Dosim`etres passifs

Les films sont des d´etecteurs passifs qui pr´esentent l’avantage de fournir des distri-butions de dose en deux dimensions, avec une excellente r´esolution spatiale. Il existe deux types de films : les films radiographiques et les films radiochromiques. Le film ra-diochromique (Gafchromic EBT) est plus avantageux que le film radiographique car il ne n´ecessite pas de d´eveloppement chimique, pr´esente une meilleure ´equivalence `a l’eau et aux tissus (ZEBT2 = 6,84), tout en conservant une haute r´esolution spatiale. De plus, il est possible de r´ealiser des mesures dans l’eau avec ce type de films grˆace `a leur couche protectrice en polyester. Seuls les films Gafchromic sont utilis´es au cours de cette th`ese et sont donc pr´esent´es dans ce paragraphe.

Un film Gafchromic EBT est constitu´e d’un cristal monom´erique sensible aux rayon-nements, li´e `a une matrice de polym`ere qui repose sur une base en polyester. L’irradia-tion de ces films entraˆıne une r´eacL’irradia-tion de polym´erisaL’irradia-tion qui conduit `a un changement de couleur du film. L’intensit´e de la coloration du film est proportionnelle `a la dose ab-sorb´ee, mais elle ´evolue dans le temps. Il est donc important de r´ealiser la lecture du film

`a un temps fixe apr`es l’irradiation, au moins 6 heures apr`es l’irradiation [50]. Les zones irradi´ees pr´esentent un noircissement, exprim´e en densit´e optique, qui sera d’autant plus important que la dose absorb´ee est ´elev´ee. Un densitom`etre `a transmission permet de

mesurer cette densit´e optique (DO) : o`u I0 est l’intensit´e de la lumi`ere incidente que l’on mesure en l’absence de film et I est l’intensit´e de la lumi`ere transmise `a travers le film.

La lecture des films peut ´egalement ˆetre r´ealis´ee par des scanners. La r´esolution spatiale est d´efinie en th´eorie par la taille des grains (de 1 `a 3µm) mais en pratique elle est limit´ee par la r´esolution des scanners 2D utilis´es pour la lecture des films.

Dans les films EBT2 de deuxi`eme g´en´eration utilis´es dans ce travail de th`ese, la compo-sition du polym`ere synth´etique de la couche active est contrˆol´ee par rapport aux premiers films EBT, ´evitant ainsi la pr´esence d’impuret´es avec un num´ero atomique ´elev´e qui pou-vait entraˆıner une d´ependance en ´energie de la r´eponse du film EBT. Huet et al. [51] ont observ´e une variation de la r´eponse des films EBT2 inf´erieure `a 1,5 % entre un faisceau de photons de 4 MV et de 18 MV. Butson et al. [52] ont observ´e une variation de 6,5 % de la densit´e optique pour neuf ´energies de faisceaux de photons X comprises entre 50 kV et 10 MV. La derni`ere g´en´eration de films Gafchromic (EBT3) pr´esente une d´ependance en

´energie similaire aux films EBT2 dans les faisceaux de photons de haute ´energie utilis´es en radioth´erapie [53]. Cette d´ependance est d’autant plus faible que la dose absorb´ee est

´elev´ee.

Les premiers films EBT pr´esentaient une r´eponse diff´erente selon qu’ils ´etaient scann´es en mode portrait ou en mode paysage [54] [55] [56] du fait de la structure non isotrope des cristaux pr´esents dans la couche active de ces films. Reinhardt et al. [57] ont montr´e les mˆemes variations de r´eponse en fonction de l’orientation des films pour les Gafchromic EBT3 de derni`ere g´en´eration.

