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Marie-Charlotte RICOL - IPNL - 19/10/2007. PROCESSUS NUCLEAIRES EN HADRONTHERAPIE.

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1 Marie-Charlotte RICOL - IPNL - 19/10/2007. PROCESSUS NUCLEAIRES EN HADRONTHERAPIE.

2 Plan. 1. Sujet de thèse. 2. Quest ce que lhadronthérapie ? 3. Problématique et méthode. 4. Approche phénoménologique. 5. Approche expérimentale. 6. Conclusion. 7. Perspectives.

3 « Etude des processus nucléaires intervenant en hadronthérapie et leur contribution à la délocalisation du dépôt de dose ». 1. Sujet de thèse.

4 Thérapie du cancer basée sur lutilisation de particules lourdes (hadrons) et les effets de leur dépôt dénergie dans la matière. Figure dillustration: Dépôts de dose relatifs dans leau par différentes particules Attention: Les processus nucléaires ne sont pas nécessairement correctement inclus. 2. Quest ce que lhadronthérapie ? (1/3)

5 Dose physique : énergie déposée dans la cible par unité de masse de matière. Unités : Gray 1Gy=1J/kg. Sievert : 1 Sv= 1 Gy x Q ( Q facteur qualité dépend de la particule). Dose létale pour un humain = 2 Sv en une fois. Dose effective : dépend de la nature de la radiation mais aussi de la composition et de la nature des tissus touchés. dose létale pour les cellules cancéreuses, épargner au maximum les tissus sains environnants. But : Définitions : 2. Quest ce que lhadronthérapie ? (2/3)

6 Faisceaux utilisés : pour une pénétration allant jusquà 30 cm dans leau : - - Protons (50 à 600 MeV) : couramment utilisés en ophtalmologie. - - Ions carbone ( 95 à 375 MeV/u) : initialement pour la tête, se généralise … Avantages des ions carbone : 1. 1.TEL élevé Peu de déviation latérale (mult. scat.) Bonne RBE : D γ / D carbone = 1.5 à 3 pour un même effet biologique La diffusion en profondeur dun faisceau est plus élevée dans le cas des protons que dans le cas des ions carbone. 2. Quest ce que lhadronthérapie ? ( 3/3)

7 A.Désaccord simulations/mesures. 3. Problématique et méthode (1/4). Sous-estimation des calculs MC des doses au delà pic de Bragg. Sasaki et al. (KEK). Dose relative (%). Profondeur dans leau (mm). Filtre avant la cible étalant lénergie de 160 à 240MeV/u. Faisceau primaire 12 C à 290 MeV/u (cyclotron) :

8 3. Problématique et méthode (2/4). B. Origine de ce désaccord mesures/simulations. Exemple: à 400 MeV/u 12 C, ~40% des projectiles engendrent un interaction nucléaire. production de fragments légers avec pouvoirs de pénétrations. Or, physique hadronique mal connue à basse énergie (pas calculable). Régime non pertubatif. Utilisation de modèles phénoménologiques basées sur les données expérimentales. Mais : Les données expérimentales aux énergies utiles pour lhadronthérapie ne sont pas encore acquises en majeure partie. Ce sont les sections efficaces totales et différentielles de production des fragments qui sont mal connues. Les Monte Carlo actuellement utilisés manquent nécessairement de précision dans leurs prédictions. Problème: Incertitudes sur les distributions des doses physiques délivrée Incertitudes amplifiées pour les doses équivalentes (Sv) puisqu'elles dépendent de la nature de la particule ( Facteur > 20 pour les neutrons de basses énergies).

9 Energie perdue par le projectile. Physique des particules, Physique nucléaire. Physique médicale, Clinique. Suivi du projectile et de ses descendants éventuels. Répartition de lénergie reçue et réponse du milieu à lexcitation. Energie reçue par la cible. 3. Problématique et méthode (3/4). C. Deux points de vue :

10 3. Problématique et méthode (4/4). D. Neutrons : Facteur dincertitude : production des neutrons. Daprès Geant4 version 8 (mesures précises manquantes) : En moyenne deux neutrons / interaction nucléaire. Spectre dominé par les basses énergies (E n < 1 MeV), isotrope. Transport de neutrons dans la matière: Relativement bien connu, i.e. MCNP ( collision, capture,..). Dose : G4: 12 C 333 MeV/u sur H 2 O : ~1% de la dose physique est déposée par les neutrons au-delà du pic de Bragg sur une profondeur de ~ 1,5 cm. (cest beaucoup.) Il faudra également y ajouter la contribution des autres fragments légers (γ, p, α,……11C ). Nécessité de connaître leur taux de production et distributions angulaires.

