Revue chronologique des travaux réalisés, conclusion et perspectives perspectives

es travaux de thèse ont été réalisés dans le cadre du projet TraDeRa et avaient pour but d’étudier et de mettre en œuvre un détecteur placé en sortie de la tête d’un accélérateur médical pour permettre le suivi en temps réel de l’administration des traitements modulés en intensité. Le rôle et l’intérêt de ce type de détecteur ont été montrés dans le chapitre 2. Depuis la fin des années 2000 et la survenue d’incidents lors de traitements de patients en France, la place des contrôles effectués pour garantir la sécurité du traitement a pris de l’ampleur. Les solutions pour réaliser un contrôle permanent du traitement, c’est-à-dire pendant toutes les séances, se diversifient et se multiplient. Trois classes se distinguent selon que ces solutions exploitent les données acquises par l’accélérateur (comme l’analyse des fichiers log), l’imageur portal, ou un détecteur amont. La première approche est critiquable par le fait qu’elle ne constitue pas un contrôle indépendant et supplémentaire de celui qui est déjà réalisé par l’accélérateur. L’intérêt des solutions les plus avancées de cette classe est qu’elles permettent de traduire la déviation de fonctionnement de l’accélérateur en effet dosimétrique pour le patient. La seconde approche, qui exploite l’imageur portal, est sans doute la plus courante et celle pour laquelle le plus de travaux existent. Les difficultés de cette approche découlent de son positionnement en aval du patient. D’une part le faisceau comporte une importante proportion de diffusé patient, qui influence fortement la mesure. Et d’autre part, le contrôle est sensible aux variations de positionnement et d’anatomie du patient qui s’ajoutent aux éventuels dysfonctionnements de l’accélérateur, et il est alors difficile de discerner les deux sources d’erreurs. La troisième approche, qui consiste à acquérir une mesure juste à la sortie de la tête de l’accélérateur, réalise un réel contrôle indépendant, et n’est sensible qu’aux seules erreurs de l’administration du traitement. C’est l’approche la plus récente et qui est actuellement en plein développement. En 2009, au début du projet, un manque existait et il y avait un réel besoin de nouvelles solutions. Le projet TraDeRa a été initié au LPSC car un nouveau type de détecteur, le MICROMeGas, semblait être le détecteur idéal pour remplir la fonction d’un détecteur amont. Les travaux se sont déroulés autour de deux axes : d’une part le choix du détecteur et de ses caractéristiques géométriques et d’autre part le développement de l’électronique. Et deux outils ont été exploités pour guider les choix effectués : le recours aux simulations Monte-Carlo et l’acquisition de données sous faisceau clinique de photons. Les deux axes de développement sont totalement dépendants l’un de l’autre. Ainsi, contrairement à la linéarité apparente qui peut ressortir de la lecture de ce manuscrit, les développements se sont déroulés en parallèle selon les deux axes, détecteur et électronique, et en exploitant conjointement les deux outils, simulation et prise de données. Avant de conclure ce manuscrit en faisant le bilan de ce qui a été fait et de ce qui reste à faire, une revue chronologique des travaux réalisés qui inclut le développement du prototype avec la géométrie damier va être faite.

7.1. Revue chronologique des travaux réalisés

Aucune activité appliquée à la radiothérapie n’avait été développée au LPSC avant le début du projet TraDeRa. Les spécificités du domaine étaient donc à déterminer, et en particulier le débit de fluence en photons en sortie de l’accélérateur n’était pas connu. Dans le domaine de la physique des particules, les débits sont sensiblement moins important qu’en radiothérapie, et les détecteurs fonctionnent rarement en mode chambre d’ionisation. C’est pourquoi nous pensions au début, à tort, que le fonctionnement avec amplification des charges était nécessaire. Et c’est pour cela que la solution MICROMeGas paraissait très prometteuse. Un prototype pouvant fonctionner en mode MICROMeGas a donc été conçu dès le début du projet, en parallèle des premières simulations Monte-Carlo. Avant que le prototype ne soit opérationnel, les simulations ont permis de prédire l’ordre de grandeur du débit de particules chargées traversant le détecteur si cette solution était retenue. Ce débit étant compatible avec le fonctionnement avec amplification des charges, l’utilisation d’un détecteur MICROMeGas était toujours envisagée. Il fut

