Conception d’un Télescope à Protons de Recul pour la Spectrométrie
Neutron en Temps Réel en Protonthérapie
RODOLPHE COMBE – IPHC/DESIS34 ÈME JOURNÉES DES LABORATOIRES ASSOCIÉS DE RADIO -
PHYSIQUE ET DE DOSIMÉTRIE
STRASBOURG
Thématiques de thèseMÉTROLOGIE NEUTRON AUPRÈS DE L’ACCÉLÉRATEUR AMANDE DE L’IRSN
Faisceau ponctuel
Flux faible (104 n/cm²/s)
Précision métrologique : ΔE/E<5%
Gamme d’énergie : [2x10-3;20,8] MeV
MESURE DU SPECTRE NEUTRON EN PROTONTHÉRAPIE
Spectre étendu
Flux élevé (6x106 n/cm²/s)
Précision moins cruciale
Gamme d’énergie : [0,250] MeV
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PlanIntroduction / Contexte
Le Télescope à Protons de Recul
Tests avec des protons
Spectrométrie
Comparaison des modèles nucléaires
Perspectives
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Introduction
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Neutrons secondaires en hadronthérapieProduits par l’interaction des protons avec le patient et l’accélérateur (réactions 𝑍
𝐴𝑋(p,n)𝑍+1𝐴𝑌)
Risque de cancers secondaires mesure de la dose neutron (jusqu’à 500 mSv pour un traitement de 40 Gy)
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Proton Therapy Physics – H. Paganetti
} Neutrons rapides
Protons
Neutrons externes
Neutrons internes
Neutrons secondaires en hadronthérapie
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Fact
eur
de p
ondé
rati
on r
adio
logi
que
Energie (MeV)
Spectre neutron en protonthérapiePhys. Med. Biol. 59 (2014) 2747–2765
Produits par l’interaction des protons avec le patient et l’accélérateur (réactions 𝑍
𝐴𝑋(p,n)𝑍+1𝐴𝑌)
Risque de cancers secondaires mesure de la dose neutron (jusqu’à 500 mSv pour un traitement de 40 Gy)
Effet biologique dépendant de l’énergie besoin d’un spectromètre neutron
Dépendance du spectre neutron
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Radiation Measurements 92 (2016) 1-7
Energie du proton
Angle au faisceau
Reports of practical oncology and radiotherapy 19 ( 2014 ) 376–384
TPR AMANDETPR HE
TPR AMANDETPR HE
Ep :
Dépendance du spectre neutron
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Spectre neutron mesuré à l’aide de CR-39 lors de l’irradiation d’un fantôme Rando pour le traitement d’un craniopharyngiome
pédiatrique avec un faisceau de 178 MeVThèse Rima Sayah – Paris XI (2013)
Energie du proton
Angle au faisceau
Distance à l’isocentre
Un traitement = un spectre
Actuellement : données expérimentales éparses + extrapolation par simulation MC large écart simulation/données
Système de Sphères de BonnerRéférence actuelle en salle de traitement
Bonne reconstruction du spectre en irradiation et large gamme d’énergie
Mais:◦ Procédure complexe de déconvolution
◦ Mesure et déconvolution longues
◦ Encombrant
◦ Limité en flux (4x104n/cm²/s (Farah et al.) contre 6x106 en salle de traitement)
Inapproprié pour les salles de traitement
Non-optimal pour des études multi-paramètres
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Bonner Sphere Spectrometer Cruzate, J.A.; Carelli, J.L. and Gregori, B.N.Spectre de protonthérapie
Phys. Med. Biol. 59 (2014) 2747–2765
Autres dispositifsPROJET MONDO
◦ 20-400 MeV
◦ 10×10×20 cm3
◦ Complémentaire au TPRPhys. Med. Biol. 62 (2017) 3299–3312
DÉTECTEUR À CAPTURE FANS-2
◦ Qqs MeV à 1 GeV
◦ 1,15m de long
◦ Taux maximum : 200 n/cm²/s
◦ Utilise de l’3He Journal of Instrumentation, Volume 11, January 2016
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Le Télescope à Protons de Recul
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Notre prototype
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o Télescope à Protons de Recul à pixels CMOS
o 10x15x20 cm3
o 𝐸𝑛 =𝐸𝑝
cos² 𝜃
o Trajectographie pour mesurer 𝜃
o Mesure de Ep restant pour reconstruire Epini
o Temps-réel
o Haut taux d’acquisition (100 kHz)
Schéma du Télescope à Protons de Recul
Reconstruire la trajectoire: le FastPixN
Capteur CMOS spécialement conçu à l’IPHC pour mesurer des protons dans la gamme [5;20] MeV
50µm pitch, 128x128 pixels
good trajectography
Thinned down to 50 µm minimize energy loss in CMOS
4bits ADC, acquisition rate 100kHz 109n/cm²/s)
Radiation Protection Dosimetry (2013), pp. 1–4
𝐸𝑛 =𝐸𝑝
cos² 𝜃
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Capteur FastPixN
Reconstruire la trajectoire: le FastPixN
Capteur CMOS spécialement conçu à l’IPHC pour mesurer des protons dans la gamme [5;20] MeV
50µm de pitch, 128x128 pixels
bonne trajectographie
Thinned down to 50 µm minimize energy loss in CMOS
4bits ADC, acquisition rate 100kHz 109n/cm²/s(6x106n/cm²/s)
