Projet ANR DIADOMI

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directionnel sur la r´eponse des diodes n’avait pas d’influence en pratique pour ce type de mesures.

I.4.5.3 D´etecteur non ´equivalent-eau

Pour les mesures de profils r´ealis´ees avec les films radiographiques qui ne sont pas suffisamment ´equivalents-eau, l’augmentation des photons et ´electrons diffus´es de basse

´energie dans les zones de p´enombre peut entraˆıner l’´elargissement de celles-ci. L’aug-mentation des largeurs de p´enombre avec les films radiographiques est due ´egalement au syst`eme de lecture et `a sa r´esolution spatiale. La diode apparaˆıt comme le dosim`etre le plus appropri´e pour ce type de mesures notamment `a cause de son tr`es petit volume de d´etection, mais Heydarian et al. [71] ´evoquent tout de mˆeme le fait que le silicium et les mat´eriaux de Z ´elev´es qui constituent la diode pourraient diminuer le parcours des

´electrons dans les zones de p´enombre par rapport `a l’eau, et donc cela pourrait entraˆıner une diminution de la largeur des p´enombres.

I.5 Projet ANR DIADOMI

Le travail de th`ese pr´esent´e dans ce manuscrit s’inscrit dans le projet ANR DIADOMI qui concerne le d´eveloppement d’un dosim`etre DIAmant pour la mesure de la DOse en MIni-faisceaux. Ce projet a d´ebut´e le 1erAvril 2011 pour une dur´ee de 3 ans. Les objectifs de ce projet ainsi que la pr´esentation des diff´erents partenaires et de leurs rˆoles sont r´esum´es dans ce qui suit. Les crit`eres d´efinis dans le cadre de ce projet et permettant d’´evaluer le dosim`etre diamant d´evelopp´e au cours de cette th`ese sont ´egalement pr´esent´es.

I.5.1 Contexte

Comme nous l’avons vu pr´ec´edemment, la probl´ematique dosim´etrique li´ee aux mini-faisceaux concerne principalement la taille des d´etecteurs et leur non ´equivalence `a l’eau.

Actuellement, il n’existe pas de syst`eme de d´etection enti`erement fiable pour caract´eriser de mani`ere pr´ecise les mini-faisceaux, la plus grande difficult´e ´etant la d´etermination des FOC en mini-faisceaux. La dispersion des valeurs de FOC mesur´ees avec diff´erents d´etecteurs augmente lorsque la taille du champ diminue et peut atteindre plusieurs dizaines de pourcents pour les plus petites tailles de champs [22]. Le traitement par mini-faisceaux bas´e sur la d´elivrance d’une dose ´elev´ee comporte donc des risques li´es `a ce manque de syst`eme de mesure de dose.

L’utilisation d’une chambre d’ionisation de large volume pour la d´etermination des FOC en mini-faisceaux a conduit `a un sur-dosage chez 145 malades trait´es par radiochirurgie

intracrˆanienne en 2007 au CHU de Toulouse [5]. L’Autorit´e de Sˆuret´e Nucl´eaire (ASN) s’est vue confier une mission d’expertise suite `a cet accident. L’ASN et l’Agence Fran¸caise de S´ecurit´e Sanitaire des Produits de Sant´e (AFSSAPS, d´esormais nomm´ee ANSM) ont alors saisi l’IRSN pour ´etablir un protocole national d’´etalonnage des mini-faisceaux utilis´es en radioth´erapie st´er´eotaxique. Dans son rapport final publi´e en 2008, l’IRSN met en ´evidence le manque de consensus quant au meilleur d´etecteur `a utiliser [4].

