1.3 Dosimétrie à scintillation
1.3.5 Survol de la technologie existante en dosimétrie à scintillation et des
Cette section se veut une introduction aux principaux systèmes dosimétriques à scintillation pertinents d’être décrits dans le cadre de la thèse présentée. Elle vise à mettre en contexte l’ap- port technologique des cQDs à la dosimétrie à scintillation, décrit à la suite de la présentation des systèmes dosimétriques.
Dosimètres à fibre optique
La technique de fabrication des dosimètres à fibre optique consiste en l’apposition d’un scin- tillateur à une extrémité d’une fibre optique plastique claire, le tout étant compris dans une gaine de plastique opaque. La lumière émise par le scintillateur lors de l’irradiation du do- simètre est collectée en temps réel à l’autre extrémité de la fibre optique. La première pré- sentation de cette technologie a été faite par Beddar en 1992 [53, 54], pour des scintillateurs organiques, où une étude en deux parties faisait état de la physique reliée au dosimètre et de ses caractéristiques propres à son utilisation en dosimétrie de faisceaux haute énergie en radio- thérapie. De cela ont découlées de nombreuses études extensives caractérisant les dosimètres à fibre optique plastique avec scintillateurs organiques [55,56,57,58,59] et un prototype a été commercialisé par Standard Imaging présentant le Exradin W1 [60]. Ces études ont permis de caractériser la dépendance du signal des dosimètre à fibre optique en fonction de l’énergie du faisceau, du débit de dose, de la dose et des dommages radiatifs. Le tableau 1.5 présente un résumé des principales observations relevées sur ces différentes caractéristiques dosimétriques ainsi que quelques autres.
Table 1.5 – Résumé des caractéristiques importantes de dosimètres à base de scintillateurs plastiques ou de fibres scintillantes. Pour chacune d’entre elles, une définition est donnée de même qu’une observation quantitative tirée de la littérature.
Caractéristique Définition Observations
Stabilité Variation du signal mesuré Écart-type des mesures souvent suite à un même stimulus dans l’intervalle ±0,2%,
dans une même séance de dépendant principalement du
mesures bruit du photodétecteur et
de la dose déposée [54]
Reproductibilité Variation du signal mesuré Sur deux semaines d’irradiations (Fluctuations aléatoires) dans deux séances de mesures quotidiennes du BC-430,
séparées dans le temps écart-type de 1,1% [61] Linéarité avec la dose Proportionnalité du signal Signal linéaire avec une plus
avec la dose déposée importante déviation observée aux dans le milieu petites valeurs de dose
(Exradin W1) [60]
Dépendance au débit Variation du signal pour Variation maximale de 0,5%
de dose une même dose déposée (débit programmé) [54]
à un débit différent
Dépendance en tempéra- Influence de la température La plus grande variation a été ture du milieu sur l’efficacité observée pour le BCF-60 :
de scintillation -0.5% par °C par rapport à la température pièce [59] Dommages radiatifs Effets causés par la Malgré la réduction de signal
radiation ionisante observable avec la dose cumulée au scintillateur, les scintillateurs plastiques sont plus résistants aux dommages que les diodes et transistors à effet de champ. [53]
Avec l’avènement des dosimètres à fibre plastique s’est présentée une problématique concer- nant la production indésirable de lumière Cerenkov dans la fibre claire. En réponse à celle-ci, différentes méthodes de correction ont été développées comme la soustraction simple, le filtrage simple et le filtrage chromatique [62, 63, 64]. La méthode retenue selon le type de mesures faites (mesures avec médiane temporelle) et de l’instrumentation disponible (caméra CCD po- lychromatique) est celle du filtrage chromatique. Cette technique profite d’une lecture de dose en plusieurs canaux de couleurs et du fait que les sources lumineuses (scintillateur et fibre) ont un spectre d’émission différent. Il est assumé que la mesure est composée d’un élément proportionnel à la dose et un autre proportionnel à l’émission Cerenkov. En mesurant sur deux canaux différents, par exemple bleu et vert, il est possible de résoudre le système d’équations établi à partir de deux mesures pour retrouver la dose. Une des deux mesures est faite avec une longueur minimale de fibre claire dans le champ de radiation et l’autre avec une grande partie de fibre claire dans le champ. De cette façon, il est assumé que la deuxième mesure
contient en majorité la lumière provenant de l’effet Cerenkov [62].
