Suivi du pic de Bragg par détection des particules secondaires émises par la fragmentation du 12 C

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1 Suivi du pic de Bragg par détection des particules secondaires émises par la fragmentation du 12 C Marie VANSTALLE GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, DARMSTADT Biophysics department 1

2 Plan de présentation 1. Contexte - la thérapie par ions légers 2. Dispositif expérimental 3. Simulations Monte Carlo 4. Etalonnage en énergie du BaF2 (γ) 5. Résultats préliminaires pour les γ prompts 6. Conclusion/Perspectives 2

3 Physical dose (arb. units) Effective dose (arb. units) La hadronthérapie X-rays Ion beam [1] Durante et al., Charged particles in radiation oncology Nature reviews - clinical oncology, 2010 Depth in tissue (cm) Depth in tissue (cm) Hadronthérapie : - protonthérapie - thérapie par ions légers type 12 C Avantage : profil du dépôt d énergie (pic de Bragg PB) 3

4 Suivi du volume irradié [2] Schardt et al., Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits Review of Modern Physics, 2010 Actuellement : suivi du PB par méthode TEP (Tomographie à Emission de Positrons), par décroissance du 11 C produit. Inconvénient : méthode en temps réel (online) 4

5 La fragmentation, une alternative? Alternative à la méthode TEP => localisation du pic de Bragg par reconstruction des trajectoires des fragments (protons) ou profil d émission (γ). Pic de Bragg Simulation avec PHITS [3] Gunzert-Marx et al., Secondary beam fragments produced by 200 MeV/u 12 C ions in water and their dose contributions in carbon ion radiotherapy New Journal of Physics,

6 Plan de présentation 1. Contexte - la thérapie par ions légers 2. Dispositif expérimental 3. Simulations Monte Carlo 4. Etalonnage en énergie du BaF2 (γ) 5. Résultats préliminaires pour les γ prompts 6. Conclusion/Perspectives 6

7 Dispositif expérimental Faisceau : 12 C, 220 MeV/u Cible : PMMA, cm 3 Collaboration entre 3 instituts : - GSI - IPHC, Strasbourg - Université «La Sapienza», Rome Université «La Sapienza» (Rome) IPHC GSI 7

8 Mesures effectuées 1! Mesures des trajectoires des particules secondaires chargées (protons,...) 3! Start 2! Identification des particules par télescopes ΔE-E 2! 2! 2! 2! 3! Energie cinétique déterminée à partir du temps de vol 3! 1! 1! 3! Stop Stop 8

9 Un exemple ΔE (arb. units) E (arb. unists) t d p He H E (arb. units) Courtesy of M. Rovituso ΔE-E et temps de vol (Time-Of-Flight=TOF) 1 bande = 1 type de particule TOF (ns) 9

10 Plan de présentation 1. Contexte - la thérapie par ions légers 2. Dispositif expérimental 3. Simulations Monte Carlo 4. Etalonnage en énergie du BaF2 (γ) 5. Résultats préliminaires pour les γ prompts 6. Conclusion/Perspectives 10

11 Simulations Monte Carlo avec Geant4 Protons (et γ) émis à 90 par rapport à la direction du faisceau γ protons! 12 C! 12 C E = 220 MeV/u Cible PMMA 5 cm 20 cm 11

12 MC : localisation du PB avec γ prompts Nγ/N12C Corrélation forte entre la position du PB et le taux de production γ NB : γ générés dans la cible! 12

13 MC : localisation du PB avec protons Nprotons/N12C 13

14 Plan de présentation 1. Contexte - la thérapie par ions légers 2. Dispositif expérimental 3. Simulations Monte Carlo 4. Etalonnage en énergie du BaF2 (γ) 5. Résultats préliminaires pour les γ prompts 6. Conclusion/Perspectives 14

15 Le fluorure de baryum (BaF2) Scintillateur inorganique Numéro atomique (Z=56) et densité (4.88 g/cm 3 ) élevés 100% d efficacité aux ions et photons Jusqu à 20% d efficacité aux neutrons Impuretés dans le BaF2 source interne (α) : 226 Ra 4.78 MeV 222 Rn 5.49 MeV 218 Po 6 MeV 214 Po 7.69 MeV 15

16 Etalonnage du BaF2 (γ) 662 kev 137 Cs Soustraction du bruit 22 Na 1.27 MeV 511 kev MeV 60 Co En noir : source interne du BaF2 (bruit) 16

17 Etalonnage du BaF2 (γ) - exposition au 239 PuBe Zone d intérêt: pic à 4.4 MeV (3.9 et 3.4 = simple et double échappement) 3.9 MeV 4.4 MeV [4] Vega-Carrillo et al., Neutron and gamma-ray spectra of 239 PuBe and 241 AmBe Applied Radiation and Isotopes, 2002, 57 17