I.5.2 Objectifs

L’objectif du projet DIADOMI dans lequel s’inscrit ce travail de th`ese est de d´evelopper un dosim`etre en diamant synth´etique permettant la mesure de la dose absorb´ee en mini-faisceaux avec une pr´ecision ´elev´ee, requise pour les traitements de st´er´eotaxie. D’apr`es les probl`emes de dosim´etrie en mini-faisceaux ´evoqu´es pr´ec´edemment, le dosim`etre doit pr´esenter de tr`es petites dimensions (volume actif inf´erieur `a 1 mm3) et ˆetre suffisamment proche de l’´equivalence-eau. Les propri´et´es du diamant en font un candidat id´eal pour la dosim´etrie des mini-faisceaux, notamment par son num´ero atomique Z=6 proche du Z effectif de l’eau et des tissus (Z≃7,4), ainsi que par sa sensibilit´e ´elev´ee qui permet de r´eduire les volumes de d´etection. L’encapsulation du diamant doit ´egalement contenir des mat´eriaux proches de l’´equivalence-eau. Enfin, l’avantage du diamant synth´etique par rapport au diamant naturel est l’am´elioration de la reproductibilit´e des ´echantillons du fait du contrˆole des conditions de croissance, ainsi que des coˆuts plus faibles ´etant donn´e que les temps de production des ´echantillons synth´etiques sont plus courts que les temps de s´election du diamant naturel. L’objectif est d’arriver `a terme `a l’´etablissement d’un protocole de mesure dans les mini-faisceaux au moyen d’un dosim`etre diamant, en termes de dosim´etrie absolue et de dosim´etrie relative.

I.5.3 Partenaires

Pour mener `a bien ce projet, diff´erents partenaires s’associent pendant ces trois ann´ees,

`a savoir le CEA-LIST, l’IRSN, la soci´et´e Plassys Bestek et quatre centres hospitaliers o`u sont r´ealis´es des traitements de radioth´erapie par st´er´eotaxie :

– Le Centre Hospitalier Universitaire de la Piti´e Salpˆetri`ere (APHP - Paris) disposant d’un acc´el´erateur Varian Clinac 2100 C muni du mMLC m3 de Brainlab qui permet de cr´eer des faisceaux de photons de 6× 6 mm2 `a 100× 100 mm2 d´efinis `a 100 cm de la souce, de 6 MV ou de 18 MV. Les d´ebits de dose disponibles sur cette machine s’´etendent de 80 UM.min1 `a 400 UM.min1.

– L’Institut de Canc´erologie de Lorraine Alexis Vautrin (Nancy) disposant d’un acc´el´e-rateur CyberKnife muni des collimateurs circulaires permettant de d´efinir des fais-ceaux de 6 MV dont la taille varie de 5 mm `a 60 mm de diam`etre `a 80 cm de la

I.5 Projet ANR DIADOMI source. Le d´ebit disponible sur cette machine est de 600 UM.min−1.

– L’Institut de Canc´erologie de l’Ouest Ren´e Gauducheau (Nantes) avec l’acc´el´erateur Novalis, permettant de cr´eer des faisceaux de photons de 6 MV avec des tailles de champs carr´es de 6 × 6 mm2 `a 100 × 100 mm2, d´efinis `a 100 cm de la source. Il pr´esente ´egalement des collimateurs additionnels de 4 mm `a 15 mm de diam`etre.

Les d´ebits disponibles sur cette machine varient de 160 `a 800 UM.min−1.

– Le Centre de Lutte Contre le Cancer L´eon B´erard (Lyon) avec l’acc´el´erateur Elekta Synergy ´equip´e d’un MLC Agility permettant de cr´eer des faisceaux de photons de 6 MV et 18 MV avec des tailles de champs carr´es variant de 5 × 5 mm2 `a 400×400 mm2. Cette machine fonctionne avec un d´ebit maximal de 600 UM.min−1.

Le rˆole de chaque partenaire est d´efini de la mani`ere suivante : le CEA-LIST doit utiliser son expertise sur le mat´eriau diamant pour la fabrication du diamant synth´etique et la caract´erisation des propri´et´es du mat´eriau requises pour la d´etection de rayonnement.

Ce partenaire doit ´egalement r´ealiser un travail de compr´ehension des ph´enom`enes physiques li´es aux mini-faisceaux grˆace `a l’utilisation des simulations MC. Ces simulations r´ealis´ees avec le code PENELOPE ont surtout un int´erˆet pour l’optimisation de la g´eom´etrie du dosim`etre et des mat´eriaux qui le constituent. L’objectif est d’obtenir un dosim`etre dia-mant proche de l’´equivalence-eau ne pr´esentant pas de d´ependance en ´energie. Enfin, le CEA-LIST, `a travers le LNHB, a pour tˆache de r´ealiser des mesures de dosim´etrie rela-tive ainsi que des ´etalonnages du dosim`etre diamant dans des champs de r´ef´erence de la radioth´erapie conventionnelle.