Bien que la plupart des scintillateurs utilisés dans les dosimètres à fibre soient des fibres scin- tillantes organiques, il est possible d’utiliser un scintillateur inorganique, souvent sous forme de poudre. Kertzscher et al. [65, 66] ont présenté des prototypes de dosimètre à scintillateur inorganique, l’un composé de rubis, l’autre décliné en plusieurs essais de matériaux dopés à l’europium. Les propriétés de ces scintillateurs se distinguent entre autres des fibres scin- tillantes par leur plus grand numéro atomique effectif, leur densité et leur nombre d’électrons. Ces différences attribuent au scintillateur, et donc au dosimètre, une moins bonne équivalence à l’eau. Cependant, l’intérêt de développer ces dosimètres réside surtout dans leur utilisation en curiethérapie, où le signal des fibres scintillantes est faible et celui des composés inorga- niques est plus grand grâce à leur composition à plus haut numéro atomique qui favorise l’effet photoélectrique à mesure que l’énergie de la source de radiation est réduite.
Les dosimètres à fibre optique sont utilisés pour faire des mesures en une dimension (avec un seul point de mesure) ou en deux dimensions en utilisant une matrice de fibres [67,68]. Les mesures sont faites à des valeurs d’énergie de radiothérapie, mais sont également possibles aux valeurs d’énergie radiologiques [69, 70]. Dans ce cas, le dosimètre à fibre optique est principalement utilisé pour faire des mesures en surface et ainsi quantifier la dose reçue à la peau. Dans l’autre cas (énergie thérapeutique), les vérifications de dose 1D peuvent être faites de diverses manières. En voici quelques exemples. Il est possible de mettre la fibre à la surface du patient pour obtenir une lecture de dose à la peau [71] ou encore pour estimer la dose déposée dans un stimulateur cardiaque [72]. Le dosimètre peut également être accolé sur un ballon rectal lors de traitements nécessitant une surveillance de la dose au rectum et des autres organes à risque autour. La petitesse des fibres optiques utilisées (0.5 à 1 mm de diamètre) pour fabriquer les détecteurs permet notamment d’insérer ces derniers dans un des cathéters implantés pour un traitement de curiethérapie adjacent à celui où la source dépose la dose. De plus, l’utilisation de plus d’un scintillateur dans une même fibre optique, offrant une mesure simultanée en plusieurs points, permet de calculer la position de la source à l’aide d’une méthode de triangulation basée sur les intensités relatives des différents scintillateurs selon leur distance à la source. Les dosimètres multipoints visent à être utilisés principalement comme détecteur in vivo afin de faire un suivi de la dose durant les traitements de curiethérapie, un suivi qui n’est pas fait actuellement [73, 74, 75, 76]. Les dosimètres à fibre optique peuvent également être utilisés dans le cadre de vérifications prétraitement, notamment pour faire des vérifications d’assurance-qualité de la sortie du faisceau des accélérateurs linéaires. Dans ce cas, des mesures discrètes en deux dimensions peuvent être réalisées avec plusieurs dosimètres disposés en matrice.
Scintillateurs organiques liquides et solides
Une troisième dimension à la mesure de dose peut être ajoutée en utilisant des dosimètres dont la taille est plus grande que celle du champ de radiation mesuré. On qualifie cette mesure de volumétrique puisqu’en théorie, il est possible de reconstruire la mesure de dose sur tout le volume irradié. Les dosimètres volumétriques se déclinent en deux principales catégories, les scintillateurs solides et liquides. Les scintillateurs solides, dont quelques exemples sont présentés à la figure 1.18, sont composés d’une matrice de plastique, habituellement du poly- vinyltoluène (PVT) ou du polyméthacrylate de méthyle (PMMA), dans laquelle se trouvent un ou plusieurs fluorophores.
Figure 1.18 – disponibles sur le marché illuminés à l’aide d’une lampe UV
Quelques exemples d’applications de ce type de scintillateur ont été partagés dont un par Kroll et al.[77] qui présentent leur prototype composé d’un bloc de scintillateur et de quatre caméras pour des mesures en protons ou en électrons. Ils procèdent à la détermination du patron de dose 3D à l’aide d’une reconstruction tomographique des images par trois caméras disposées en triangle autour du scintillateur en plus d’une quatrième située en face du dosimètre. Goulet et al. [78] ont également présenté l’utilisation d’un cube scintillant de 10 cm de côté pour faire les contrôles de qualité grâce aux images acquises et reconstruites à l’aide d’un système de caméras et de l’imageur portal de l’accélérateur linéaire.