18 Etalonnage BaF2 (γ) QDC (pc) Energy (MeV) 18

19 Plan de présentation 1. Contexte - la thérapie par ions légers 2. Dispositif expérimental 3. Simulations Monte Carlo 4. Etalonnage en énergie du BaF2 (γ) 5. Résultats préliminaires pour les γ prompts 6. Conclusion/Perspectives 19

20 Spectres γ attendus - Monte Carlo γ prompts arrivant sur le BaF2 (pas de réponse du détecteur) Nγ/N12C 2 MeV 11 B*? 11 C*? 4.4 MeV 12 C* 20

21 Spectres γ corrigés - données Résolution en énergie BaF2 15% (de l étalonnage) 2 MeV 11 B*? 11 C*? 4.4 MeV 12 C* Elargissement des pics à 60 à cause d un effet doppler! 21

22 Comparaison avec la simulation NB : ici spectres mesurés (pas de correction d angle solide) + facteur multiplicatif de 1/5 pour Geant4 Counts / NC εsel τ Counts / NC εsel τ Energy (MeV) Energy (MeV) 22

23 Comparaison avec le LYSO (90 ) LYSO = aussi scintillateur inorganique, haute densité (7.3 g/cm 3 ) mais plus petit que BaF2 Counts/NC Ω εlyso εsel τ 4.4 MeV peak LYSO PRELIMINARY Counts/NC Ω εbaf εsel τ 4.4 MeV peak BaF2 Energy (MeV) Energy (MeV) Courtesy of M. Marafini 23

24 Mesures avec collimateur Collimateur sélection d une profondeur donnée pour suivre la position du pic de Bragg avec le taux de production des γ Exemple : 12 C : 73 MeV/u [5] Testa et al., Dose profile monitoring with carbon ions by mean of prompt-gamma measurements Nuclear Instruments and Methods B,

25 Taux de production vs profondeur de la cible Dose typique pour un traitement 60 Gy 1 Gy 10 6 ions (220 MeV/u) Corrélation entre le taux de production des γ et position du pic de Bragg MAIS Statistique trop faible pour suivi en ligne! Position du collimateur par rapport au pic de Bragg 25

26 Comparaison avec la simulation Data Geant4 Geant4 => surestimation du taux de production des γ (connu) MAIS forme similaire! 26

27 Conclusion et perspectives Bilan : - Spectres en énergie et profil d émission (γ) en accord qualitatif avec le Monte Carlo - Profil d émission des γ permet la localisation du pic de Bragg mais difficilement utilisable à cause de la stat. Perspectives : - Etude des protons avec tracker CMOS (corrélation avec données du BaF2) - Nouvelles expériences avec SOBP et fantôme anthropomorphique 27

28 Remerciements M. Marafini, I. Mattei, V. Patera, L. Piersanti, A. Sarti, A. Sciubba C. La Tessa, M. Rovituso, C. Schuy J. Baudot, C. Finck, M. Goffe, M. Winter and...p. Ortega from CERN! 28

29 Merci pour votre attention! 29

30 Annexes 30

31 La fragmentation (1)! (2)! Emission de fragments légers responsables d élargissement (1) du pic de Bragg et d apparition d une queue de distribution (2) [1] Gunzert-Marx et al., Secondary beam fragments produced by 200MeV/u 12 C ions in water and their dose contributions in carbon ion radiotherapy New Journal of Physics, 2008, 10 31

32 Spread-Out-Bragg-Peak Single beam Lateral scanning + scanning in depth 3D conformed dose 32

33 12 C vs IMRT 33

34 Le LYSO Scintillateur inorganique Lu1.8Y0.2SiO5(Ce) Numéro atomique (Z=56) et densité (7.3 g/cm 3 ) élevés 34

35 Pulse shaping Signal short Gate 50 ns long Gate 1μs Short Gate γ Internal source (α) [1] Gunzert-Marx, Nachweis leichter Fragmente aus Schwerionenreaktionen mit einem BaF2-Teleskop Detektor 2003 Long Gate 35

36 Corrections des spectres γ BaF efficiency Energy (MeV) Acceptance et efficacité du BaF2 par simulation Monte Carlo (FLUKA) par P. Ortega (CERN). 36

37 Time-Of-Flight All Protons 37

38 Sélection des γ E-ToF γ protons+neutrons 38 26

39 A propos des protons ΔE ΔE protons E E ΔE 39 E ΔE

40 Spectres en énergie (ultra preliminary) Data 40

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