Avant de commencer ces études, il est nécessaire d’expliquer en quoi l’énergie va influencer la dose en profondeur. Si cette notion n’est pas détaillée au préalable, il est très difficile d’expliquer l’influence des paramètres géométriques qui lui sont très proches.
V.3.a. Influence de l’énergie
Le processus de dépôt d’énergie dans la matière (tissus), peut se comprendre en faisant intervenir deux phases bien distinctes. Il y a premièrement une partie
″ascensionnelle″ de dose appelée build-up Elle représente la mise en équilibre électronique longitudinale de la dose. Cette caractéristique est liée au déplacement des électrons secondaires, car ce sont eux qui vont déposer la dose par ionisation ou excitation de la matière. Plus l’énergie moyenne du rayonnement sera élevée, et donc plus l’énergie transmise aux électrons sera importante (voix photoélectrique, Compton et Production de Paire), plus le build-up s’étendra sur une plus grande distance. La deuxième zone correspond à une série de décroissance exponentielle, liée aux différents coefficients d’atténuation des milieux traversés.
Soit :
Figure 9: influence de l’énergie sur le dépôt de dose en DSP100 champs 10x10
La dose à l’entrée diminue quand l’énergie augmente, les électrons secondaires vont déposer l’énergie par une multitude de chocs inélastiques électroniques. Cette réaction est régie par la formule BETH (~ln(E)/E) qui nous suggère que le dépôt va être maximum pour une énergie minimum. Si les électrons sont fortement énergétiques, alors sur les premiers centimètres ils ne vont pas déposer beaucoup d’énergie.
BILAN : ce chapitre a permis de mettre en évidence le déplacement des électrons secondaires, ainsi que les différents processus d’interaction. Ces caractéristiques seront utiles pour expliquer les prochains paragraphes. En somme plus l’énergie est grande, plus le maximum de dose est décalé en profondeur.
V.3.b. la transposition DSP:DSA
C’est le genre de transposition que l’on a déjà observée lors du TP2. Cela correspond au passage de la dose dans les conditions de référence (isocentrique) à la dose dans les conditions de TOP (à DSP constante), on a vu que :
Ce schéma correspond à l’équation suivante : faut une profondeur de matériau traversée différente (Cf ANNEXES ), on obtient :
( )
D’où : conditions usuelles du TOP on est 0,981cGy/UM. La mesure des TOP nous réconforte dans ce raisonnement, car on a : penser que le cheminement qui nous permit d’en arriver au résultat est satisfaisant.
Comme on l’a remarqué plus haut, il suffit d’une petite manipulation pour
Il serait intéressant de comparer les deux sortes de rendement : un mesuré et l’autre calculé à partir d’une courbe de RTM.
Figure 10 : comparaison entre la mesure d’un rendement et la déduction de celui-ci à partir d’un RTM de X18 (à droite). Comparaison de l’allure d’un Rp à celle d’un RTM (à gauche)
BILAN : on se rend compte qu’il est très facile de passer d’un rendement à un RTM. Ce dernier permet de ne considérer que la pénétration du faisceau dans le milieu alors que le premier prend aussi en compte la divergence géométrique de la source ponctuelle (inverse carré des distances).
V.3.c. Influence de la DSP
Lors de la planification des traitements, il est évident que le physicien se doit de connaître l’influence de la DSP sur les caractéristiques dosimétriques. Il est de ce fait important de connaître ce que procure sur un plan dosimétrique l’éloignement du patient de la source de rayonnement. Le plus simple pour se rendre compte de ce phénomène, est de comparer différentes courbes de rendement, chacune acquise à des DSP différentes.
Il vient :
Figure 11 : influence de la dsp sur le rendement pour des mesures dans l’eau en champs 10x10 et X18
Le rendement croît avec la DSP pour des profondeurs supérieures à celle du maximum.
Regardons si ce résultat reste vrai pour la dose à l’entrée :
Figure 12 : influence de la DSP sur la dose à l’entrée
On observe une diminution de la dose à la surface, dès lors que la DSP augmente.
BILAN : la DSP va fortement influencer le rayonnement primaire. Celui-ci suit la loi de l’inverse carré des distances. L’effet qui va se faire ressentir est donc une diminution de la dose à l’entrée et une diminution de la dose maximum.
