Connaissant désormais l’efficacité de collection de chacun des éléments de la chaîne optique, la proportion mesurée des photons de scintillation émis, TScint.
i /N0, peut être
calculée en utilisant l’équation 6.1. Les résultats obtenus sont 0.032 % pour la région spectrale bleue (i = 1, caméra CCD1) et 0.005 % pour la région spectrale verte (i = 2, caméra CCD2). Des efficacités de collection, ηO = 0.11, ont été utilisées pour les objec-
tifs photographiques, ce qui correspond à la valeur minimale obtenue parmi l’ensemble des dosimètres à la figure6.12d. L’efficacité de couplage moyenne illustrée à la figure6.1a
a été utilisée dans les calculs. Le tableau 6.3 présente l’efficacité de chaque élément de la chaîne optique pour la longueur d’onde correspondante au pic d’émission de la fibre 154
scintillante BCF-12. Le tableau montre que les pertes optiques les plus importantes sont attribuables à l’efficacité de capture des fibres scintillantes et à l’efficacité de col- lection des objectifs photographiques. Viennent ensuite l’efficacité de transmission des couplages, l’efficacité de transmission du filtre de couleur bleu et l’efficacité quantique de la caméra CCD. Les variations inter-dosimètres de l’efficacité de la chaîne optique dépendent, quant à elles, essentiellement de la qualité des couplages et des positions (i, j) sur le support.
Table 6.3 – Efficacité de la chaîne optique pour la longueur d’onde λ=435 nm corres- pondant au pic d’émission de la fibre scintillante BCF-12.
Facteur Efficacité (%) ηS 2.0 ηC 66.0 ± 25.0 A 92.4 Bi 99.5 Ki 58.7 ηO 12.2 ± 1.2 QE 49.2 Total 0.04 ± 0.02
Dans la pratique, la quantité pertinente à maximiser lors du choix du scintillateur est l’effet combiné de l’efficacité de scintillation et de l’efficacité de capture, et non pas uniquement l’efficacité de capture. Archambault et al. [46] ont comparé les intensités lumineuses produites par différents types de scintillateurs plastiques. Leurs résultats ont montré que la fibre scintillante à double gaine SCSF-78M (Kuraray co. Tokyo, Japan) était la plus efficace et émettait 20 % plus de lumière que la fibre BCF-12. La quantité de scintillation mesurée pourrait donc être augmentée simplement en modifiant le type de fibres scintillantes utilisé pour les dosimètres. Par ailleurs, l’application d’une mince couche d’un matériau réfléchissant sur les fibres scintillantes pourrait permettre, en principe, de doubler l’efficacité de capture de la scintillation en réfléchissant les photons optiques guidés initialement dans la direction opposée au couplage entre la fibre scintillante et la fibre optique. Les résultats de Lacroix [120] supportent cette hypothèse. Cependant, il serait important, dans ce cas, de caractériser l’effet du réflecteur sur la stabilité du ratio des luminosités Čerenkov puisque le réflecteur aura pour effet d’augmenter la contribution, aux signaux mesurés, de la lumière Čerenkov originalement produite en direction de la fibre scintillante et ayant traversée l’interface du couplage.
Tel qu’illustré à la figure 6.1a, un spectre lumineux donné est modifié lorsque celui-ci traverse un couplage. De plus, ceci aura pour effet d’augmenter le parcours optique du rayonnement Čerenkov et d’accroître l’importance du terme d’atténuation en fonction de la longueur d’onde dans l’équation 3.3.
Par ailleurs, l’efficacité de collection des objectifs photographiques pourrait être ac- crue considérablement en disposant les fibres optiques à l’intérieur d’un support de forme carrée plutôt que rectangulaire, ce qui permettrait d’augmenter la magnification optique. En effet, le support des fibres optiques a été conçu selon une forme rectangulaire puisqu’il avait été prévu, à l’origine, de former deux images rectangulaires (une bleue et une verte) sur un seul capteur CCD carré en utilisant deux séparateurs dichroïques. Les travaux préliminaires ont cependant montré qu’il était impossible de capturer les 781 dosimètres (1562 spots lumineux) avec une seule caméra CCD, notamment en rai- son de la perte du champ de vue causée par les cadres des séparateurs dichroïques. Par conséquent, uniquement la moitié des capteurs (environ 2000 × 1000 pixels) est occupée avec le montage actuel à deux caméras présenté à la figure4.2. En disposant les fibres optiques dans un support carré, la taille de l’objet à lire serait désormais de 70×70 mm2. La magnification optique pourrait donc être augmentée d’un facteur
1.4 en réduisant, par ce même facteur, les distances entre le support des fibres et les objectifs photographiques. Selon les calculs effectués à l’aide du logiciel mentionné à la section6.8, l’efficacité de collection des objectifs photographiques serait égale à environ 29 % dans ce cas, ce qui correspondrait à un gain de près de 115 % par rapport aux résultats de la figure 6.12d. L’équation 6.2 donne un résultat du même ordre de gran- deur. Ainsi, en combinant l’ensemble des gains possibles discutés précédemment (fibre scintillante SCSF-78M, fibres optiques d’une longueur de 1 m, séparateur dichroïque sans bandelette, support carré), l’efficacité de la chaîne optique à la longueur d’onde λ= 435 nm pourrait être augmentée à une valeur de 0.13 % (gain de 300 %) ou à une valeur de 0.26 % (gain de 600 %) dépendamment de l’utilisation ou non d’un réflecteur et ce, en modifiant très peu les composantes du détecteur matriciel.