11 4. Approche phénoménologique (1/7). Objectif : amélioration des modèles inclus dans les MC. Compilation des données (sections efficaces) expérimentales disponibles, ou extraites indirectement à partir dautres mesures. Incorporation de ces données dans les modèles phénoménologiques existants appropriés. Insertion des mises à jours dans les simulateurs, i.e. GEANT4. Nouvelles prédictions raffinement. Gain: Mise au point dune procédure permettant dinclure les nouvelles données expérimentales au fur et à mesure des nouvelles acquisitions.

12 4. Approche phénoménologique (2/7). A. Compilation des données (sections efficaces) expérimentales. ~ 140 fichiers de données expérimentales ont été recueillis : publications et bases de données. Contiennent les sections efficaces totales et différentielles concernées par lhadronthérapie : (p,H 2 O), ( 12 C,H 2 O), ( 16 O,H 2 O) … Constatations: Manque évident de données aux basses énergies : E Projectile < 80 MeV/u. Les modèles inclus dans GEANT4 ne reproduisent pas les données recueillies, particulièrement pour E Projectile < 80 MeV/u.

13 Compilation des sections efficaces expérimentales de la réaction p+ 12 C 11 C + x en fonction de lénergie incidente du proton. Désaccord entre données pour la même réaction. Erreurs de mesures publiées probablement sous estimées ! 4. Approche phénoménologique (3/7). Problème sur les données collectées.

14 [1]. Sihver et al. «Total reaction and partial cross section calculations in proton-nucleus (Zt26) and nucleus- nucleus reactions (Zp and Zt26) » - Phys. Rev. C 47(3), p (1993). Le modèle le plus récent et le plus approprié et celui de Sihver [1]. Exemple: Section efficace totale (p, 12 C) selon [1] Problèmes: - -Ne sont incluses que les sections efficaces géométriques dans G4. - -Les valeurs numériques des paramètres publiés dans [1] ne reproduisent pas les spectres de cette même publication. 4. Approche phénoménologique (4/7). B. Modèles phénoménologiques appropriés.

15 Formule analytique à 19 paramètres pouvant décrire σ tot et σ diff pour Z proj et Z cible < 26. Le modèle incorpore: Pour les sections efficaces de réaction proton-noyau : Un terme géométrique classique, pour E p > 200 MeV polynôme dépendant de A t 1/3, pour E p < 200 MeV: fonctions exponentielles de E P. Pour les sections efficaces de fragmentation proton-noyau : Terme pour favoriser la production de fragments tels que A cible – A fragment ~0. Terme indiquant que lexcès de neutrons augmente avec le Z fragment. Terme tenant compte du caractère statistique de lévaporation nucléaire. Terme indiquant que la production de fragments légers est favorisée. Pour les sections efficaces de fragmentation noyau-noyau : Le facteur déchelle intervenant pour passer de la section efficace de fragmentation (proton- noyau) à la section efficace de fragmentation (noyau)-(noyau) tient compte : - -dun paramètre spécifique non géométrique, - -dun paramètre de recouvrement géométrique. 4. Approche phénoménologique (5/7). Modèle semi-empirique de Sihver :

16 Méthode : Minimisation de Représente une donnée d de la réaction r. Formule analytique en fonction de lensemble {A} des 19 paramètres libres. Lerreur sur la donnée expérimentale, elle est mise à 10% quand elle nest pas disponible. Minimisation: Programme MINUIT du CERN. Données: ~ 1400 points expérimentaux pour différents Z proj, Z cible et Z frag. Résultats: 19 nouveaux paramètres reproduisant ( dans les barres derreurs) les données utilisées pour lajustement (fit). Χ 2 /d.o.f = Approche phénoménologique (6/7). Réévaluation des paamètres de Sihver avec lensemble des données existantes.

17 Section efficace (mbarn ) 4. Approche phénoménologique (7/7). Exemple de fit obtenu : Energie du projectile (MeV)

18 Emetteurs β + : dispositif expérimental. 4. Approche expérimentale (1/8). A) Aspect fragmentation, exemple : émetteurs β+ (GANIL). B) Aspect macro-dosimétrique : distribution de dose (PSI, CERN). A) Aspect fragmentation, exemple : émetteurs β+ (GANIL).