La tˆache de l’IRSN consiste tout d’abord `a r´ealiser des mesures sur les diff´erentes installations du projet DIADOMI avec des d´etecteurs passifs et actifs commercialis´es : des micro-cubes 7LiF:Mg,Ti de dimensions 1 × 1 × 1 mm3 (Harshaw) [65], des films Gafchromic EBT2 [51], la diode blind´ee EDGE Sun Nuclear, la diode non blind´ee PTW 60017, la chambre d’ionisation PinPoint PTW 31014 et le diamant naturel PTW 60003 [79]. Ces mesures ont pour objectif d’ˆetre compar´ees aux r´esultats exp´erimentaux obtenus avec le prototype de dosim`etre diamant d´evelopp´e par le CEA-LIST. Enfin, un travail de mod´elisation du CyberKnife de l’ICL Alexis Vautrin doit ´egalement ˆetre r´ealis´e par l’IRSN au cours du projet, `a l’aide du code MC PENELOPE. Ces calculs repr´esentent un autre

´el´ement de comparaison des mesures faites avec le dosim`etre diamant synth´etique.

Enfin, la partenaire industriel Plassys Bestek a pour rˆole le d´eveloppement d’un r´eacteur de croissance de type industriel dans le but d’obtenir un grand nombre de dia-mants monocristallins synth´etiques reproductibles, avec comme objectif leur int´egration dans le dispositif et la commercialisation de ces dosim`etres.

I.5.4 Cahier des charges

Le dosim`etre diamant d´evelopp´e au cours de cette th`ese et dans le cadre du projet DIADOMI doit permettre de caract´eriser les mini-faisceaux par des mesures pr´ecises de d´ebit de r´ef´erence, de profils de dose, de rendements en profondeur et de facteurs ouverture collimateur. En radioth´erapie conventionnelle, la pr´ecision requise sur la dose d´elivr´ee au volume cible est ± 5 % (1σ) d’apr`es Ahnesj¨o et Aspradakis [84]. Actuellement, les pr´ecisions requises pour les mesures de dosim´etrie absolue et relative sont respectivement 2,0 % et 1,1 % d’apr`es le Tableau I.2.

Etape du processus de d´etermination de la dose ∆D(1σ)D (%) D´etermination de la dose absolue au point d’´etalonnage 2,0

Autres points de mesure : incertitude additionnelle 1,1

Stabilit´e du moniteur 1,0

Homog´en´eit´e du faisceau 1,5

Incertitudes sur les donn´ees du patient 1,5

Calcul de la dose 3,0

Mise en place du faisceau et du patient 2,5

Tableau I.2 – Pr´ecisions `a atteindre sur la dose d´elivr´ee au patient en radioth´erapie externe avec des faisceaux de photons d’apr`es [84].

Les diff´erents centres hospitaliers de DIADOMI ont d´efini un cahier des charges pour le dosim`etre diamant, afin d’atteindre les pr´ecisions d´ecrites pr´ec´edemment.

Le dosim`etre diamant doit satisfaire tous les crit`eres requis en radioth´erapie conven-tionnelle ainsi que ceux n´ecessaires aux mesures en mini-faisceaux dans des tailles de champs variant de 4 mm `a 100 mm de cˆot´e ou de diam`etre.

Concernant la g´eom´etrie du d´etecteur, les dimensions du volume sensible doivent ˆetre suffisamment petites, inf´erieures `a 1 mm dans chaque direction, pour permettre les mesures dans les tr`es petits champs, tout en maintenant un bon rapport signal sur bruit.

L’ensemble du d´etecteur doit ˆetre constitu´e de mat´eriaux ´equivalents-eau pour ne pas pr´esenter de d´ependance de la r´eponse avec l’´energie, aussi bien lorsque la taille de champ varie que lorsque l’´energie du faisceau de photons incident varie.

Le manche et le cˆable du d´etecteur ne doivent pas non plus perturber la r´eponse du dosim`etre. Pour cela, une position verticale du d´etecteur est attendue, permettant d’avoir le cˆable parall`ele `a l’axe du faisceau, notamment pour les mesures de FOC.

Pour faciliter son utilisation et ne pas avoir `a modifier la chaˆıne de mesure des hˆopitaux, il doit ˆetre adaptable aux diff´erents syst`emes d’exploration de faisceaux et

I.5 Projet ANR DIADOMI aux ´electrom`etres du commerce. Enfin, le d´etecteur doit pr´esenter une bonne r´esistance aux rayonnements ionisants et ˆetre ´etanche pour les mesures dans l’eau.

