Bien qu’il soit maintenant largement admis que les propriétés physiques des protons donnent à la protonthérapie un avantage balistique par rapport à la radiothérapie X conven-tionnelle, il reste encore la question de son dégré de maîtrise. De plus, l’image TDM-X utilisée pour déterminer les volumes d’intérêt à l’intérieur du patient dégrade la conformation de. dose dans le patient. Afin de diminuer les incertitudes liées à la conversion de l’image TDM-X en image en pouvoir d’arrêt relatif, l’imagerie proton est une des solutions possibles. La pCT classique est basée sur une approche discrétisée. Cependant, elle nécessite un haut taux d’ac-quisition permettant de suivre chaque proton (200 MHz). C’est la raison pour laquelle, une nouvelle approche intégrée a été proposée au sein de notre groupe ouvrant la voie à une ima-gerie pBCT permettant de s’affranchir des problèmes d’acquisition. Dans le chapitre 2, les outils mis en place pour la simulation des éléments du système de détection composé d’un
trajectographe et d’un range meter seront présentés. Les différentes méthodes permettant d’obtenir les grandeurs nécessaires à la pBCT seront également expliquées.
Matériels et Méthodes
Sommaire
2.1 Cahier des charges . . . . 58 2.2 Choix du détecteur . . . . 60
2.2.1 Trajectographe . . . 61 2.2.2 Range meter . . . 63
2.3 Simulations Monte Carlo . . . . 64
2.3.1 Geant4 . . . 64 2.3.2 Gate . . . 66
2.4 Grandeurs nécessaires à la tomographie . . . . 66
2.4.1 Position et largeur du faisceau . . . 67 2.4.2 Principe de la mesure en WET . . . 67 2.4.2.1 Méthode MaxMet . . . 67 2.4.2.2 Méthode de déconvolution . . . 68
2.5 Reconstruction de l’imagerie tomographique . . . . 71
2.5.1 Projection et Sinogramme . . . 71 2.5.2 Méthodes de reconstruction de l’image . . . 71 2.5.3 Reconstruction de l’image par rétroprojection filtrée . . . 72
2.6 Fantômes et métriques pour l’évaluation de la qualité d’image . . . 75
2.6.1 Uniformité . . . 76 2.6.2 Résolution spatiale . . . 78 2.6.3 Fantôme de densité électronique . . . 84 2.6.4 Fantôme du modèle tumoral et organe à risque . . . 87
Dans le chapitre précédent, le contexte général de l’utilisation de l’imagerie proton a été posé et quelques-uns de ses défis ont été illustrés tels que la réduction des marges en proton-thérapie. Dans ce chapitre, le cahier des charges pour l’imagerie pBCT sera d’abord présenté et une description des outils à mettre en place pour l’imagerie proton sera faite. Le choix des détecteurs pour la partie trajectographe et range meter sera présenté ainsi que les plates-formes de simulation utilisées. Les grandeurs nécessaires à la reconstruction tomographique vont être expliquées. Afin de déterminer les performances du systeme d’imagerie pBCT, plu-sieurs fantômes ont été étudiés.
2.1 Cahier des charges
Pour développer notre système d’imagerie pBCT, une liste de contraintes a été établie en se basant, en partie, sur le travail effectué par Rescigno et al. [Rescigno 15], ce qui a permis de définir un cahier des charges. Les contraintes identifiées de l’imagerie pBCT sont un temps d’acquisition des données de l’ordre de 5 à 10 min. Comme évoqué dans le chapitre précédent, la pBCT permet de s’affranchir des problèmes de taux d’acquisition du système de détection. L’objectif en termes de dosimétrie pour la pBCT est d’environ 50 mGy car pour la TDM-X celui-ci est du même ordre de grandeur [Schulte 04a] [Huda 16]. Pour obtenir une dose de l’ordre de 50 mGy, il est possible de combiner plusieurs paramètres tels que le nombre de projections, le nombre de protons par faisceau, le pas et la taille de faisceau. Par exemple, pour un pas de faisceau de 1 mm et une taille de faisceau de 3 mm, la dose pour une tomographie pBCT varie entre 0,625 et 80 mGy en fonction du nombre de projections et du nombre de protons par faisceau ; ceci est illustré par le tableau 2.1. L’impact sur l’image pBCT des divers paramètres présentés ici sera exploré dans le chapitre 4.