De plus, le diffusé du collimateur va lui aussi être altéré, ce qui va contribuer à diminuer la dose dans les premiers centimètres. En profondeur, le diffusé du milieu va subir une diminution. Comme le maximum de dose est moins important quand la DSP augmente, et que le rendement est normalisé au max alors, il va en résulter que ce dernier va s’accroître dès que le diffusé va prendre de l’importance (quelques cm). Une autre alternative consiste à dire que plus la DSP est importante et moins la divergence l’est, donc, le dépôt d’énergie se fera plus suivant l’axe source-centre du détecteur. Cela entraîne un plus grand dépôt en profondeur.
V.3.d. Influence de l’ouverture collimateur
Il est important de comprendre en quoi l’ouverture du collimateur va modifier le dépôt de dose sur l’axe. Nous allons tracer différents rendements suivant des tailles de champ différentes. Il suffira donc de comparer les différentes allures ainsi obtenues :
Figure 13 : influence de l’ouverture du collimateur pour des mesures dans l’eau en X18 et en dsp100
On remarque que la profondeur du maximum se rapproche de la surface quand la taille du champ augmente. Nous allons maintenant dégager de cette étude, les courbes de FOC pour deux profondeurs distinctes : à l’entrée et à la profondeur de référence. On obtient :
Figure 14 : influence de l’ouverture de champ sur la dose
Ce graphique permet de dégager deux aspects importants. Premièrement, l’influence du collimateur se fait ressentir de moins en moins quand la profondeur augmente. Deuxièmement, la dose déposée devient plus importante si l’on augmente la taille du champ.
BILAN : les conclusions de cette dernière étude sont multiples. Tout d’abord, on constate que l’ouverture du collimateur va engendrer un surplus de diffusé (sur les mâchoires et dans le milieu). Celui-ci est logiquement moins énergétique que le rayonnement primaire. Le parcours moyen des électrons secondaires va donc être réduit, ce qui va impliquer un maximum de dose plus proche de l’entrée du faisceau. Ensuite, il y a aussi un effet perceptible dans le milieu cible, le diffusé en accès va accroître le dose sur l’axe. La dernière courbe nous montre bien que le diffusé du milieu ne va pas être la principale source d’excès de dose. En effet, la trajectoire des électrons crées est de quelques centimètres, donc il ne devrait pas y avoir de différence entre un champ 20x20 et 40x40. Le diffusé du collimateur, qui augmente avec la taille de champ, va contribuer énormément au dépôt de dose à la surface et en profondeur.
VI. MESURE DE DOSE SUR L’AXE DU FAISCEAU D’ELECTRONS (TP6)
L’étude qui va suivre est semblable à la précédente. On se propose désormais d’étudier une autre qualité de faisceau : les électrons. Le protocole d’étalonnage dans les conditions de référence ayant eu lieu lors du TP2, nous nous limiterons à l’étude de l’effet des paramètres géométriques sur la distribution de dose.
VI.1.
FINALITELe but de ce TP est double. En effet, il convient en premier de caractériser les effets que certains paramètres géométriques peuvent avoir sur la dose, mais il est aussi important de comprendre et de détailler le lien qu’il peut y avoir entre une courbe d’ionisation en profondeur et une courbe de rendement en profondeur.
VI.2.
MATERIELS UTILISESLes mesures sont effectuées avec l’énergie EB9 du saturne 20. Il faut comme dans le TP précédent, utiliser la cuve à eau PTW munie de son réservoir et de son contrôleur MP3. Grâce à elle, il est possible de connaître et de commander le mouvement de la chambre d’ionisation cylindrique PTW M31002 pour les mesures d’ionisation en profondeur. Il sera aussi fait usage d’une chambre PTW n°23332 pour la mesure de la dose dans les conditions quotidiennes du TOP Le traitement des données sera facilité grâce à l’interface Mephisto de PTW, permettant le stockage des mesures et l’acquisition des différentes courbes. Des courbes de rendement seront déduites de la lecture densitométrique de films radiologiques (KODAC X-Omat V).
Leur utilisation induira la mise en place de plaques de polystyrène, ainsi que d’un appareil de mesure de densité optique (MacBethTD932) couplé à son logiciel d’analyse associé (Méphisto).
VI.3.