D’autres gains potentiellement importants mais plus difficiles à quantifier sont aussi à considérer. Par exemple, la figure 6.1a a montré une très grande variabilité de l’effi- cacité de transmission des couplages. La non-constance des manipulations de l’utilisa- teur en est probablement la cause principale et l’utilisation d’outils spécialisés pourrait permettre de corriger cet aspect. L’utilisation d’une polisseuse devrait produire des polissages reproductibles, de haute qualité et pour lesquels les surfaces polies seraient 156
parfaitement perpendiculaires aux axes des fibres. L’utilisation d’un liquide de polis- sage ayant des grains de 0.05 µm pourrait aussi permettre d’augmenter les efficacités des couplages d’environ 14 % selon Lacroix [120]. Finalement, des contrôles de qualité quantitatifs et automatisés pourraient permettre d’identifier les polissages de moins bonne qualité pour que ces derniers soient repris. D’autre part, il fut remarqué que les tubes en polyéthylène, utilisés pour effectuer les couplages, ont tendance à produire des grains microscopiques opaques, lors de l’insertion des fibres dans les tubes (en raison du frottement avec la paroi interne du tube), qui se déposent sur les surfaces polies des fibres. Cet effet est visible au microscope et réduit l’efficacité de transmission des couplages. L’utilisation de tubes opaques faits d’un plastique eau-équivalent rigide pour- rait résoudre ce problème. Une seconde perte lumineuse à considérer est l’efficacité de transmission du filtre de couleur bleu qui vaut 58.7 % pour la longueur d’onde λ =435 nm. Le choix de ce filtre a été effectué sur la base de deux contraintes. Premièrement, ce filtre doit avoir une très faible épaisseur (0.1 mm pour le filtre utilisé) puisque, de manière similaire au séparateur dichroïque, les filtres possédant une certaine épaisseur génèrent des spots fantômes dans les images en raison des réflexions aux interfaces du filtre. Deuxièmement, tel que mentionné à la section 6.6, la transmission du filtre doit être la plus faible possible aux longueurs d’onde supérieures à 500 nm afin d’éliminer les spots fantômes produits par le séparateur dichroïque. Considérant ces contraintes, il n’a pas été possible de trouver un filtre absorptif pré-fabriqué ayant des caractéristiques significativement plus avantageuses que celles du filtre bleu utilisé. Cependant, certains manufacturiers peuvent concevoir, sur demande, des filtres optiques particuliers. Cette avenue pourrait donc être envisagée pour concurremment accroître l’efficacité de la chaîne optique et améliorer l’invariance du ratio Čerenkov à l’aide de l’équation3.7, tel qu’expliqué à la section 3.3.1.
L’optimisation de l’efficacité de la chaîne optique est importante à réaliser puis- qu’elle permet d’accroître la reproductibilité des mesures de dose du détecteur matri- ciel. Comme il a été démontré à la figure 4.3a, la reproductibilité des mesures diminue lorsque les doses déposées, et par conséquent les luminosités incidentes sur les capteurs CCD, diminuent. Ceci s’explique par le fait que les fluctuations aléatoires des niveaux de gris des pixels, causées par les différents bruits des caméras CCD, deviennent de plus en plus importantes par rapport aux niveaux de gris produits par la luminosité inci- dente sur les puits de potentiel, ce qui introduit des erreurs aléatoires sur les luminosités mesurées, et par conséquent sur les doses obtenues. La qualité des mesures fournies par le détecteur matriciel est donc réduite lorsque les doses déposées sont faibles. Du même
coup, ceci implique que le détecteur matriciel peut détecter uniquement les erreurs de dose supérieures aux erreurs aléatoires, ce qui limite sa capacité à identifier certaines erreurs de délivrances, en particulier celles non-reproductibles. Aussi, l’optimisation de l’efficacité de la chaîne optique est importante à réaliser puisqu’elle pourrait permettre l’utilisation des fibres scintillantes ayant des volumes sensibles plus petits que ceux ac- tuels, et ainsi améliorer la résolution spatiale des dosimètres du détecteur matriciel. Les erreurs aléatoires peuvent cependant être corrigées facilement en augmentant les doses déposées. Au cours de ce travail, les erreurs aléatoires ont été éliminées en répétant les mesures et en effectuant les analyses sur les doses moyennes de façon à caractériser la justesse de la réponse du détecteur matriciel.
