9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Diagnostic et contrôle d’un faisceau en protonthérapie, en vue d’une alternance rapide entre salles Ludovic De Marzi CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY

Plan Le Centre de Protonthérapie d’Orsay Le projet d’alternance rapide 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Plan Le Centre de Protonthérapie d’Orsay Le projet d’alternance rapide Le contrôle de qualité du faisceau Expérimentations et résultats: -positionnement du faisceau -mesure du parcours -implémentation des nouveaux aimants Conclusion Je commencerai par décrire brievement le CPO, puis le projet, le contrôle de Q actuel, puis je présenterai les expér et résults concernant le positionnement, la mesure et l’implémentation de nouveaux aimants.

Le Centre de Protonthérapie d’Orsay 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le Centre de Protonthérapie d’Orsay Synchro-cyclotron (IPN/CNRS 1975) Dédié exclusivement au médical depuis 1991 Traitements par protons de 200 Mev (intracrânien) ou 73 Mev (ophtalmologiques) 2800 patients traités depuis 1991 Le CPO est construit autour d’un synchro initialement dédié a recherche et reconverti pour des applications médicales. Depuis 1991…

Protons : Particules lourdes et chargées 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Intérêt des protons Protons : Particules lourdes et chargées Propriétés: Parcours fini Faibles diffusions latérales de part leur masse (environ 2000 fois celle de l’électron) les protons diffusent peu latéralement. maximum de dépôt de dose en fin de parcours. Avantages: Limitation de la dose aux tissus sains Puisque qu il faut toute une infrastructure et un synchrocyclotron, quel est l’intérêt de traiter avec protons? Je vous rappelle que le proton est lourd et chargé, ce qui lui confère des propriétés particulieres: courbe. Toutefois problème du coût.

Exemple de dosimétrie prévisionnelle 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Exemple de dosimétrie prévisionnelle (photons vs protons) Ce stage m’a permis de participer au développement de nouveaux détecteurs en collaboration avec des partenaires (IPN, GANIL, INFN)

Le transport du faisceau 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le transport du faisceau Accélérateur Ligne de transport sous vide Salle de traitement Y1 Salle de traitementY2 Le faisceau de protons est tiré de l’accélérateur et transporté dans une 1ere salle sous vide: dans cette salle une série d’aimants de déviation (dipôles de type aimant d’accélérateur) et de lentilles électromagnétiques (doublets de quadrupôles) est interposée le long de la ligne de faisceau. Ces éléments permettent notamment d’agir sur le positionnement du faisceau et d’assurer son centrage dans les collimateurs. J’insiste sur l’aimant A2 qui oriente entre les 2 salles selon sa consigne. Aimant de déviation

La conformation du faisceau 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 La conformation du faisceau Gestion dynamique du faisceau Diffusion passive Une des priorités actuelles du Centre de Protonthérapie d’Orsay est d’aller vers l’alternance rapide: cest un projet qui devrait aboutir en mars 2004 et qui consite en un basculement du faisceau de particules entre deux salles de traitement en un temps inférieur à deux minutes: un tel basculement est aujourd’hui effectué en 20mn plus CQ = >30-40mn Deux équipes peuvent travailler en paralléle et demander le faisceau: chgt des parametres intervient alors: controle par rapport à la consigne et la référence du matin sont effectués. Ce projet est en partie la conséquence du vieillissement de l’aimant A2 de déviation: une spire avait courtcircuité donc besoin de la changer. Des tests indicateurs de la qualité du faisceau doivent être effectués à ce moment puis en temps réel au cours de l’irradiation. : besoins d’une nouvelle instrumentation temps réel.