ETUDE EXPERIMENTALELa plupart des manipulations qui vont être menées lors des prochains développements suivront la même organisation. Nous commencerons par établir un protocole de mesure de la dose (cuve + dosimètre), puis nous lancerons des acquisitions de dose en profondeur après avoir fait varier un paramètre. Nous pourrons de ce fait dégager l’effet de ces grandeurs sur la distribution de dose..
VI.3.a. confrontation courbe d’ionisation / courbe de rendement
Contrairement au cas des photons, il y a une différence entre une courbe de rendement et une courbe d’ionisation. L’étude faite avec la cuve nous fournit dans un premier temps des informations purement coulombiennes. Celles-si retranscrivent l’énergie perdue par le rayonnement lors de l’ionisation des atomes et de la création permet de décrire le même phénomène, on obtient :
( )
processus inélastique électronique, les électrons vont perdre une portion de leur énergie. Cela va induire une diminution de l’énergie moyenne sans pour autant modifier la fluence.Pour la qualité de faisceau souhaitée, il nous faut tout d’abord mettre en évidence les différents paramètres qui interviennent dans la mesure de la dose en fonction de la profondeur de matière traversée. Soit :
prof en cm z/R50 Ionisation Ez S/ρρρ ρ Pu(z) S/ρρρρ*Pu*Ion
0 0,000 80,047 7,750 1,013 0,980 77,276
0,5 0,151 87,374 6,805 1,024 0,978 85,121
1 0,301 92,607 5,860 1,037 0,974 90,913
1,5 0,452 98,600 4,915 1,050 0,970 97,608
2 0,603 100,000 3,970 1,064 0,967 100,000
2,5 0,753 92,550 3,024 1,079 0,967 93,858
3 0,904 70,305 2,079 1,095 0,967 72,372
3,5 1,055 38,525 1,134 1,112 0,967 40,294
4 1,205 11,583 0,189 1,131 0,967 12,323
4,5 1,356 1,653 0,000 1,152 0,967 1,791
5 1,506 0,000 0,000 1,175 - 0,000
5,5 1,657 0,000 0,000 1,200 - 0,000
Tableau 8: paramètres intervenant dans le calcul de rendement de dose en profondeur du EB9
On se rend compte que même si les différents paramètres ne sont pas constants, il n’y a pas une grande différence entre courbe d’ionisation et de dose en profondeur.
La différence est la plus importante à l’entrée du milieu.
Regardons la comparaison graphique des deux types de rendement :
Figure 15: comparaison entre la courbe de rendement et la courbe d’ionisation en profondeur dans les
conditions standard de mesure
BILAN : on vient de voir que dans le cas des électrons, l’obtention de courbes de rendement en profondeur n’est pas aussi évidente que dans le cas des photons. Cependant la lecture du dosimètre reste très proche de la dose déposée.
La différence se situe à l’entrée, le rendement de dose est plus faible que celui d’ionisation.
VI.3.b. Influence de l’énergie sur le rendement
Tout comme pour les photons que l’on a étudiés dans le chapitre précédent, il existe des paramètres influençant le rendement en profondeur. Le premier que l’on va étudier est l’énergie moyenne du rayonnement incident. Intuitivement, on peut dire que plus l’énergie est grande et plus la longueur de pénétration sera importante.
Examinons différents Rp pour nous en convaincre :
Figure 16 : influence de l’énergie sur le rendement en profondeur en DSP 100 et en champ 13x13
Il existe des formules ″savantes″ permettant de connaître le parcours maximum, le parcours à 50% et 90% de la dose. Une formule plus approximative mais plus facile d’utilisation, consiste à considérer le parcours total en cm comme égal à la moitié de l’énergie moyenne incidente en MeV.
BILAN : la croissance de l’énergie moyenne décale en profondeur le
Quand l’énergie incidente augmente, alors les particules créées sont susceptibles d’être détectées par le dosimètre.
VI.3.c. calcul des TOP
Le protocole de mesure des TOP est identique à celui utilisé lors de la mesure de la dose dans les conditions de référence : champ 10x10 dsp100 à la profondeur de référence. On a vu que la dose dans l’eau dans ces conditions est identique à :
[ ] [ ] [ ]
non-équivalence de dépôt de dose. Pour la correction de fluence :( )
BETH et BLOCK qui elle-même est liée à la concentration électronique, on a :PMMA
La mesure nous donne :
air
TOP TOP u d
eau
D = M . S .P .N 0,108nC/UM.1,064.0,967.0,0917Gy / nC 0,99cGy / UM
= =
ρ
Il y a donc une parfaite corrélation entre la mesure du TOP et la mesure de la dose dans les conditions de référence.
