Projet GammaDosi Contrôle de l énergie déposée dans le patient lors d une hadronthérapie 1/12/2013 30/11/2015 É. Testa AG GDR MI2B 2014 Nantes É. Testa Projet GammaDosi 1 / 16
Principe du contrôle de l énergie déposée dans le patient Première étude effectuée au CAL [Carnicer Med. Phys. 2012] Détecteur γ (A) : Grande chambre à ionisation Détecteur neutron (B) : BF 3 H (10) : dose ambiante D : dose déposée dans le pic de Bragg MU : «unités moniteur» É. Testa Projet GammaDosi 2 / 16
Première étude effectuée au CAL : résultats Résultats expérimentaux 66 mesures γ 177 mesures neutron Reproductib. de quelques % Application clinique avec un seuil de détection de 5% Résultats de simu (MCNPX) H γ(10) sous-estimée d un facteur 2 H n (10) sur-estimée d un facteur 2 Bonne description des variations de H (10) H (10) : dose ambiante D : dose déposée dans le pic de Bragg MU : «unités moniteur» É. Testa Projet GammaDosi 3 / 16
Projets GammaDosi : objectif et méthode Objectif Amélioration de cette technique avec une information plus précise et en temps réel Idée : Détection des rayonnements prompts provenant du patient grâce à une sélection de TOF Méthode Mesures de rayons γ prompts (faisceaux proton et carbone) Optimisation du moniteur avec des simulations Monte Carlo Conception de l électronique de lecture des scintillateurs et du système d acquisition Test du prototype dans des centres cliniques É. Testa Projet GammaDosi 4 / 16
Principe du système de détection Informations «énergie et temps» dans le moniteur Information temporelle Hodoscope : information directe pour le temps de vol HF : besoin d une calibration (décalage de la phase entre l arrivée des ions et la HF en fonction de l énergie du faisceau en protonthérapie) É. Testa Projet GammaDosi 5 / 16
Principe du système de détection Informations «énergie et temps» dans le moniteur Information temporelle Hodoscope : information directe pour le temps de vol HF : besoin d une calibration (décalage de la phase entre l arrivée des ions et la HF en fonction de l énergie du faisceau en protonthérapie) Calibration de la relation «HF - paquet d ions» Détecteur proche du patient (rayon. prompt arrivée des ions) ou détecteur de position de la roue de modulation É. Testa Projet GammaDosi 5 / 16
Partenaires Un groupement de 3 laboratoires pluridisciplinaires Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) (resp. sci. : É. Testa) Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l Image pour la Santé (CREATIS) (resp. sci. : N. Freud) Centre Antoine Lacassagne (CAL) (resp. sci. : J. Hérault) Caractéristique du projet Durée 24 mois Date 1 er décembre 2013-30 novembre 2014 Montant 243 ke É. Testa Projet GammaDosi 6 / 16
Partenaires Un groupement de 3 laboratoires pluridisciplinaires Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) (resp. sci. : É. Testa) Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l Image pour la Santé (CREATIS) (resp. sci. : N. Freud) Centre Antoine Lacassagne (CAL) (resp. sci. : J. Hérault) Caractéristique du projet Durée 24 mois Date 1 er décembre 2013-30 novembre 2014 Montant 243 ke Répartition de la subvention Personnel 68% Prestations 2% Équipement 14% Gestion 4% Mission/conso 12% É. Testa Projet GammaDosi 6 / 16
Recrutement 24 mois de post-doc : Jochen Krimmer Mesures, simulations et développement instrumentaux Mutualisé entre les 3 partenaires 18 mois IR électronique : Loup Balleyguier Développement de l électronique analogique, numérique et de l acquisition Recrutement IPNL É. Testa Projet GammaDosi 7 / 16
4 expériences Mesures de rayons γ prompts (faisceaux proton et carbone) avec différents matériaux GANIL et Nice : expériences FranceHadron É. Testa Projet GammaDosi 8 / 16
12 C de 95 MeV/u (GANIL) : dispositif expérimental Cibles Relativement minces 1 cm H 2 O, PE, C, équivalent os Scintillateurs LaBr-2 (parallélépipède) : 25,4 25,4 76,2 mm 3 LaBr-1 (cylindrique) : = 25,4 mm, L = 50,8 mm Moniteur faisceau «Plastic-2» détectant les rayonnements secondaires générés dans la chambre à ionisation Étalonnage préalable avec un plastique inséré dans le faisceau É. Testa Projet GammaDosi 9 / 16