Le transport du faisceau 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le transport du faisceau Ligne de mise en forme dans l’air (diffusion passive) Axe transverse Collimateur Diffuseur Intensité Diffusion Dose relative (%) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Profondeur d’eau Modulation Conformation en profondeur Profondeur d’eau Dose relative (%) Ajustement du parcours Dans chaque salle se trouve un banc optique de mise en forme du faisceau à l’air libre, lequel comprend notamment deux chambres d’ionisation fonctionnant en transmission : la première permet de mesurer le débit du faisceau amont et la seconde de monitorer la dose pendant traitement. Sont disposés sur le banc notamment un modulateur constitus de différents secteurs de matériau d’épaisseurs différentes et qui permet de superposer les pics et d’avoir une courbe de rendement en profondeur avec un plateau. On a aussi un filtre binaire qui permet d’ajouter selon la consigne et le patient une certaine épaisseur de matériau sur le trajet du faisceau et donc d’ajuster la profondeur du plateau et du parcours à la profondeur max de la tumeur. Le profil de distribution latéral de dose du faisceau est de forme gaussienne. On l’homogénéise avec le diffuseur qui permet d’élargir le faisceau et apres collimation d’obtenir une distribution plus homogène: il faut que le centrage sur ce diffuseur soit très précis pour ne pas avoir de déformations sur la distribution finale.

L’alternance rapide Changement de salle, travail en parallèle 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 L’alternance rapide Changement de salle, travail en parallèle - Aimants de déviations vers les salles de traitement : -vieillissement de l’actuel aimant A2 -technologie du feuilleté - Alternance rapide: nombre de patients doublé à partir de mars 2004 -réglage des paramètres -contrôles: consigne et référence -traitement 2 mn Une des priorités actuelles du Centre de Protonthérapie d’Orsay est d’aller vers l’alternance rapide: cest un projet qui devrait aboutir en mars 2004 et qui consite en un basculement du faisceau de particules entre deux salles de traitement en un temps inférieur à deux minutes: un tel basculement est aujourd’hui effectué en 20mn plus CQ = >30-40mn Deux équipes peuvent travailler en paralléle et demander le faisceau: chgt des parametres intervient alors: controle par rapport à la consigne et la référence du matin sont effectués. Ce projet est en partie la conséquence du vieillissement de l’aimant A2 de déviation: une spire avait courtcircuité donc besoin de la changer. Des tests indicateurs de la qualité du faisceau doivent être effectués à ce moment puis en temps réel au cours de l’irradiation. : besoins d’une nouvelle instrumentation temps réel. Évolution du contrôle de qualité : nécessité d’une nouvelle instrumentation temps réel.

Le contrôle de qualité : avant les traitements 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le contrôle de qualité : avant les traitements prédiffuseur collimateur diffuseur Profils effectué du côté technique Positionnement du faisceau Bragg effectué du côté médical Énergie du faisceau Critères du CQ: -Précision: ±0.5mm Inhomogénéité: 2% Cuve Wellhöfer Chaque matin et entre chaque chgt de salle , on effectue aujourd'hui un CQ qui consiste en une vérification du positionnement du faisceau et une mesure du parcours. Une des conséquences de mon stage est que le centrage est désormais assuré par le côté technique (qui s’occupe plutot de la ligne avant banc optique): on visualise avec wellhofer les profils et on agit en conséquence . On voit sur le schéma l’incidence d’un mauvais centrage sur diffuseur. La mesure du parcours est effectuée avec wellhofer qui permet d’avoir une précision de +-0.5mm.

Le contrôle de qualité : pendant la journée 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Le contrôle de qualité : pendant la journée collimateur diffuseur profileur Chambre à bandes Banc optique Positionnement du faisceau Vérification du positionnement avant le banc optique par les chambres à fils. Énergie du faisceau Pas de contrôle direct Pendant les traitements, plusieurs sécurités vérifient que les parametres faisceau ne divergent pas: Notamment le profileur avant banc optique avec une sécurité sur la position du barycentre en temps réel.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Le positionnement du faisceau collimateur diffuseur profileur Chambre à bandes Banc optique Objectifs: Développer une procédure de centrage avec les aimants de déviation (manuelle puis automatique) Méthodes: Test de la chambre d ’ionisation à bandes Tests de critères statistiques Conception d’un détecteur à ‘pads’ Conditions de référence: Faisceau de 200MeV Parcours de 13.9cm L’un des objectifs de mon stage était de développer une procédure de centrage avec les déviateurs de faisceau magnétiques (manuelle puis automatique). Je disposais notamment dans un premier temps d’une chambre a bandes sur le banc optique et dont je parlerai un peu plus tard.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Le positionnement du faisceau Matériel : Carte d’acquisition TERA spécifique Contrôle temps réel Données Q Coupure faisceau ou réglages paramètres QN KETHLEY Soft : ADWIN - Info. Braggomètre - Info. Strip chamber Supervision 1 64 600fC Enregistrement des paramètres Vérification des profils (symétrie, homogénéité) Vérification du parcours Alors j’ai parlé tout à l’heure d’une chambre à bandes: les données brutes issues des détecteurs placés sur le banc optique sont Traités par une carte d’acquisition TERA qui permet de lire la charge (résolution de 600fC) sur soixante-quatre canaux différents. Chaque voie est acquise par un boîtier processeur (AdwinPro de Keythley) lequel est programmé au moyen d’un logiciel spécifique ADbasic : jai programmé avec ce logiciel le traitement des données et effectué différents calculs de symétrie ou d’aplatissement sur les profils détectés. ce système de dosimétrie est donc paramétrable et modifiable à souhait. De plus, il fonctionne sur un système déterministe et indépendant