BILAN : la précision du calcul, dans le cas des électrons, est plus fiable que dans le cas des photons. Les conditions de référence et celles des TOP, sont équivalentes, il n’y a donc pas à faire intervenir de facteur de FOC, ni de RTA ou de rapport de distance, le calcul en ressort plus précis.
VI.3.d. mesure par film
L’objectif est de comparer le rendement en profondeur obtenu à partir d’une chambre d’ionisation à celui obtenu par numérisation de cliché radiographique. Pour être sure de se situer dans la zone sensitométrique linéaire, nous allons envoyer 100 TOP sur le film placé longitudinalement entre deux plaques épaisses de plastique équivalent-tissu. Les mesures sont faites, tout comme pour celles effectuées avec la chambre, en DSP100 et champ 10x10. L’acquisition nous renvoie :
Figure 17 : rendement obtenu avec un film radiographique en dsp100 et en champ 10x10
La courbe ci-dessus est obtenue en considérant, une courbe sensitométrique fitée par un polynôme du second degré (Dose=1.0865+29,758.DO+15,195(DO)2) dans la zone de dose considérée (0-80cGy) (Cf TP9).
BILAN : il y a quasi-concordance entre la mesure par film et celle effectuée avec la chambre. La différence vient peut-être du fait de la prise en compte des perturbations engendrées par l’émulsion photographique. La courbe sensitométrique utilisée est celle obtenue à l’aide d’un rayonnement de X6. Il est donc possible qu’il faille ajouter un autre facteur tenant compte de la qualité du faisceau.
VI.3.e. influence des paramètres géométriques
Regardons si l’on retrouve les mêmes caractéristiques vis à vis de la DSP et de l’ouverture collimateur que dans le cas des photons.
➩ influence de la DSP
Pour ce genre d’étude, il faut faire attention aux conditions expérimentales.. Si l’on veut un champs 10x10 quel que soit la DSP, soit on applique un facteur de FOC, soit on applique un champ valant 100.10 1000
c = =
DSP DSP(en cm). Dans le cas des photons, le diffusé du milieu était sensiblement le même quelle que soit la DSP, mais celui issu des mâchoires du collimateur était modifié car l’ouverture n’était pas à chaque fois la même. Dans cette nouvelle étude, les conditions expérimentales sont modifiées, on garde la même ouverture de collimateur. Les phénomènes sont donc inversés, on obtient la même contamination collimateur mais pas le même diffusé du milieu. De plus pour les électrons, le mode balistique est le balayage, il faut donc entrer un nombre de scan et le temps nécessaire pour que la mesure en un point soit effectuée.
La fréquence est de 0,5 Hz, ce qui correspond à 1 scan pour deux secondes et donc 7 scans pour 14 secondes. Ce sont ces deux dernières valeurs qui seront prises pour acquérir les rendements.
On obtient :
Figure 18 : influence de la dsp, pour des mesures dans l’eau en champ 10x10 EB9 MeV
On constate que ces quatre courbes sont quasiment superposées. Pour mieux comprendre le phénomène, comparons la dose à l’entrée pour les différentes DSP étudiées.
Figure 19 : influence de la DSP sur la dose à l’entrée en champ 10x10
Comme pour les photons, on observe une diminution de la dose dès lors que la DSP augmente. Les conditions expérimentales induisent une diminution de la taille de champ quand la DSP augmente, il y a de ce fait moins de diffusé du collimateur et
de surcroît, le flux électronique va être plus atténué si la quantité d’air à traverser augmente.
BILAN : il est intéressant de remarquer que ce type de faisceau n’est pas totalement régi par la loi de l’inverse carrée des distances comme pouvait l’être les faisceaux de photons. L’atténuation de l’air devient alors très importante et ne peut plus être négligée. Le faisceau qui est un balayé suit une loi d’émission qui est de l’ordre de 3% en homogénéité. De nombreux phénomènes sont illustrés indirectement dans ces courbes, il y a le diffusé des mâchoires et du milieu, puis l’atténuation géométrique du faisceau et l’atténuation d’origine interactionnelle du air-gap. Plus le plan d’entrée est éloigné, et plus l’énergie moyenne diminue.