D´esormais les films EBT3 pr´esentent une uniformit´e meilleure que 1,5 % [57]. De plus, ils disposent d’une structure sym´etrique permettant de scanner les films sur les deux faces sans observer de diff´erence de lumi`ere transmise, contrairement aux films pr´ec´edents EBT2. Reinhardt et al. [57] ont ´egalement montr´e que les films EBT3 pr´esentaient une variation de r´eponse inf´erieure `a 5 % au sein d’un mˆeme lot et que la variation entre diff´erents lots pouvait atteindre 12 %. Il apparaˆıt donc indispensable de faire l’´etalonnage pour chaque lot de film.

b) D´etecteur Thermoluminescent (TLD)

La thermoluminescence consiste `a mesurer apr`es irradiation du d´etecteur la lumi`ere

´emise quand il est chauff´e. Le rayonnement traversant un mat´eriau luminescent va en-traˆıner des ph´enom`enes d’excitation ou d’ionisation de la mati`ere et donc la cr´eation de porteurs de charge. Consid´erons l’exemple des ´electrons. L’irradiation leur fournit l’´energie

I.4 Probl´ematique de la dosim´etrie des mini-faisceaux suffisante pour passer de la bande de valence `a la bande de conduction (Figure I.15).

Ils peuvent ensuite ˆetre pi´eg´es sur des niveaux d’´energie situ´es dans la bande interdite avec une certaine probabilit´e ; ce sont ces ´electrons pi´eg´es qui participeront au signal de thermoluminescence (TL). Ils peuvent ´egalement tomber directement dans un centre de recombinaison et ne participeront donc pas au signal de TL. Pour connaˆıtre la quantit´e de porteurs de charge pi´eg´es, le mat´eriau est chauff´e avec une rampe de temp´erature lin´eaire.

L’´energie thermique apport´ee permet de lib´erer les ´electrons et les trous qui peuvent se recombiner dans un centre de recombinaison radiatif. Cette recombinaison s’accompa-gne de l’´emission d’un photon lumineux qui constitue le signal de thermoluminescence.

L’intensit´e des photons lumineux ´emis en fonction de la temp´erature est repr´esent´ee sur un thermogramme sous la forme d’un pic. La dose absorb´ee est alors proportionnelle `a l’int´egrale du pic de TL.

Figure I.15 –Les m´ecanismes de la thermoluminescence d’apr`es [58].

Les cristaux thermoluminescents les plus utilis´es en radioth´erapie sont les TLD

tissu-´equivalents au fluorure de lithium LiF:Mg,Ti et LiF:Mg,Cu,P ayant un num´ero atomique effectif de 8,2. Ils sont disponibles sous diff´erentes formes (poudre, cubes, cylindres).

Tout comme la dosim´etrie par film, les TLD n´ecessitent certaines pr´ecautions `a ´evaluer avant l’utilisation en routine clinique, ´etant donn´e que la r´eponse de ces dosim`etres peut pr´esenter des d´ependances avec certains param`etres (´energie, dose) [59] [60] [61] [62]. La r´eponse des TLD est lin´eaire avec la dose pour des faibles doses (jusqu’`a 1 Gy pour les LiF:Mg,Ti selon Mack et al. [63]), puis devient supralin´eaire et commence `a saturer `a environ 1 kGy. Le rapport de l’ESTRO sur la dosim´etrie in vivo pr´ecise que la r´eponse des TLD est ind´ependante du d´ebit de dose, de la temp´erature et ne pr´esente pas d’effet directionnel [64].

Le comportement d’un TLD d´epend de ses propri´et´es intrins`eques, il est donc im-portant de caract´eriser chaque TLD utilis´e. R´ecemment, Bassinet et al. [65] ont en ef-fet montr´e une variation de 5 % de la sensibilit´e dans un lot de 5 micro-cubes de TLD

7LiF:Mg,Ti. De plus, la sensibilit´e de ces micro-cubes peut varier d’un facteur 1,5 selon les

constructeurs. Les performances du syst`eme de chauffage doivent ´egalement ˆetre ´evalu´ees pour avoir des mesures reproductibles. Bassinet et al. [65] ont montr´e une tr`es bonne re-productibilit´e (<1 %) des mesures r´ealis´ees avec les micro-cubes de TLD⁷LiF:Mg,Ti, qui pr´esentent l’avantage d’avoir des petites dimensions (1 × 1× 1 mm³) pour la dosim´etrie des mini-faisceaux [66] [63] [67]. Ils ont ´egalement estim´e la perte de signal entre l’ir-radiation et la lecture, appel´e ^≪fading ^≫, `a seulement 2 % apr`es 20 jours pour ce type de TLD. La thermoluminescence qui ne permet pas une mesure directe de la dose ab-sorb´ee est cependant consommatrice de temps (´etalonnage individuel des TLD, irradia-tion, pr´echauffage, chauffage, vidage de l’´echantillon). Mais cette technique est largement utilis´ee en dosim´etrie in vivo [64] [68], ainsi que par les institutions de contrˆole de qualit´e externe telles qu’EQUAL ESTRO en Europe [69].