19 4. Approche expérimentale (2/8). Emetteurs β+ : dispositif expérimental (suite). - Différentes cibles (eau, PMMA, teflon) ont été placées entre les deux têtes du prototype TEP. - Chaque tête du protoype TEP est équipée dune matrice de LYSO 64 pixels lu par un PM 64 voies grâce à une carte VA-TA provenant du groupe OPERA de lIPNL. - Prototype utilisé en mode gamma caméra : seules les lignes de réponse perpendiculaires à laxe du faisceau sont utilisées. Tête droite. Tête gauche. Faisceau de 13 C 75 MeV/u Exemple de ligne de réponse détectée Schéma de la vue de dessus du dispositif expérimental. cible deau

20 Beam off : GEANT4 sous estime de 10% le taux de production démetteurs β + au-delà du pic de Bragg. Bean on : GEANT4 sous estime de 41% le nombre démetteurs β+ au-delà du pic de Bragg. 4. Approche expérimentale (3/8). Emetteurs β+ : Résultats.

21 Beam off : le taux de production démetteurs β + (à 10% près) semble correct dans G4. Beam on : Raisons du désaccord : le taux de production de gammas directs (prompts) et leur matérialisation en paires e + e - dans la cible est sous estimé. Taux de random (coïncidences fortuites) élevé ( fenêtre de coinc : 20 ns). Sensibilité du LYSO aux neutrons. Halo du faisceau. Mauvais monitorage du flux incident. Actions: Révision du taux de production de gammas directs (prompts) et leur matérialisation dans la cible (en cours). Nouvelle prise de données dans de meilleures conditions (PSI - Automne 2007). 4. Approche expérimentale (4/8). Emetteurs β+ : Résultats (suite). Explications possibles :

22 4. Approche expérimentale (5/8). B. Aspect macro-dosimétrique : distribution de dose. Dispositif expérimental : - - Faisceau de protons de 63 MeV, 4cm*4cm, ~10 6 à 10 8 pps. - Cibles constituées de films dosimétriques intercalés entre des plaques de matériaux : PMMA ou graphite ou Si. - Détecteurs : BGO pour les γ, NE110 pour les neutrons. Photographie du dipositif expérimental – PSI, juillet 2007.

23 4. Approche expérimentale (6/8). Aspect macro-dosimétrique : dispositif expérimental (suite). Choix de la cible en graphite : proton 63 MeV sur carbone correspond en cinématique inverse à carbone ~13 MeV (près du pic de Bragg) sur H. Schéma de la cible en graphite. Film dosimétrique. 5*cm*5cm*0.231mm Plaque de graphite (5cm*5cm*0.19cm)

24 4. Approche expérimentale (7/8). Aspect macro-dosimétrique : Résultats préliminaires. Profils de dose transversaux ( graphite) : Echelle de couleur : Rouge : dose élevée. Bleu : dose faible. Dimensions films : 5 cm * 5 cm. Film 1 Film 8 Film 9 Film 11

25 4. Approche expérimentale (8/8). Aspect macro-dosimétrique : Résultats préliminaires(suites). Profils de dose longitudinaux ( PMMA) : Film 1 Film 12 Film 19 protons 19 films + 18 plaques de PMMA.

26 6. Conclusions (1/2) Pour pallier la mauvaise connaissance de la physique hadronique à basse énergie, et donc limprécision des prédictions de dépôts de dose des simulateurs MC, deux stratégies ont été mises en place : Approche phénoménologique : Amélioration des valeurs des paramètres dun modèle fragmentation semi-expérimental. Approche expérimentale : : - Emetteurs β+ : - mesure du profil en profondeur des émetteurs β+ dans une cible deau irradiée par un faisceau dions 13 C. Macro-dosimétrie : - mesure de profils de dose longitudinaux et transversaux dans des cibles de carbone et de PMMA irradiées par un faisceau de protons de 63 MeV. - mesure du spectre en énergie des neutrons et γ prompts émis.

27 6. Conclusions (2/2) Objectifs finaux : - - estimer lerreur sur la dose des prédictions de notre simulateur, - - disposer dun simulateur (G4) reproduisant au mieux nos mesures expérimentales.

28 7. Perspectives. - Finaliser les simulations correspondants aux mesure effectuées au PSI (en cours) : Profils de dose, Spectre en énergie des neutrons émis. - Incorporer les paramètres de Sihver modifiés dans le simulateur MC : - Evaluer lincidence de lamélioration du modèle sur les prédictions de dépôts de dose. Simulation : Mesures : Faisceau de 12 C 333 MeV/u PSI – Automne 2007.

29 Merci de votre écoute …


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