L’accélérateur linéaire de radiothérapie externe

Cette section décrit le fonctionnement général des accélérateurs en prenant comme exemple le Varian TrueBeam, modélisé dans les sections suivantes. Il faut noter que certains appareils ont une géométrie assez différente comme par exemple le Radixact (Accuray) ou le Vero (Brainlab).

Les faisceaux de particules utilisés en RTE sont produits par des accélérateurs linéaires (ou linac). Ils sont capables de générer deux types de faisceaux : photons et électrons. Les faisceaux de photons ont une énergie maximale comprise entre 6 MeV et 10 MeV (dans ces travaux).

4. En anglais : Internal Target Volume 5. Imagerie par Résonance Magnétique 6. Tomographie par Émissions de Positrons 7. Tomographie d’Émission Monophotonique 8. En anglais : Computed Tomograpy

Par convention pour les photons, cette énergie est reportée avec la tension accélératrice, soit 6 MV ou 10 MV. Pour les faisceaux d’électrons, les énergies maximales vont de 4 à 18 MeV. Les électrons pénètrent peu la matière (sur une douzaine de cm pour les énergies les plus hautes). Ces derniers sont donc utilisés pour les traitements des tumeurs dites superficielles. Dans la suite de ce rapport, nous utiliserons le formalisme suivant : 6X ou 10X pour les faisceaux de photons d’énergies maximales respectives de 6 et 10 MeV et 6E, 9E, 12E et 18E pour les faisceaux d’électrons d’énergies maximales respectives de 6, 9, 12 et 18 MeV.

Deux parties peuvent se distinguer pour les linacs de RTE : la section accélératrice (pro-duction et accélération des électrons) et la tête de l’accélérateur (mise en forme du faisceau pour le traitement). La figure 1.13 schématise la composition d’un accélérateur de RTE.

1.2.3.1 Production et accélération des électrons

Un canon à électrons soumis à une tension au niveau d’une cathode (filament de tungstène) va émettre des électrons par effet thermo-ionique. Les électrons sont ensuite injectés dans la section accélératrice.

Un magnétron ou un klystron produit un champ électromagnétique de haute fréquence qui va également être dirigé vers la section accélératrice via un guide d’onde.

Le tube d’accélération est un long tube de cuivre placé dans un vide poussé et composé de multiples cavités résonnantes. Dans celles-ci, le champ électromagnétique créé par le klystron (ou magnétron) va générer des ondes stationnaires. Ces cavités sont positionnées et dimen-sionnées pour permettre aux électrons entrants (E= 50 keV), d’acquérir une énergie pouvant aller jusqu’à 20 MeV.

À la sortie de la section accélératrice, le pinceau d’électrons a un diamètre d’environ 3 mm. Celui-ci arrive dans la tête de l’accélérateur après avoir été dévié (de 270^◦ par exemple pour les linacs Varian).

Si le faisceau final est un faisceau de photons, le pinceau d’électrons va percuter une cible de tungstène pour produire des rayons X par fluorescence et rayonnement de freinage (appelé Bremsstrahlung, voir section 1.3.1.1).

1.2.3.2 La tête de l’accélérateur

Pour obtenir le faisceau de traitement, le pinceau qui sort de la section accélératrice va être mis en forme au sein de la tête de l’accélérateur. Plusieurs composants vont opérer et contrôler cette mise en forme.

Le collimateur primaire : il est de forme conique et principalement composé de tungs-tène. Il permet d’éviter la propagation des RX et donne au faisceau une section circulaire.

Un carrousel comporte les deux éléments suivants : filtre égalisateur et diffuseurs d’élec-trons. Par rotation, ceux-ci peuvent être placés dans l’axe du faisceau selon le choix du traitement.

Le filtre égalisateur : son utilisation est optionnelle pour les faisceaux de photons. Ces filtres métalliques sont de formes coniques et permettent d’obtenir un profil de dose absorbée plat à une profondeur référence dans l’eau (voir figure1.10). Un couple cible-filtre égalisateur est associé à chaque énergie de photons. Dans la suite du document, nous noterons respecti-vement FF⁹ et FFF¹⁰, les faisceaux avec et sans filtre égalisateur (voir figure1.11).

Figure 1.10 – Filtre égalisateur. Profil de dose absorbée d’un faisceau de photons à une profondeur de référence dans l’eau avec (à droite) et sans (à gauche) filtre égalisateur.

Figure 1.11 – Distribution de dose absorbée pour les faisceaux de photons : 6X et 10X avec et sans filtre égalisateur (FF et FFF) pour un champ d’irradiation de 10× 10 cm2 _{dans de} l’eau [17].

9. En anglais : Flattening Filter 10. En anglais : Free Flattening Filter

Les diffuseurs d’électrons : pour les faisceaux de traitement d’électrons, le pinceau directement issu de la section accélératrice va venir percuter de minces feuilles d’un matériau Z peu important. Les multiples diffusions coulomb au sein du matériau vont élargir le pinceau pour donner un faisceau d’environ 25× 25 cm2_.

Les chambres moniteurs : deux chambres à ionisations plates sont placées juste en dessous du carrousel dans l’axe du faisceau. Scellées, elles s’affranchissent des variations de température et de pression. Elles permettent de contrôler le débit de dose par une boucle d’asservissement dont elles sont le capteur. Elles permettent aussi d’assurer l’homogénéité et la symétrie du faisceau durant le traitement. En cas de défaut, des systèmes de sécurité stoppent l’irradiation. L’accélérateur est calibré de façon à avoir 1 cGy par UM¹¹ dans l’eau dans des conditions de référence.

Le collimateur secondaire : il est composé des mâchoires et du MLC. Les mâchoires en X et Y se composent de quatre blocs de tungstène. Elles assurent la collimation du faisceau pour lui donner une section rectangulaire. Ces mâchoires sont mobiles et indépendantes ; elles permettent une première définition de la taille du champ. Le MLC est composé de 60 paires de lames (pour le Varian TrueBeam) d’une largeur qui va de 5 à 2,5 mm au centre du champ d’irradiation. Les lames en tungstène sont mobiles et indépendantes les unes des autres. Elle peuvent ainsi adapter des formes complexes pour une meilleure conformation du faisceau. Elles sont également utilisées pour la modulation d’intensité.

Figure 1.12 – Collimateur multi-lames (MLC).

Figure 1.13 – Schéma d’un accélérateur de RTE [160].