La dosimétrie pour les nuls

Transcription

1 Lille, le 5 Mars 2015 La dosimétrie pour les nuls Erwann Rault (Physicien médical, PhD) Centre Oscar Lambret - Lille Nick Veasey (x-ray running skeletons)

2 E Effets biologiques des rayonnements ionisants But du concept de dose: relier ce qui se passe Concept de dose au niveau physique aux effets biologiques.

3 P Plan du cours Attention: ce cours traitera seulement des photons et des électrons. 1. La dose: généralités Dépôt de la dose dans la matière Principales unités de dose / Définitions 2. Faisceaux de particules Mesure physique de la dose Faisceaux de photons Faisceaux d électrons 3. Planification 3D-CRT Les bases Exemples de plans de traitement

4 La Dose: La Dose: Généralités Généralités

5 1 Ionisations Base des effets biologiques

6 1 Rayonnements ionisants Ionisation directe ou indirecte Rayonnements directement ionisants (particules chargées) Dépôt d énergie dans la matière grâce aux interactions coulombiennes des particules chargées et des électrons orbitaux des atomes. Absorption d énergie (une grande partie de l énergie de la particule incidente est absorbée localement).

7 1 Rayonnements ionisants Ionisation directe ou indirecte Rayonnements indirectement ionisants (particules non chargées) Dépôt d énergie dans la matière en 2 étapes: (1) émission d une particule chargée dans le milieu puis (2) interactions de la particule chargées avec les électrons orbitaux. Transfert d énergie (une partie de l énergie de la particule incidente est transférée à un électron qui va interagir avec le milieu).

8 1 Rayonnements ionisants Absorption / transfert d énergie Electrons: la plupart de leur énergie est absorbée localement Absorption d énergie Photons: leur énergie est d abord transférée à des particules chargées avant d être absorbée localement Transfert d énergie

9 1 Grandeurs dosimétriques Que se passe-t-il localement? Quantité dosimétrique (J/kg) = Energie transférée/absorbée Masse

10 1 Le KERMA Pour les particules non chargées Le KERMA (Kinetic Energy Released per unit MAss) correspond à l énergie moyenne transférée par les particules neutres aux particules chargées dans un volume unitaire, indépendamment des interactions qui vont intervenir ensuite. (Gy)

11 1 La dose absorbée Finalement La dose absorbée (en Gy) dans le volume V est l énergie moyenne dans ce volume divisée par la masse du volume.

12 1 La dose absorbée Finalement Comme les électrons se déplacent dans la matière et déposent leur énergie le long de leur trajet, l absorption d énergie n a pas lieu au même endroit que le transfert d énergie (KERMA).

13 1 La dose absorbée Conclusion La dose est donnée par les électrons secondaires!

14 Faisceaux Faisceaux de particules de particules

15 2 Mesure physique de la dose En pratique? 2

16 2 Mesure physique de la dose Etalonnage de l accélérateur S 10x10 cm 2 90 cm 10 cm L étalonnage de l accélérateur a pour but de définir la dose par UM dans les conditions de référence. Tous les traitements sont réalisés à partir de cet étalonnage.

17 2 Mesure physique de la dose Etude des faisceaux Faisceau de particules Directions x et y: profils Direction z: rendements en profondeur y x z

18 2 Mesure physique de la dose Rendement en profondeur Rendement en profondeur zone de build up maximum z décroissance z x y

19 2 Mesure physique de la dose Profils de dose Profil de dose plat (cône égalisateur) pénombre en bord de champ z x y

20 2 Faisceaux de photons Rendement en profondeur

21 2 Faisceaux de photons Dose a l entrée Dose 100 D E z max Profondeur Dose à l entrée: D E Contributions spécifiques: - photons primaires - photons diffusés (collimateur, filtre égalisateur et air) - électrons de contamination produits dans la tête de l accélérateur

22 2 Faisceaux de photons Build up Dose 100 D E z max Profondeur Zone de build up: région entre z=0 et z=z max Cette région résulte du parcours relativement long des particules chargées secondaires (électrons éjectés par les interactions des photons) dans le milieu. A zmax, l ensemble des particules chargées sortant d un petit volume est le même que le nombre de particules entrant dans ce volume. Après le build up, on est dans les conditions d équilibre électronique.

23 2 Faisceaux de photons Build up

24 2 Faisceaux de photons Après zmax Dose 100 Zone de décroissance de la dose deux effets principaux: 1. la loi de l inverse carré des distances (faisceau divergent) 2. l atténuation et la diffusion des photons dans le patient. D E z max Profondeur

25 2 Faisceaux de photons Loi de l inverse carré des distances

26 2 Faisceaux de photons L atténuation des photons

27 2 Faisceaux de photons Influence de l énergie

28 2 Faisceaux de photons Taille de champ

29 2 Faisceaux de photons Influence de la DSP

30 2 Faisceaux de photons Profils de dose Région centrale Plate grâce au filtre égalisateur D 50 Pénombre (région 20%-80%) Leur taille dépend: - de la taille de la source - de la taille de champ - de l équilibre électronique latéral (énergie).