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tout de même décidé de reporter la mise en place de la micro-grille responsable de l’amplification des charges puisque les simulations avaient montré que la charge sans amplification devait être suffisamment importante pour être exploitée avec une électronique commerciale disponible. Le fonctionnement d’une chambre classique étant plus simple que celui d’un détecteur MICROMeGas, l’exploitation du prototype sans amplification allait nous permettre de nous familiariser avec l’acquisition de données dans l’environnement de radiothérapie qui était mal connu. L’étude de l’influence des paramètres géométriques d’une chambre d’ionisation classique a alors été réalisée en même temps par acquisitions de profils balayant et par simulations Monte-Carlo. C’est également pendant cette phase du projet que les premières acquisitions ont été faites avec le montage convertisseur courant-tension, entrainant tout un questionnement sur le fonctionnement des accélérateurs. Au final, après plusieurs mois d’utilisation du prototype en mode chambre d’ionisation sans amplification, nous en avons conclu que l’approche MICROMeGas n’était pas adaptée à notre application. D’une part car le courant obtenu avec la chambre segmentée classique était suffisamment important. D’autre part car l’environnement de radiothérapie n’était pas compatible avec l’utilisation d’un détecteur nécessitant un long temps de mise en route avant de présenter un comportement stable, et nécessitant l’utilisation d’un gaz inflammable.

L’idée de limiter le parcours latéral des électrons issus des interactions des photons a été proposée pendant cette phase du projet, quand l’impact des paramètres géométriques de la chambre était étudié par simulations et via l’acquisition de profils « balayant ». Cette idée a rapidement été testée expérimentalement avec le recours à la grille en cuivre conçue au LPSC. L’effet attendu ayant été obtenu, la conception d’un prototype avec la géométrie damier a été initiée, en parallèle de l’étude par simulation de l’apport du damier présentée dans le chapitre 5. En attendant que ce deuxième prototype soit opérationnel, et en parallèle de simulations Monte-Carlo de la géométrie damier, le préamplificateur de charges adapté à nos courants d’ionisation a été mis au point. A la vue des performances obtenues, il a été décidé de réaliser une petite série de quelques dizaines de PAC destinés à équiper le prototype avec la géométrie damier, pour que l’acquisition ne soit pas limiter à une unique voie de lecture comme c’était le cas pour le premier prototype. Une fois le prototype damier et les nouveaux PAC réceptionnés, inspectés et testés sur banc de test au laboratoire, le détecteur équipé de son électronique intégrée était opérationnel pour l’acquisition sous faisceau (figure 7-1).

Figure 7-1 : Photos du prototype avec la géométrie damier. Gauche : vue focalisée sur les plots. Droite : vue d’ensemble du prototype équipé des cartes d’acquisition contenant les PAC.

Les mesures n’ont pas été à la hauteur de nos attentes. Les signaux acquis en sortie des pavés étaient incohérents (figure 7-2). En début d’irradiation les impulsions présentaient bien la forme attendue, mais petit à petit elles se déformaient : l’amplitude des impulsions baissaient et un pic de polarité opposée apparaissait en début d’impulsion.

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Figure 7-2 : Tension enregistrée en sortie du PAC relié à un pavé du prototype avec la géométrie damier. Gauche : vue d’ensemble. Droite : vue des impulsions à différents instants.

Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer ces signaux :

- toutes les voies de lecture du prototype ne sont pas instrumentées, et les voies non exploitées n’étant pas reliées à la masse elles étaient flottantes. Ainsi, pendant l’irradiation le potentiel de ces électrodes libres évolue et influence les lignes de champ à l’intérieur des volumes sensibles de la zone instrumentée.

