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Imagerie nucléaire pour le contrôle de l’hadronthérapie

L’hadronthérapie est un outil très précis d’irradiation des tumeurs. Il est donc extrêmement important de contrôler, si possible en temps réel, que la dose prescrite par le radiothérapeute est correctement délivrée au patient.
Trois modalités d’imagerie sont actuellement à l’étude dans le cadre des programmes de recherche régional (programme de recherche ETOILE), national (GDR MI2B / Programme National de Recherche en Hadronthérapie) et européen (réseaux ENLIGHT ++, projet européen ENVISION). Ces différentes modalités consistent à exploiter les rayonnements induits lors des réactions nucléaires subies par la grande majorité des ions incidents pendant l’irradiation : les rayons gamma de haute énergie émis quasi instantanément (rayons gamma prompts), les fragments chargés et les photons de 511 keV consécutifs à la désintégration radioactive de fragments émetteur \beta^+.
Il est probable que la détection de ces 3 types de rayonnements fournisse des informations complémentaires sur la distribution de dose dans le patient et c’est la raison pour laquelle le groupe CAS-PhaBIO s’intéresse en collaboration avec différentes équipes aux 3 types de modalités de contrôle.

imagerie TEP (Tomographie par Emission de Positons)

L’équipe fait notamment partie de la collaboration nationale INNOTEP qui vise à développer une TEP avec temps de vol dédiée au contrôle de l’hadronthérapie. Les développements actuels de l’électronique d’acquisition permettent en effet d’envisager bientôt des résolutions temporelles de l’ordre de 100 ps et donc de déterminer le point d’annihilation sur les lignes de réponse avec une précision de l’ordre de quelques centimètres. Pour un même nombre de lignes de réponse, les images obtenues avec une TEP « temps de vol » sont donc de bien meilleure qualité que celle d’une TEP classique et leurs temps de reconstruction sont extrêmement réduits, de l’ordre de la seconde.
Le LPC Clermont et l’IPNL développent depuis plusieurs années une électronique frontale dédiée à un prototype de TEP pour l’hadronthérapie. Ce prototype sera disponible pour effectuer des tests en laboratoire à partir de 2010. En parallèle, un travail de simulation est mené au sein du groupe CAS-PhaBIO pour optimiser la géométrie de détection. C’est le sujet de la thèse de Loïc Lestand au LPC co-dirigée par E.Testa.

Imagerie par détection des rayons gamma prompts

Par ailleurs, l’idée de détecter les rayonnements prompts pour contrôler l’hadronthérapie apparaît comme une technique très prometteuse depuis quelques années. Le groupe CAS-PhaBIO a montré en effet qu’un contrôle en temps réel du parcours des ions est possible en détectant les rayons gamma prompts avec un système d’imagerie collimaté (caméra gamma Anger). Le groupe a également mis en évidence la nécessité d’utiliser la technique de temps de vol pour discriminer les rayons gamma prompts du fond induit principalement par les neutrons (les neutrons sont détectés quelques nanosecondes après l’arrivée des rayons gamma). Ces résultats ouvrent la voie à une méthode de cartographie 3D en ligne de la densité de dépôt d’énergie fondée sur le couplage de 2 systèmes de détection (figure 3) :

  • un détecteur, appelé hodoscope, traversé par le faisceau en amont de la cible, qui détectera les ions carbone incidents un par un, déterminant à la fois la position transverse (à un millimètre près environ) et l’instant d’arrivée de l’ion incident dans la cible (à l’échelle de la nanoseconde),
  • un système de détection des rayons gamma qui permettra d’obtenir l’ensemble du profil \gamma en une acquisition unique (position en profondeur de l’interaction). Ce système couvrira un très angle solide de manière à obtenir des taux de comptage élevés permettant d’envisager une cartographie 3D de la dose. Deux types de détecteurs sont envisagés :
    • un système de collimation multi-fentes et un multi-détecteur gamma schématisé figure 3a. Le point d’interaction nucléaire correspond à l’intersection de la trajectoire de l’ion (mesurée par l’hodoscope) et du plan de détection des photons.
    • une caméra Compton schématisée figure 3 : son principe consiste à mesurer la position et l’énergie déposée lors de l’interaction des rayons gamma dans 3 composants : deux diffuseurs et un absorbeur. A partir de ces informations, il est alors possible de déterminer l’angle d’incidence du photon sur le premier diffuseur. On obtient alors un cône dont le sommet est le point d’interaction dans ce premier diffuseur. L’intersection de ce cône avec la trajectoire de l’ion donne 2 points dont l’un correspond au lieu de l’interaction nucléaire.

figure 3 : Schéma de principe du dispositif de contrôle en ligne de la dose déposée lors d’une séance d’hadronthérapie par détection des photons \gamma prompts. 2 systèmes de détection des rayons gamma sont envisagés : a) 1 système de collimation multifentes. b) caméra Compton.

L’ensemble de ces détecteurs sont en cours de conception ou de réalisation. Le test d’un prototype d’hodoscope à fibres scintillantes est prévu à l’automne 2009. Des simulations Geant4 sont en cours à l’IPNL et à l’INSA pour étudier les performances des caméras gamma et Compton en fonction des paramètres géométriques, des résolutions spatiales, énergétiques, etc … La construction de ces prototypes sera financée par l’ANR GamHadron acceptée au printemps 2009 et dans le cadre du projet européen ENVISION.

Imagerie par détection de particules chargées

Enfin, la détection des particules chargées qui sont produites lors des réactions nucléaires et qui sortent du patient peuvent fournir une information complémentaire pour la détermination des points où ont lieu ces réactions nucléaires. L’idée est que ces points correspondent à l’intersection de la trajectoire des ions incidents avec l’une des particules chargées émergentes correspondantes. On peut également envisager de détecter plusieurs particules produites lors d’une seule et même réaction nucléaire pour effectuer une véritable reconstruction de vertex. Les premières simulations menées au sein de la collaboration entre le groupe de l’IPNL et le laboratoire TERA du CERN montrent qu’il est a priori possible d’atteindre une résolution spatiale de l’ordre du millimètre avec des taux de comptage compatibles avec un contrôle en temps réel de l’irradiation.