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Le positionnement du faisceau Matériel: - chambre d’ionisation à bandes (GSI) Résultats: Pour détecter en temps réel le profil du faisceau en salle de traitement, jai utilisé une chambre à bandes: construite par le service détecteur GSI, constituée de 11 bandes, … J’ai montré que la sensibilité de cette chambre était insuffisante pour vérifier le positionnement du faisceau: courbes barycentres.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Le positionnement du faisceau Matériel: - chambre d’ionisation à ‘pads’ Résultats: Suite à l’échec de la chambre à bandes, nous avons développé en interne une chambre d’ionisation à ‘pads’: constituée de petits carrés… J’ai programmé et testé plusieurs calculs sur les faisceaux mesurés: finalement, la fonction kurtosis qui traduit l’aplatissement du profil passe par un minimum quand on fait varier les déviateurs: ce minimum correspond bien à une position centrée du faisceau. Kurtosis = moment d’ordre 4

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Conclusions sur le positionnement du faisceau Une nouvelle procédure de centrage côté technique qui gère seul les paramètres machine. Aucun critère de quantification de l’inhomogénéité (qui doit rester <2%) n’a été trouvé avec Wellhöfer pour le centrage actuel. La sensibilité de la chambre à bandes est insuffisante: effets surfaciques et bruitage du signal. -La chambre à ‘pads’ (prototype) permet avec le kurtosis de trouver la position centrée du faisceau: commande au service détecteur de GSI.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats La mesure du parcours Objectifs: Étude des causes de variation de parcours et développement d’un système de mesure non intrusif. Méthodes: Étude du système de mesure du parcours en fonction des paramètres de faisceaulogie Développement du « braggomètre » Conditions de référence: Faisceau de 200MeV Un deuxieme objectif de mon stage était l’étude des causes de variation de parcours et développement d’un système de mesure non intrusif. J’ai fait plusieurs mesures du parcours lorsque les paramètres de faisceaulogie varient.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats La mesure du parcours: méthode actuelle Méthodes: -étude de la mesure du parcours Matériel: - cuve à eau Wellhöfer • Résultats: -imprécision de la mesure (mécanique et géométrique) -dépendance de l’opérateur (position du détecteur) Le faisceau est polyénergétique, on le sait car cest inhérent au principe du cyclotron, dans un certaine mesure. On le voit aussi en mesurant la pénombre qui est due d’une part au straggling en énergie, et d’autre part au straggling dans le milieu. Sur la courbe on peut voir les variations de parcours d’un jour sur l’autre: apres la mise en place d’un system de contact sur le systeme wellhofer, on voit que le parcours mesuré est stable. Jai fait varié A2 A1etc… et le parcours est stable aussi.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats La mesure du parcours: méthode actuelle Méthode: -étude de la pénombre et des paramètres du synchro-cyclotron: faisceau poly-énergétique -mesure du parcours en faisant varier les paramètres: A2, A1, A’1 -mesure lors du contrôle de qualité Matériel: - cuve à eau Wellhöfer • Résultats: Le faisceau est polyénergétique, on le sait car cest inhérent au principe du cyclotron, dans un certaine mesure. On le voit aussi en mesurant la pénombre qui est due d’une part au straggling en énergie, et d’autre part au straggling dans le milieu. Sur la courbe on peut voir les variations de parcours d’un jour sur l’autre: apres la mise en place d’un system de contact sur le systeme wellhofer, on voit que le parcours mesuré est stable. Jai fait varié A2 A1etc… et le parcours est stable aussi.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide « Braggomètre » : -ionisation dans l’air -signal recueilli sur des plaques annulaires: non intrusif, relatif -différentes épaisseurs d’aluminium devant chaque plaque Points de mesure J’ai testé un prototype actuel de mesure de la courbe de rendement en profondeur: ce détecteur est constitué de deux plaques annulaires alimentées par un 300V continu au milieu desquelles passe le faisceau sans être perturbé. Ces plaques sont divisées en 16 secteurs en aluminium d’épaisseurs différentes et on calcule à partir des signaux collectés en temps réel le parcours et la modulation du faisceau.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats La mesure du parcours: pour l ’alternance rapide Méthodes: -étude (films) pour le positionnement et le design du détecteur. -programmation et traitement des données brutes de la carte d’acquisition. Matériel: - ‘Braggomètre’ • Résultats: La position du détecteur est délicate car le faisceau doit irradier les pads uniformément et le détecteur ne doit pas perturber le faisceau. Courbe: bonne variation des parcours, pb de bruit