De leur côté, les scintillateurs organiques liquides sont composés d’un solvant et d’un ou plusieurs fluorophores organiques, selon s’ils sont des systèmes binaires ou tertiaires, comme il est présenté à l’Annexe A. Ces liquides sont communément appelés cocktails scintillants puisque leur composition est optimisée afin d’obtenir de hauts rendements quantiques (nombre de photons émis/nombre de photons absorbés). Leur intensité de scintillation est souvent quantifiée en termes d’un pourcentage de l’émission lumineuse de l’anthracène, un des premiers scintillateurs organiques découverts. Un exemple typique de scintillateur liquide est le BC-531 de la compagnie Saint-Gobain Crystals qui a une efficacité d’émission relative de 59%, comme
mentionné sur la fiche technique du produit. Ce dernier est d’ailleurs utilisé par le groupe de recherche au MDAnderson pour des mesures en photons et en protons [79,80]. Les chercheurs travaillent sur la reconstruction et le traitement des images permettant de ne pas avoir à utiliser plus de deux caméras pour imager la dose déposée dans ce scintillateur liquide. La première utilisation d’un scintillateur liquide pour une application de dosimétrie 3D remonte toutefois à l’expérience présentée par Kirov et al. [81], où les auteurs démontre la faisabilité de préparer des solutions liquides scintillantes dont les propriétés radiologiques sont à peu près équivalentes à celles de l’eau.
Possédant un volume habituellement de l’ordre des dizaines de centimètres, les dosimètres volumétriques ont le double rôle de détecteur et de fantôme. La préoccupation de la pré- sence additionnelle d’un milieu diffusant dans le montage expérimental s’en trouve évitée. Il devient également possible de choisir la composition du dosimètre afin qu’il ait les proprié- tés dosimétriques les plus près de celles de l’eau. La luminescence instantanée des volumes scintillants permet de faire des mesures en temps réel moyennant un système de détection adéquat. En effet, la détection d’un patron de dose 3D amène un nouveau défi au niveau de la capture du signal comparativement aux systèmes à fibre optique plastique. L’acquisition d’images doit permettre de retrouver toute l’information spatiale que fournit le dosimètre 3D. Une partie de l’expérimentation portant sur les dosimètres volumétriques traite donc de l’optique de détection. Un exemple d’étude reliée à cette problématique présente la caméra plénoptique comme une alternative aux caméras CCD habituellement utilisées afin de raffiner le système de détection 3D de la luminescence d’un cube de scintillateur plastique [78]. Dans le cas des dosimètres liquides, le développement du système optique est d’autant plus important que la performance du scintillateur lui-même puisqu’il faut préserver le focus à travers toute l’épaisseur du dosimètre qui avoisine quasiment la trentaine de centimètres.
Dosimètres à base d’eau
Certains systèmes ont été développés afin de n’utiliser que de l’eau comme milieu luminescent. L’effet Cerenkov devient donc la source première d’émission de lumière et de mesure de dose. La dosimétrie Cerenkov pose un défi en ce qui a trait à la détection de lumière puisque l’intensité de l’émission Cerenkov est très faible, de 10−6 à 10−9 W/cm2, considérant qu’une lumière incandescente commerciale a une intensité avoisinant les 10−1-10−3W/cm2[82]. Afin d’obtenir un meilleur ratio signal sur bruit, les chercheurs se penchant sur le développement de cette technologie doivent utiliser des méthodes de mesure de signal synchronisées temporellement sur la sortie du faisceau de l’accélérateur linéaire. Une preuve de concept d’un prototype d’instrumentation pour la synchronisation du signal a d’ailleurs été faite dans le cadre du projet de thèse et est présentée au chapitre 2. La justification de l’emploi d’un tel système y est présentée dans le contexte de l’utilisation de cQDs comme scintillateur.
tème d’être performant sans un post-traitement exhaustif des images acquises. La directionna- lité de l’émission de lumière Cerenkov résulte en une anisotropie de l’intensité lumineuse sur un angle solide autour de la source de lumière. De plus, la dose mesurée par effet Cerenkov est sous-estimée par rapport à la dose calculée pour les profondeurs après la profondeur de dose maximale à cause de la dépendance angulaire de l’émission de lumière Cerenkov. Ces inconvé- nients peuvent être surmontés grâce à l’utilisation de facteurs scalaires dérivés de simulation Monte Carlo ou en dissolvant un fluorophore organique dans le volume d’eau [83,84].
En plus de son application en dosimétrie volumétrique, le rayonnement Cerenkov est également utilisé pour faire de l’imagerie de surface. La capture du signal lumineux émis par le corps humain lui-même permet de faire une mesure de dose en surface. Étant utilisée en temps réel, cette technique permet de mesurer la dose tout en tenant compte des mouvements du patient, de ses déformations anatomiques ou encore d’une perte de poids imprévue.