31 2 Faisceaux de photons Profils de dose (machines récentes) Fogliata et al. Definition of parameters for quality assurance of flattening filter free (FFF) photon beams in radiation therapy Med. Phys. 39(10) October 2012

32 2 Faisceaux de photons Conclusion Paramètres importants sur le rendement en profondeur: - Energie: si E dose à la peau dose en profondeur - DSP: si DSP rendement en profondeur - Taille de champ: si elle dose à la peau profondeur du max Peu d influence sur profils et pénombres.

33 2 Faisceaux d électrons Caractéristiques Faisceaux d électrons: mono-énergétiques Dose 100 D E Prescription: le volume cible irradié à une valeur de dose supérieure à 85% de la dose maximale: parcours thérapeutique. 50 R 100 R 85 R 50 R p Queue de distribution de dose due aux photons bremsstrahlung. Profondeur

34 2 Faisceaux d électrons Influence de l énergie PDD: Avec l énergie augmentent - la dose a la surface - la profondeur thérapeutique - la contamination bremsstrahlung Rqe: zmax ne varie pas relativement à l énergie Profils: La pénombre augmente avec l énergie.

35 2 Faisceaux d électrons Influence de la taille de champ PDD: Au dessus de 7x7 cm 2 peu d influence de la taille de champ sur le PDD. Profils: Peu de variation avec la taille de champ

36 2 Faisceaux d électrons Influence de la taille de champ

37 2 Faisceaux d électrons Influence de la DSP PDD: peu d influence de la DSP Profils: peu d influence de la DSP

38 2 Faisceaux d électrons Conclusions Les électrons sont très complémentaires des photons. Ils sont adaptés aux tumeurs superficielles. Inconvénients de ces faisceaux: 1. la largeur de pénombre est beaucoup plus importante qu avec des faisceaux de photons. 2. Ils sont très sensibles à l obliquité et aux hétérogénéités. 3. Attention aux mini-faisceaux!

39 Planification Planification 3D-CRT 3D-CRT

40 3 Planification 3D-CRT Position du problème On doit irradier le PTV à une dose suffisante pour obtenir un effet thérapeutique tout en limitant la dose aux organes à risque et aux tissus sains.

41 3 Planification 3D-CRT Radiothérapie conformationnelle La radiothérapie conformationnelle s efforce de résoudre ce problème avec un nombre limité de faisceaux (typiquement < 6) et en utilisant le collimateur multi-lames présent sur la grande majorité des accélérateurs.

42 3 Planification 3D-CRT Radiothérapie conformationnelle La radiothérapie conformationnelle s efforce de résoudre ce problème avec un nombre limité de faisceaux (typiquement < 6) et en utilisant le collimateur multi-lames présent sur la grande majorité des accélérateurs.

43 3 Planification 3D-CRT Beam eye view

44 3 Traitement d une vertèbre Cas simple, 1 faisceau

45 3 Traitement d une vertèbre Influence de l énergie 20 MV 6 MV

46 3 Traitement d une vertèbre Utilisation d un filtre Faisceau ouvert Filtre

47 3 Traitement d une vertèbre 2 faisceaux, meilleure homogénéité dans le PTV Même contribution des faisceaux Contribution du faisceau antérieur plus faible

48 3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

49 3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

50 3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

51 3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

52 Annexes Annexes

53 1 Fluence Caractérisation du flux de particules La fluence a été introduite pour déterminer le nombre de particules passant par un point P. La fluence Ф est le nombre de particules entrant dans la sphère divisé par l aire de section de la sphère da.

54 1 Fluence Caractérisation du flux de particules On distingue deux types de fluence: la fluence particulaire (Ф) de la fluence énergétique (ψ).

55 1 Le CEMA Pour les particules chargées Le CEMA (Converted Energy per unit MAss) correspond à l énergie moyenne convertie par collision avec des électrons atomiques par les particules chargées dans un petit volume indépendamment de ce qu il se passe après. (Gy) CEMA: correspond a l énergie perdue par collision par les électrons incidents KERMA: correspond a l énergie transférée par les particules neutres aux particules chargées

56 1 Energie impartie Energie déposée localement L énergie impartie est la somme des énergies déposées dans un petit volume par toutes les interactions qui y ont lieu.

57 1 Dépôt d énergie Base de la dosimétrie Le dépôt d énergie ε i est relatif à une seule interaction. Il réfère à l énergie déposée localement lors de cette interaction. ε i = ε in ε out + Q (J) Où: ε in est l énergie de la particule ionisante incidente ε out est la somme des énergies de toutes les particules ionisantes quittant l interaction. Q est la somme de toutes les modifications de l énergie de masse des noyaux et de toutes les particules intervenant dans l interaction.

58 2 Faisceaux de photons Dose de sortie Patient Source Dose 100 D S Dose de sortie: D S La dose en sortie de patient diminue plus rapidement qu au centre de celui-ci. Cette effet est dû, comme en entrée, au défaut d équilibre électronique. Cet effet est cependant limité et souvent ignoré. D E z max Profondeur