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Conclusions sur la mesure du parcours -Le faisceau est polyénergétique, le parcours ne bouge pas lorsque certains éléments de la ligne tels que A2 ou les déviateurs varient. La dérive en champ des aimants joue sur le centrage, apparemment pas sur le parcours. - Des améliorations du ‘braggomètre’ ont été proposées, notamment concernant la géométrie du détecteur au vu de l’expérience de la chambre à ‘pads’.  

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Implémentation des nouveaux aimants Objectifs: Étudier le comportement des aimants feuilletés soumis à une consigne ‘rapide’ (<30s) Problèmes liés aux aimants de déviation: Différentes causes de dérive en champ des aimants: -courants de Foucault induits dans le noyau -réchauffement du matériau dans le temps -dérive en température du circuit de refroidissement Hystérésis Le 3eme objectif de mon stage était d’étudier le comportement des aimants feuilletés. Jai étudié les plusierus causes de dérives des aimants de déviation ou d’accélérateur:… Aimant massif Aimant feuilleté

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Implémentation des nouveaux aimants • Matériel: -alimentations en courant (JEMA) -aimant en acier massif -gaussmètre, sonde à effet Hall • Résultats: épaisseur de feuilletage de 1.5mm<2 à 1Hz les fluctuations en courant engendrent des fluctuations en champ de même ordre de grandeur (10-5 à 5.10-4). En ce qui concerne les nouveaux aimants pour l’alternance rapide, jai pu testé la partie alimentation en courant et sa stabilité. Actuellemnt au CPO, une fluctuation en courant de 10-5 à 5.10-4 a pour conséquence un fluctuation en champ du meme ordre de grandeur: on a vérifié que cette fluctuation n’avait pas d’incidence sur les profils au niveau du patient.

Expérimentations et résultats 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Expérimentations et résultats Conclusions sur l ’implémentation des nouveaux aimants Usage du feuilleté permet d’améliorer la rapidité (moins de courants de foucault) et la reproductibilité: il pourra être utile d’alimenter ces aimants avec des cycles particuliers pour les stabiliser ou minimiser les effets des hystérésis. L’ordre de grandeur des fluctuations instantanées en courant ou en champ est trop faible pour avoir une incidence sur les profils. - A priori, prépondérance des effets thermiques sur les dérives en champ des aimants.

9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 CONCLUSION Un contrôle de qualité du positionnement du faisceau doit être réalisé en un temps très rapide pour l ’alternance rapide: de nouveaux détecteurs sont développés par le CPO et différents partenaires (IPN, GANIL, INFN, GSI). Assurance qualité pendant le traitement : une boucle de rétroaction active sur certains éléments est envisageable. Ce stage m’a permis de participer au développement de nouveaux détecteurs en collaboration avec des partenaires (IPN, GANIL, INFN)

Remerciements Samuel Meyroneinc Catherine Nauraye Régis Ferrand 9èmes Journées Jeunes Chercheurs 30Nov-5Déc 2003 Remerciements Samuel Meyroneinc Catherine Nauraye Régis Ferrand Frédéric Martin Le personnel du CPO, de l ’IPNO Ce stage m’a permis de participer au développement de nouveaux détecteurs en collaboration avec des partenaires (IPN, GANIL, INFN)