I.4.2 D´ ebit de r´ ef´ erence en mini-faisceaux, formalisme IAEA

Dans le cas de certaines machines de st´er´eotaxie, le champ maximal d’irradiation est inf´erieur au champ de r´ef´erence de 10 × 10 cm² recommand´e par les protocoles de dosim´etrie. Les constructeurs recommandent donc de nouvelles conditions de r´ef´erence.

R´ecemment, l’IAEA et l’AAPM ont form´e un groupe de travail qui a publi´e un nou-veau formalisme sur la dosim´etrie dans des conditions de non-r´ef´erence, `a savoir les mini-faisceaux statiques et les mini-faisceaux RCMI (Radioth´erapie Conformationnelle par Modula-tion d’Intensit´e) [70] (FigureI.16). Ce nouveau formalisme introduit un champ de r´ef´erence sp´ecifique `a chaque machine de st´er´eotaxie (fmsr) pour laquelle les conditions de r´ef´erence ne peuvent pas ˆetre obtenues. Ce champ doit ˆetre le plus proche possible des champs con-ventionnels de radioth´erapie. Le formalisme introduit ´egalement un facteur de correction sp´ecifique `a la machine et au d´etecteur utilis´e, qui d´epend aussi de la taille de champ et de l’´energie du faisceau : k<sub>Q</sub><sup>fmsr</sup><sub>msr</sub><sup>,f</sup><sub>,Q</sub><sup>ref</sup>. Ainsi, pour le nouveau champ de r´ef´erence fmsr, la dose absorb´ee dans l’eau D<sup>f</sup><sub>w,Q</sub><sup>msr</sup><sub>msr</sub>, `a la profondeur de r´ef´erence dans l’eau et pour une qualit´e de faisceau Qmsr, est donn´ee en Gy par la relation suivante :

D_w,Q^fmsr_msr =M_Q^fmsr_msr.ND,w,Q0.kQ,Q0.k^f_Q^msr_msr^,f_,Q^ref (I.17) Q est la qualit´e du faisceau de r´ef´erence fref de radioth´erapie conventionnelle. M_Q^fmsr_msr correspond `a la lecture en Coulomb du dosim`etre dans le champ fmsr corrig´ee si besoin de param`etres tels que la pression, la temp´erature, l’effet de recombinaison et l’effet de polarit´e. ND,w,Q0 etkQ,Q0 sont respectivement le coefficient d’´etalonnage en Gy.C⁻¹ et le facteur de correction de qualit´e de faisceau d´efinis en radioth´erapie conventionnelle dans les conditions de r´ef´erence. Le facteur k_Q^fmsr_msr^,f_,Q^ref prend en compte la diff´erence de r´eponse de la chambre d’ionisation entre les champs fref et fmsr. Il est d´efini par la relation suivante :

k^f_Q^msr_msr^,f_,Q^ref = D^f_w,Q^msr_msr/M_Q^fmsr_msr

D^f_w,Q^ref/M_Q^fref (I.18)

I.4 Probl´ematique de la dosim´etrie des mini-faisceaux Le groupe de travail de l’IAEA et l’AAPM poursuit actuellement cette ´etude et ceci d´ebouchera sur un nouveau protocole pour l’´etalonnage en mini-faisceaux.

Figure I.16 – Nouveau formalisme de mesure de la dose absorb´ee en mini-faisceaux, par l’IAEA et l’AAPM [70].

I.4.3 Facteur Ouverture Collimateur en mini-faisceaux

I.4.3.1 Manque d’´equilibre ´electronique lat´eral et d´etecteur non ´