Le dépôt se fait donc dans les couches superficielles, mais à contrario, on a un diffusé du collimateur qui tend à diminuer cette dose.
➩ influence de l’ouverture collim ateur
Examinons les effets de l’ouverture collimateur sur le transfert de dose dans les tissus :
Figure 20 : influence de l’ouverture de champ sur le rendement en profondeur
On est confronté aux mêmes problèmes que lors de l’étude sur la DSP. Il y a plusieurs paramètres que l’on observe au-travers de ces courbes. Regardons en détail, ce qui ce passe au niveau de la profondeur du maximum et de la dose à l’entrée :
Figure 21 : influence de l’ouverture de champ sur la dose
BILAN : cette étude peut se rapprocher de son homologue en qualité de photon. En effet l’augmentation du champ va amplifier la dose déposée par les photons et les électrons de contamination induits par le collimateur et le milieu diffusant. La dose à l’entrée (absolue) va croître avec l’augmentation du champ.
Pour le rendement, le phénomène n’est pas aussi simple à décrire, il faut tenir compte de la dose au maximum. Plus celle-ci est faible et plus le rendement est élevé. La dimension de champ va influer sur un autre paramètre, plus il y a du diffusé (milieu et collimateur), plus le maximum se situe en profondeur.
VII. DOSIMETRIE EN CURIETHERAPIE (TP7)
Les travaux pratiques réalisés jusqu’à présent s’intègrent dans le thème général
« Radiothérapie Externe », or il faut savoir qu’il existe d’autres méthodes thérapeutiques à base de rayonnements ionisants telle que la curiethérapie. Nous allons exposer les caractéristiques de certains traitements par sources scellées qui sont réalisés au CRLCC Val d’Aurelle.
VII.1. F
INALITEL’objectif de ce TP est de réaliser le contrôle de qualité des sources utilisées dans le service de curiethérapie de l’hôpital Val d’Aurelle. En outre, on comparera deux méthodes dosimétriques de curiethérapie interstitielle, la première manuelle, et la seconde à l’aide du logiciel de dosimétrie utilisé en routine. En dernier lieu, nous expliciterons une autre grande partie du traitement, la curie endocavitaire gynécologique.
VII.2. M
ATERIELS UTILISESLe matériel utilisé diffère de celui employé jusqu’à maintenant, on va manipuler d’abord des sources radioactives scellées sous forme de fils d’iridium 192 et de césium 137, associées aux projecteurs de sources (curiethérapie gynécologique) Arplay (manuel) et Télégyn (automatique). Pour le contrôle qualité, on utilisera la chambre à puits PTW Curimentor 2, ainsi que le logiciel de dosimétrie DOSIGRAY pour la comparaison avec la dosimétrie manuelle.
VII.3. E
TUDE EXPERIMENTALEComme il a été énoncé plus haut, la première étape primordiale en curiethérapie est le contrôle qualité des sources et de l’appareillage susceptible d’être contaminé.
Nous verrons ensuite ce que peut apporter un logiciel de dosimétrie lors de thérapie
interstitielle. Enfin, nous décrierons le déroulement dosimétrique de la thérapeutique du cancer gynécologique.
VII.3.a. Contrôle des sources et des différents supports
Tout comme lors des TP de radiothérapie externe, examinons le contrôle de qualité de la curiethérapie par iridium 192 puis par césium 137.
➩ Contrôle de qualité en curiethérapie par Iridium 192
Il y a quatre points essentiels à vérifier si l’on veut effectuer un contrôle rigoureux du matériel utilisé lors de curiethérapie interstitielle.
L’identification : les sources de faibles dimensions telles que les fils d’iridium 192 ne sont pas identifiables individuellement. Ils sont fournis avec un certificat de source radioactive scellée. Sur celui-ci, sont précisées les caractéristiques suivantes : le nombre de fils, la mesure de l’activité de chaque fil (en mCi et en
L’identification : les sources de faibles dimensions telles que les fils d’iridium 192 ne sont pas identifiables individuellement. Ils sont fournis avec un certificat de source radioactive scellée. Sur celui-ci, sont précisées les caractéristiques suivantes : le nombre de fils, la mesure de l’activité de chaque fil (en mCi et en