Chapitre 7
Conclusion
Les dosimètres jouent un rôle essentiel en radiothérapie externe puisqu’ils permettent de quantifier les doses déposées par les appareils de traitement. Cette tâche peut ce- pendant s’avérer être difficile à réaliser dans le contexte de l’IMRT en raison de la complexité des distributions de dose et en raison des limitations des dosimètres com- merciaux actuels. L’hypothèse posée dans ce travail est que, grâce à un ensemble de propriétés uniques, les scintillateurs plastiques ont le potentiel d’améliorer la qualité et l’efficacité des dosimètres pour la radiothérapie externe, et plus particulièrement pour l’IMRT, si des détecteurs multidimensionnels justes sont développés. Afin de vérifier cette hypothèse, le présent projet fut consacré au développement et à la validation d’un détecteur matriciel 2D composé de dosimètres à fibres scintillantes plastiques.
7.1
Retour sur le travail accompli
La première étape du projet fut d’étudier la justesse de la méthode spectrale pour les situations où le rayonnement Čerenkov est dominant par rapport à la scintillation. Ce travail mena au premier article présenté au chapitre 3. Ce travail était justifié par le fait que Lacroix [120], qui utilisait la méthode spectrale, avait observé des erreurs de l’ordre de 5 % dans le profil de dose d’un champ 20×20 cm2 lorsque le rayonnement
Čerenkov était dominant. De plus, nous pouvions anticiper que ce type de situation sur- viendrait constamment dans le détecteur matriciel puisqu’il est impossible de contrôler la manière dont les fibres optiques sont irradiées dans un tel système. L’étude présentée au chapitre 3 a permis d’améliorer les connaissances relatives à la correction de l’effet Čerenkov dans les dosimètres à fibres scintillantes plastiques et de tirer trois conclusions importantes :
1. La condition nécessaire pour corriger complètement l’effet Čerenkov est que le rapport des deux coefficients d’étalonnage doit être égal au rapport des lumi- nosités mesurées du rayonnement Čerenkov dans les deux régions spectrales. Ce rapport doit demeurer constant pour l’ensemble des mesures effectuées.
2. Le rapport des luminosités mesurées du rayonnement Čerenkov peut varier consi- dérablement en fonction de l’endroit de production dans les fibres optiques en raison de la dépendance spectrale de l’atténuation optique. Il a cependant été démontré que cette variation est limitée à moins de 1 % lorsque la fibre optique Eska Premier est utilisée, ce qui en fait un élément clé du projet.
3. Le choix de la configuration des mesures d’étalonnage a un impact important sur la justesse des coefficients d’étalonnage extraits en raison des incertitudes liées à la détermination de la dose déposée dans le scintillateur. Pour solutionner ce problème, deux nouvelles procédures d’étalonnage ont été développées afin de respecter la condition spécifiée par l’équation3.7. Les résultats du chapitre3 ont montré que ces procédures permettent de déterminer avec justesse les coefficients d’étalonnage.
La seconde étape du projet fut le développement de l’infrastructure liée au détec- teur matriciel (fantôme, dosimètres, système optique, programmes informatiques), la vérification du bon fonctionnement du système, ainsi que la caractérisation de ses per- formances de base. Ce travail a donné lieu au deuxième article présenté au chapitre 4. L’étude a permis de démontrer que les distributions de dose ne sont pas perturbées (à ± 1.1 %) par la présence des dosimètres à l’intérieur du fantôme et que les doses mesurées peuvent être comparées à la dose déposée dans l’eau. L’étude a aussi révélé que la direction d’incidence des faisceaux a très peu d’effet sur la justesse de la réponse du détecteur matriciel et que les erreurs systématiques associées sont inférieures à 3 %. La capacité de lire 781 spots lumineux à une fréquence de 1 Hz en mode d’acquisition continu "fast back-to-back" a aussi été mis en évidence. Les résultats ont montré qu’en moyenne, la reproductibilité des mesures est meilleure que 1 % pour les doses dépo- sées supérieures à 6.3 cGy. Une étude détaillée de l’efficacité des éléments de la chaîne optique a été présentée au chapitre6.
La dernière étape du projet fut d’évaluer les performances du détecteur matriciel dans le contexte de l’IMRT. Cette étude a donné lieu au troisième article présenté au 160
chapitre5. Dix plans de traitement (technique step-and-shoot) ainsi qu’un plan VMAT ont été mesurés avec le détecteur matriciel. Les tests de validation ont montré que les doses mesurées étaient en excellent accord avec celles calculées par les systèmes de planification de traitement, ou avec celles mesurées à l’aide de films radiochromiques, lorsque les critères de tolérance de (3%, 3 mm) ou (4%, 2 mm) étaient utilisés. L’étude a cependant révélé que la reproductibilité du système est insuffisante pour mesurer de façon juste les faisceaux individuels des plans de traitement ayant un faible nombre d’unités moniteurs et qu’il est nécessaire de répéter quelques fois les mesures afin d’ob- tenir des doses moyennes justes. D’autre part, les limites théoriques supérieures et les capacités réelles du détecteur matriciel à discriminer les erreurs de position d’une lame et d’un banc de lame ont été déterminées à l’aide de la théorie de détection du signal.