Concernant les caract´eristiques de la r´eponse du d´etecteur, celle-ci doit ˆetre suffisante pour r´ealiser une mesure avec le maximum de pr´ecision. Un rapport signal sur bruit sup´erieur `a 1000 et une sensibilit´e de d´etection sup´erieure `a 1 nC.Gy−1 sont demand´es.

D’apr`es le protocole IAEA 398 [19], la variation de la r´eponse du d´etecteur avec l’´energie du faisceau ne doit pas exc´eder 1 %. Pour ´etudier cette d´ependance avec l’´energie, la mˆeme dose doit ˆetre d´elivr´ee au d´etecteur pour les diff´erentes ´energies de faisceau disponibles, et la variation de charge mesur´ee par le d´etecteur est alors calcul´ee pour toutes ces ´energies, par rapport `a une ´energie de r´ef´erence.

La r´eponse doit ˆetre ind´ependante du d´ebit de dose (< 1 %) dans la plage de d´ebit de dose habituellement utilis´ee en radiochirurgie (jusqu’`a 8 Gy.min−1). Deux m´ethodes peuvent ˆetre utilis´ees pour ´etudier cette d´ependance avec le d´ebit. La premi`ere m´ethode consiste `a d´elivrer la mˆeme dose au d´etecteur pour diff´erents d´ebits et `a calculer la vari-ation de charge mesur´ee, par rapport `a un d´ebit de r´ef´erence. La seconde m´ethode est la m´ethode de Fowler [85] reliant le courantI mesur´e par le d´etecteur (enAmp`ere) au d´ebit de dose ˙D (en Gy.min−1) par la formule suivante :

I =I0+RD˙ (I.21)

I0 est le courant sans irradiation (en Amp`ere), R est un param`etre de fit exprim´e en A.min.Gy−1 et ∆ est un param`etre sans unit´e qui d´ecrit l’´ecart `a la lin´earit´e de la r´eponse du d´etecteur. Ce dernier varie entre 0,5 pour les d´etecteurs ne comportant aucune impuret´e `a 1 pour les d´etecteurs comportant une distribution homog`ene de pi`eges. D’apr`es cette th´eorie de Fowler, une distribution homog`ene de pi`eges entraˆıne une lin´earit´e de la r´eponse du d´etecteur avec le d´ebit de dose.

La r´eponse du dosim`etre diamant doit ˆetre lin´eaire avec la dose avec moins de 1 % de variation du rapport de la charge mesur´ee et de la dose d´elivr´ee, sur une gamme de dose variant de 5 cGy `a 500 cGy.

La r´ep´etabilit´e de la r´eponse du d´etecteur doit ˆetre inf´erieure `a 0,5 % sur 10 mesures cons´ecutives minimum. Elle est ´evalu´ee en calculant le rapport de l’´ecart-type et de la moyenne des 10 mesures de charge r´ealis´ees avec le dosim`etre :

r´ep´etabilit´e = σcharge

Mcharge

(I.22) La reproductibilit´e des mesures doit ˆetre inf´erieure `a 1 %.

La r´eponse du dosim`etre doit ˆetre ind´ependante de la temp´erature dans une plage de 15 `a 25˚C (variation < 1 %).

La stabilit´e `a court terme de la r´eponse du dosim`etre doit ˆetre inf´erieure `a 0,5 %. Elle est ´evalu´ee en faisant le rapport de l’´ecart-type et de la moyenne des valeurs de courant

mesur´ees toutes les 100 ms au cours d’une irradiation de quelques dizaines de secondes : stabilit´e= σcourant

Mcourant

(I.23) La r´eponse du d´etecteur doit ´egalement pr´esenter une stabilit´e `a moyen terme qui est

´evalu´ee selon les recommandations du LNHB [86]. Pour cela, le dosim`etre diamant est irradi´e dans un faisceau de 60Co pendant environ 15 h et la variation du courant obtenu par la chaˆıne de mesures du LNHB ne doit pas exc´eder 0,1 % par rapport `a la premi`ere valeur.

Enfin, la r´eponse du d´etecteur doit ˆetre isotrope jusqu’`a un angle de 20 ˚C mini-mum (variations <1 %) pour r´ealiser les mesures de profils de dose sans influence de ce param`etre [32].

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