- comme le détecteur n’est pas à l’équilibre électronique, les plots en kapton se chargent en volume en cours d’irradiation, et modifient les lignes de champ à l’intérieur des volumes sensibles de la zone instrumentée.

- les PCB étant extrêmement fin, avec une épaisseur de seulement 100 µm, les pistes sont peut-être partiellement coupées.

Pressés par les impératifs de livrable pour le projet INSPIRA1, dont nous faisions partie, nous devions rapidement présenter des images bidimensionnelles acquises sous faisceaux. De plus, l’étude Monte-Carlo détaillée du détecteur avec damier a montré que la présence des plots présente un apport significatif surtout pour les fortes épaisseurs de volume sensible, de l’ordre du centimètre plutôt que du millimètre. Or, si le PAC est utilisé, avec une épaisseur du volume sensible de 2 mm la charge par impulsion est suffisamment importante pour avoir un signal exploitable. Ainsi, grâce aux performances de l’électronique, il s’avère qu’il est tout à fait possible d’avoir une épaisseur de volume sensible millimétrique. L’intérêt d’introduire la structure damier dans la zone sensible est alors limité. C’est pourquoi les développements concernant le prototype avec la structure en damier ont été mis de côté pour se concentrer sur l’acquisition d’images bidimensionnelles avec le prototype de chambre segmentée classique.

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1 Le projet INSPIRA (Informatique pour la Sûreté des Procédés et Installations en Radiothérapie) réunissait 3 industriels français (Dosisoft, AS2I et Medasys) et 10 partenaires scientifiques ou cliniques (CEA, INSERM, LPSC, CNAM, IGR, Curie, CLB-Lyon, CHU Grenoble). Le but était de développer et de commercialiser des produits logiciels et matériels pour améliorer et renforcer la sécurité et la qualité des traitements en radiothérapie

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7.2. Conclusion

En 2012, trois ans après le début du projet TraDeRa, l’objectif fixé de mise au point d’un détecteur bidimensionnel de contrôle du faisceau en sortie de la tête de l’accélérateur était bien avancé. Tout d’abord, un important travail d’appropriation des spécificités de la radiothérapie avait été fait :

- les notions et concepts qui permettent de caractériser un faisceau de radiothérapie, différents de ceux utilisés en physique des particules, étaient connus.

- GEANT4, outils déjà utilisé au laboratoire mais pour d’autres applications, avaient été pris en main et validé spécifiquement pour notre application. Un modèle de source ponctuelle de photons, rapide à mettre en place, avaient été établi et validé. Pour notre application de développement d’un détecteur, il permettait de reproduire fidèlement la réalité tout en permettant un important gain de temps. L’exploitation de ce modèle avait permis de déterminer la composition du faisceau au niveau de l’entrée du détecteur : proportion de chaque type de particule, spectre en énergie en fonction du type de particule, distribution des directions des particules et débit de fluence.

- le fonctionnement des accélérateurs étaient connus. L’obtention du faisceau et l’impact d’erreurs de positionnement des lames du MLC avaient plus particulièrement été étudiés. Le contrôle du faisceau au pupitre de commande, la définition de champs particuliers via le logiciel Shaper et la manipulation de faisceaux de traitement réels au format Dicom RT plan étaient maîtrisés.

- les bruits électroniques et perturbations électromagnétiques présents lors des acquisitions sous faisceau au CHU, beaucoup plus importants que ceux typiquement présents dans un environnement de laboratoire, étaient connus.

