a numerical model was developed to simulate its behaviour with ElectronFlash. In particular, the model shows, with respect to the experimental data, that the ionisation chamber is able to measure a current that is proportional to the dose rate over a time at the beginning of the pulse. Using the charge measured by the ionisation chamber over this period of time, it is possible to calibrate the beam current transformer used for the beam monitoring. Improvements are planned for the DosiFLASH system to overcome the EMC problems encountered, integrate a real-time data acquisition tool and stop the machine when the required dose is reached.