De ces contraintes découlent le cahier des charges du système d’imagerie pBCT. Les prin-cipales spécifications du cahier des charges sont résumées dans le tableau 2.2.
Les premières exigences du cahier des charges concernent les dimensions du détecteur qui sont dictées par l’objet à imager. Dans notre étude, nous nous restreignons à l’imagerie
Protons Projections 32 64 128 256
250 0,625 mGy 1,25 mGy 2,5 mGy 5 mGy
500 1,25 mGy 2,5 mGy 5 mGy 10 mGy
1000 2,5 mGy 5 mGy 10 mGy 20 mGy
2000 5 mGy 10 mGy 20 mGy 40 mGy
4000 10 mGy 20 mGy 40 mGy 80 mGy
Table 2.1 – Dose en mGy pour une tomographie pBCT en fonction du nombre de protons par faisceau et du nombre de projections par image pour un pas de faisceau de 1 mm et une taille de faisceau de 3 mm.
Catégorie Cahier des charges Spécifications
Trajectographe Dimensions 20×20 cm2
Résolution sur la position <0,2 mm Résolution sur la largeur <0,2 mm
Range meter Dimensions ≤ 30×30×30 cm3
Résolution sur la valeur du WET 1 mm
Image Taille des voxels 0,2 mm
Incertitude sur le parcours des protons <3%
Table 2.2 – Spécifications du cahier des charges pour le trajectographe, le range meter et l’image reconstruite.
d’une tête qui est une localisation parmi les plus répandues dans le traitement de cancer par protonthérapie. Dans le cas d’une imagerie d’une tête adulte, un fantôme d’eau cylindrique de diamètre égal à 20 cm a été choisi. Dans ce cas, l’énergie nécessaire pour traverser le fantôme est de 200 MeV. Un trajectographe dont les dimensions sont de 20×20 cm2 a été choisi pour imager un tel fantôme. Dans la suite de cette section, les performances pour la partie trajectographie sont basées sur le cahier des charges du dispositif de contrôle du faisceau usuellement utilisé en protonthérapie [Courtois 11]. La résolution sur la position et la largeur reconstruites du faisceau doit être inférieure à 0,2 mm et correspond à l’incertitude sur la position et la largeur du faisceau de protons reconstruit au centre du trajectographe conformément aux recommandations d’IBA pour le contrôle du faisceau [IBA-Product 17]. La réponse du détecteur dans le cas idéal doit être indépendante de la position du faisceau. Les dimensions du range meter sont de 30×30 cm2 arbitrairement supérieures à la taille du trajectographe et dont la profondeur est de 30 cm. Ce dernier est en lien avec le parcours résiduel du proton qui est d’environ 26 cm pour un faisceau de 200 MeV, ce qui a conduit à choisir arbitrairement un range meter dont l’épaisseur est de 30 cm. La résolution sur la valeur du WET doit être inférieure à 1 mm conformément aux recommandations de Schulte et al. [Schulte 04a] afin d’obtenir une incertitude sur la valeur du WET inférieure à celle due à l’étalonnage de l’imagerie X. Une taille de voxel1 de 0,2 mm a été choisie, sachant que les voxels utilisés en tomographie X varie entre 0,2 et 1 mm en fonction de la localisation et de l’utilisation. Par exemple, pour une tomographie X du crâne, une taille de voxel d’environ 0,5 mm est utilisée [Saba 17] [Logan 13]. La résolution sur la valeur du WET et l’incertitude sur le parcours des protons sont liées. Le but est d’obtenir une incertitude sur le parcours inférieure à celle induite par l’utilisation de l’imagerie TDM-X en protonthérapie, c’est-à-dire inférieure à 3%.