12 C de 95 MeV/u (GANIL) : spectres en énergie vs cible Résolution en énergie Spectre en énergie avec/sans O 5% @ 511 kev Meilleure résolution possible Peu de différence de forme de spectre 1 ère mise en évidence de raies γ C et O en faisceau carbone É. Testa Projet GammaDosi 10 / 16
12 C de 95 MeV/u (GANIL) : spectres de TOF vs cible Corrélation «Parcours - largeur du pic γ prompts» σ = 40 ps variation de parcours de 13 mm Effet observé récemment en proton [Golnik PMB 2014] Perspective de contrôle du parcours avec uniquement le TOF É. Testa Projet GammaDosi 11 / 16
p de 160 MeV/u (WPE) : dispositif expérimental Cible Épaisse PMMA (Cylindrique) : = 150 mm, L = 200 mm Scintillateurs LaBr-1 (cylindrique) : = 25,4 mm, L = 50,8 mm Moniteur faisceau Chambre à ionisation de la «nozzle» É. Testa Projet GammaDosi 12 / 16
p de 160 MeV (WPE) : spectres en énergie et TOF Spectre de TOF Spectre en énergie HF cyclo 106 MHz Ligne rouge : sélection γ prompts avec E > 2 MeV Raies plus facilement identifiables qu en carbone É. Testa Projet GammaDosi 13 / 16
p de 63 MeV (CAL) : dispositif expérimental Cibles Équivalent os de 3 cm d épaisseur Scintillateurs LaBr-2 (parallélépipède) 25,4 25,4 76,2 mm 3 LaBr-1 (cylindrique) = 25,4 mm, L = 50,8 mm NaI (cylindrique) = 76,2 mm, L = 101,6 mm Nombre d ions incidents Intensité de faisceau connue et constante É. Testa Projet GammaDosi 14 / 16
p de 63 MeV (CAL) : spectres en énergie et TOF Spectre de TOF Spectre en énergie Distinction des rayonnements prompts provenant de la cible et de la «nozzle» Taux/ion/sr cohérents entre les détecteurs É. Testa Projet GammaDosi 15 / 16
Conclusion Mesures Taux de γ en faisceau p et C avec quelques cibles et énergies Temps de faisceau courts données à compléter de manière plus systématique Distinction entre les rayons γ prompts patient/«nozzle» Électronique et acquisition Carte de lecture complète prête à tester fin novembre Puis 6 mois (IR) de tests, développement d acquisition, test sur faisceau Perspectives Développement des simulations en cours Prochaine expérience : Nice fin octobre (taux + détecteur de position de roue de modulation) Autres expériences en vue : HIT, CNAO, GANIL É. Testa Projet GammaDosi 16 / 16
Composition des matériaux Fractions massiques (%) Matériau C O H Ca N Cl Eau 89 11 PMMA (C 5 O 2 H 8 ) 60 32 8 Os cortical 31 37 3 27 2 0,04 PE 86 14 É. Testa Projet GammaDosi 17 / 16
Spectre en énergie de rayons γ prompts É. Testa Projet GammaDosi 18 / 16
Spectre en énergie de rayons γ prompts p @ 160 MeV - PMMA / p @ 63 MeV - eq. os 0.1 MeV) sr 0.05-3 10 protons 160 MeV, target PMMA protons 63 MeV, target bone t d ) 0.1 MeV 12 10-6 10 protons 160 MeV, target PMMA ( 2.5) protons 63 MeV, target bone cts/(ion 0.04 0.03 sr cts/(ion 8 6 0.02 4 0.01 2 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 E [kev] 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 E [kev] É. Testa Projet GammaDosi 19 / 16
Électronique : besoins et contraintes Besoins tagger en temps et en énergie des particules énergétiques traitements (probablement histogramme) envoi vers PC distant Contraintes Taux de comptage : 1 MHz Bruit de l ordre du % Incertitude sur le temps d arrivée < 1 ns Adaptation à plusieurs types de scintillateurs É. Testa Projet GammaDosi 20 / 16
Électronique : choix de conception Un front-end discret en mezzanine (s adapter à plusieurs cristaux/pm) Front-end sort un signal de charge et un signal pulse d arrivée de l évènement Carte d acquisition avec ADC (mesure charge), TDC (mesure temporelle), FPGA (dialogue PC+acquisition+traitements) Communication avec hodoscope pour futur avec faisceau non-pulsé É. Testa Projet GammaDosi 21 / 16
Électronique : synoptique É. Testa Projet GammaDosi 22 / 16
Électronique : avancement Front-end design + dessin PCB terminé (envoi en fabrication) Design carte d acquisition terminé (en placement routage PCB, envoi en fabrication prévu fin octobre) Firmware FPGA commencé É. Testa Projet GammaDosi 23 / 16