CENTRE FRANÇOIS BACLESSE CARTOGRAPHIE DES FAISCEAUX DE RADIOTHÉRAPIE PAR SCINTILLATEUR PLASTIQUE ET CAMÉRA CCD Aurélie ISAMBERT (1), Anne-Marie FRELIN (2), Jean-Marc FONTBONNE(2), Alain BATALLA(1), Thierry LEROUX(3), Anthony VELA(1), Gilles BAN(2), Karine SEBE(1), Marc LABALME(2) CENTRE FRANÇOIS BACLESSE (1) Centre Régional François BACLESSE, Unité de Radiophysique - BP 5026 - 14076 CAEN cedex (2) Laboratoire de Physique Corpusculaire, ISMRA, bd Maréchal JUIN - 14050 CAEN cedex (3) ELDIM S.A. 1185 rue d’EPRON - 14200 HEROUVILLE SAINT-CLAIR

La radiothérapie Traitement des tumeurs cancéreuses par faisceaux de photons ou électrons haute énergie Accélérateur linéaire Vue éclatée de la tête d’irradiation

La radiothérapie Effets biologiques des rayonnements ionisants : effet direct : cassure de l’ADN effet indirect : radiolyse de l’eau radicaux libres très réactifs Capacité de réparation des cellules normales > cellules tumorales Effet différentiel sur lequel se base la radiothérapie

La radiothérapie BUT : Délivrer une dose (énergie par unité de masse) homogène et suffisante à la tumeur Protéger les organes à risque PLANIFICATION individualisée du traitement Deux types de données nécessaires : les données patients (images scanner…) les caractéristiques du faisceau : Dépôt de l’énergie en profondeur, Profils des dépôts d’énergie, Facteur de transmission des modificateurs de faisceaux...

Données patients : différentes modalités d’imagerie Précision indispensable sur la délimitation des volumes d’intérêt Image fonctionnelle médecine nucléaire : TEP images M. RICARD, IGR Image morphologique IRM Image morphologique Tomodensitométrie (scanner RX)

Contourage des volumes d’intérêt Coupe transverse (image scanner RX) vessie rectum Volume à irradier (prostate)

Balistique - calcul de la dose

Caractéristiques des faisceaux : grandeurs de base Isodoses du dépôt d’énergie dans le milieu en fonction de l’épaisseur de milieu traversé Surface d’entrée 30 source Profondeur (cm) 6 MV 15 MV PHOTONS

Caractéristiques des faisceaux : grandeurs de base Surface d’entrée source Profondeur (cm) 20 4 MeV 10 MeV ELECTRONS

Caractéristiques des faisceaux : matériel de mesure Cuve à eau Chambre d ’ionisation

Limitation des systèmes de mesure actuels Cuve à eau + chambre d’ionisation : Difficulté de mise en place Temps d’acquisition : mesures ponctuelles  Pas d’équivalence eau de la chambre d’ionisation …

But de l’étude Utiliser les potentialités du scintillateur ponctuel (A-M Frelin) pour faire la cartographie des dépôts d’énergie en 3D : acquisition simplifiée des caractéristiques des faisceaux (Contrôle Qualité) ; validation de plans de traitement complexes.

Intérêt des scintillateurs plastiques Équivalence à l’eau (# tissus) Peu de dépendance en énergie (dans la gamme des hautes énergies) Intensité de la scintillation proportionnelle au débit de dose Lecture directe Composant passif : ni alimentation ni haute-tension Insensible aux variations de T° et de pression Pas de problèmes d’étanchéité Usinage facile et coût réduit Robustesse

Amplitude de la scintillation Limitations Équivalence à l’eau dégradée dans les basses énergies (variation du coefficient massique d’absorption) Sensibilité (rapport signal sur bruit) Effet Cerenkov 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 1,0 350 400 450 500 550 600 650 Longueur d’onde (nm) Amplitude de la scintillation Cerenkov Scintillation

Principe du détecteur ponctuel Scintillateur plastique + Fibre optique + photodiodes OU Scintillateur plastique + Fibre optique + caméra CCD 10 mm 10 m 2 m Scintillateur plastique Connecteur optique Fibre optique Photodiodes

Du détecteur ponctuel à la cartographie 3D acquisition du dépôt de dose par balayage Scintillateur Caméra CCD Cubes équivalents tissus

Détecteur 3D Cubes de polystyrène transparent plaque de scintillateur 25 cm plaque de scintillateur (vue éclatée)

Détecteur 3D Vue de dessus

Objectif de la caméra + porte-filtres Détecteur 3D Objectif de la caméra + porte-filtres Porte-filtres caméra

Premiers résultats Faisceau de photons 15 MV Plan transverse Données brutes : Scintillation + Cerenkov source Brique plombée Dose normalisée

Faisceau d’électrons 15 MeV Premiers résultats Faisceau d’électrons 15 MeV Plan transverse Données brutes Scintillation + Cerenkov source Dose normalisée

D = a . B + b . R Étalonnage (1 / 2) Perturbation du signal de scintillation par effet Cerenkov : étalonnage nécessaire pour remonter à la dose La quantité de lumière globale est fonction de la dose déposée l’intensité de l’effet Cerenkov Relation linéaire entre les 2 composantes du signal et la dose : D = a . B + b . R a, b = coefficients de linéarité liés aux quantités de lumière dans le bleu (B) et le rouge (R) respectivement

D = a. B+ b. R Étalonnage (2 / 2) D1 = a . B1 + b. R1 Scintillation + Cerenkov Cerenkov D1 = a . B1 + b. R1 D2 = a . B2 + b . R2 Détermination de a et b D = a. B+ b. R

Données corrigées Faisceau de photons 15 MV Plan transverse Conversion en dose source Dose normalisée

Faisceau d’électrons 15 MeV Données corrigées Faisceau d’électrons 15 MeV Plan transverse Conversion en dose source Dose normalisée

Faisceau d’électrons 15 MeV Données corrigées Faisceau d’électrons 15 MeV Même image obtenue avec un film radiologique

Détecteur 3D Motorisation : déplacement du dispositif pour cartographie 3D

Données corrigées - Faisceau de photons 15 MV Détection 3D Données corrigées - Faisceau de photons 15 MV Plans transverses Conversion en dose source

Reconstruction – plan frontal Données corrigées - Faisceau d’électrons 15 MeV Plan frontal Conversion en dose Dose normalisée source

Conclusion (1 / 2) Limitations : Rapport S / B faible (scintillateur) Phénomènes optiques Améliorer le blindage de la caméra (sensibilité au rayonnement diffusé)

Conclusion (2 / 2) Caractéristiques attendues : Outils : Résolution spatiale inframillimétrique dans les plans transverses (0,43 x 0,87 mm2) Résolution spatiale dans les plans sagittaux et frontaux dépend du nombre de plans de mesure (1 plan tous les mm) Temps de mesure : 10 s par plan (mais 1 s par plan est envisageable) Outils : Reconstruction 3D Analyse des rendements et des profils Comparaison avec le calcul (Système de planification de traitement ; codes de Monte Carlo)