Et les résultats concernant le développement du détecteur étaient très concluants. Comme il est connu que le point faible des détecteurs gazeux est leur manque de sensibilité, deux solutions innovantes avaient été envisagées. L’utilisation d’un détecteur MICROMeGas, qui fonctionne en mode amplification des charges, avait d’abord été planifiée. Puis l’idée d’introduire un damier dans la zone sensible avait été considérée. Ces deux solutions avaient pour objectif l’augmentation de la charge créée dans le volume sensible du détecteur Mais finalement, la mise au point d’une électronique de lecture performante avait permis de se passer de ces solutions puisqu’une chambre d’ionisation plane à anode segmentée ayant une épaisseur de volume sensible millimétrique s’était révélée tout à fait adaptée pour constituer un détecteur amont. Fin 2012, la possibilité d’acquérir des images bidimensionnelles du faisceau avait été démontrée. Ce résultat avait été obtenu grâce aux échanges permanents pendant trois ans avec les membres du service d’électronique, ceux du groupe de développement des détecteurs et les physiciens du CHU de Grenoble, qui ont tous fait preuve de compétence, de sérieux, de disponibilité et d’inventivité et sans qui le projet n’aurait pu aboutir.

7.3. Perspectives

Depuis 2012 et la fin de cette thèse, le projet TraDeRa a continué d’évoluer. Une partie importante du travail a été consacré au développement de l’électronique. Un ASIC a été mis au point. Il regroupe 16 voies de lecture exploitant un montage intégrateur de charge avec mise en forme des signaux, codage numérique et lecture intégrée. Il s’agit d’un montage intégrateur pur, avec un retour à zéro » programmable. Il présente ainsi une dynamique importante qui permet de réaliser des acquisitions à l’échelle d’une unique pulsation du faisceau tout autant qu’à l’échelle de l’intégralité du faisceau. Les performances sous haute intensité ont été validées lors d’une campagne de mesure acquise en sortie du prototype placé dans le faisceau de la ligne 17 de l’ESRF. Pour améliorer le rapport signal sur bruit de la chaine de mesure, l’accent a également été mis sur le filtrage des importantes perturbations générées par le klystron ou le magnétron.

Concernant la géométrie du détecteur, les développements se sont focalisés sur la définition de la forme des électrodes. Partant du principe que la périphérie du faisceau ne nécessite pas d’être suivie avec une

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précision spatiale aussi importante que celle du centre du faisceau, pour optimiser le nombre de voie de lecture les électrodes sont de taille variable. Le prototype exploité actuellement couvre une surface de 20 cm de côté à l’isocentre, est équipé de 324 électrodes dont les données sont acquises par 21 ASICs. Un support dédié a été conçu pour pouvoir attacher le prototype à la tête de l’accélérateur. Début 2016, un nouveau prototype, couvrant une surface de 40 cm de côté, avec 1600 voies de lecture lues par 100 ASICs et équipé d’un module bluetooth a déjà été validé sur banc de test et est sur le point d’être testé sous faisceau (figure 7-3).

Figure 7-3 : Photos du prototype exploité actuellement (gauche), du support dédié pour les accélérateurs Varian (milieu) et du prototype sur le point d’être testé sous faisceau (droite).

Un logiciel exploite les données acquises par les ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) pour les mettre en forme et afficher les images de faisceaux statiques et dynamiques. Le prototype est testé sous faisceaux clinique depuis plus d’un an. Une analyse a été mise au point pour comparer une image comportant une erreur simulée à une image de référence et déterminer les différences statistiquement significatives (figure 7-4).

Figure 7-4 : Gauche : exemple d’images acquises avec le prototype en cours d’exploitation, la deuxième ayant été obtenu pour un faisceau identique à celui de la première mais avec un biais systématique. Droite : mise en évidence de l’apport de

l’analyse des différences statistiquement significatives.

Le détecteur est donc maintenant complétement opérationnel pour l’acquisition d’images du faisceau et la mise en évidence de différences entre deux images. Et cela sur une importante plage d’amplitude qui permettra son utilisation même sous un faisceau sans cône égalisateur. Le prochain objectif est maintenant de déterminer comment exploiter les images acquises, sachant que l’analyse doit être la plus automatisée possible puisque quand le détecteur sera utilisé pour toutes les séances de traitement de tous les patients l’utilisation du TraDeRa ne devra pas être une tache supplémentaire. Un travail de doctorat réalisé par Robin Fabbro au sein de l’équipe DAMe est actuellement en cours sur l’étude du passage de la mesure du détecteur vers une estimation de la dose.