Radiation Protection Dosimetry (2013), pp. 1–4
𝐸𝑛 =𝐸𝑝
cos² 𝜃
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Image du faisceau 24 MeV de CYRCé (IPHC) mesurée par le FastPixN
Reconstruire la trajectoire: le FastPixN
Capteur CMOS spécialement conçu à l’IPHC pour mesurer des protons dans la gamme [5;20] MeV
50µm de pitch, 128x128 pixels
bonne trajectographie
Aminci à 50 µm minimise la perte d’énergie dans les CMOS
ADC-colonne 4 bits, taux d’acquisition 100kHz 109 n/cm²/s)
Radiation Protection Dosimetry (2013), pp. 1–4
𝐸𝑛 =𝐸𝑝
cos² 𝜃
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Capteur FastPixN
Tests avec des protons
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Mesures à la plateforme AIFIRA (CENBG Bordeaux)Microfaisceau de 300nm
Mesures aves des protons de 3,3 et 1 MeV
Bonne uniformité du capteur
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Mesures à la plateforme AIFIRA (CENBG Bordeaux)
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Pas de déformation du signal ou de zones mortes
Variation du flux AIFIRA au cours de la mesure
Calibration du capteurCapteurs CMOS difficiles à calibrer (couche sensible de 14 µm)
Calibration avec : ◦ Protons de 1 et 3,3 MeV à AIFIRA
◦ Protons de 4 à 24 MeV à CYRCé(IPHC)
Bonne calibration jusqu’à 20 MeV
Utilisable comme critère d’analyse
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24 MeV4 MeV
12 MeV
SpectrométrieRÉSULTATS DES SIMULATIONS
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Problématique protonthérapieSpectre neutron très étendu (thermiques jusqu’à 250 MeV)
Neutrons de haute énergie Bruit de fond important
Faisceau de traitement : Haut flux Bruit de fond important
Besoin de réévaluer les paramètres du TPR
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Spectre de protonthérapiePhys. Med. Biol. 59 (2014) 2747–2765
Suppression des sources de bruits de fondSOURCE DE BRUIT DE FOND
1) Impact directs de neutrons dans la diode
2) Proton s’échappant de la diode
3) Diffusion inélastique dans l’air
4)Proton créé dans la diode
5) Coïncidence avec une trace partielle
6) Coïncidence avec une trace de signal
SOLUTION
Un coup dans chaque CMOS + Veto
Extrapolation de la trace vers la diode (R4)
Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)
ΔE croissant dans les CMOS
Un coup dans chaque CMOS + Veto
Corrélation de ΔEveto avec Ediode
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Simulation pour un spectre de protonthérapieMesure des neutrons entre 5 et 30 MeV (utile e.g. pour traitement ophtalmologique)
Convertisseur de 500 µm
Neutrons de plus haute énergie Diminution de la section efficace élastique et augmentation de la production de secondaires
Résolution sur En : 16,3±0,3%
Efficacité fiducielle : (2,8±0,2)x10-5
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Résolution brute :
21,2±0,4%
Résolution après
coupures : 16,3±0,3%
Secondaires
Source étendueIrradiation d’un fantôme d’eau par des protons de 70 MeV Source non ponctuelle Angle d’incidence des neutrons non nul
Simulation Δθn= f(d)
ΔEn = f(Δθn ) par une formule semi-analytique :
Δ𝐸𝑛
𝐸𝑛Δ𝜃 =
Δ𝜃−
π
8
Δ𝜃+π
8 𝑐𝑜𝑠2𝜃
𝑐𝑜𝑠²(𝜃−Δ𝜃)− 1 𝜕𝜃
±π
8: angle d’ouverture du TPR
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Convertisseur
Source étendueIrradiation d’un fantôme d’eau par des protons de 70 MeV Source non ponctuelle Angle d’incidence des neutrons non nul
Simulation Δθn= f(d)
ΔEn = f(Δθn ) par une formule semi-analytique
Bonne précision à partir d'une distance de mesure égale aux deux tiers de la taille du fantôme
Pas besoin de collimateur
Ø Fantôme (cm)
Distance (cm) Δθ ΔEn/En Δθ [5,30] ΔEn/En [5,30]
40 10 0,436±0,006 13,2±0,4% 0,370±0,004 9,7±0,2%
40 20 0,316±0,003 7,2±0,2% 0,290±0,005 6,1±0,2%
40 30 0,246±0,003 4,4±0,1% 0,227±0,005 3,8±0,2%
20 10 0,288±0,003 6,0±0,2% 0,203±0,003 3,02±0,09%
20 20 0,1840±9e-4 2,49±0,03% 0,134±0,001 1,33±0,02%
10 10 0,1696±6e-4 2,11±0,02% 0,1031±6e-4 0,79±0,01%
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Ø Fantôme (cm)
Distance (cm) Δθ ΔEn/En Δθ [5,30] ΔEn/En [5,30]
40 10 0,465±0,009 14,9±0,6% 0,265±0,005 5,1±0,2%
40 20 0,372±0,003 9,8±0,2% 0,210±0,003 3,2±0,1%
40 30 0,311±0,003 7,0±0,2% 0,187±0,003 2,57±0,09%
20 10 0,339±0,001 8,21±0,05% 0,167±0,001 2,05±0,03%
20 20 0,250±0,002 4,54±0,08% 0,123±0,002 1,12±0,04%
10 10 0,2066±9e-4 3,12±0,03% 0,1107±9e-4 0,91±0,02%
Dans l’axe
A 90°
Comparaison des modèles nucléairesPREMIERS RÉSULTATS
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Modèles utilisé pour les simulations
QGSP_BERT_HP : QGSP + Bertini + Bibliothèque de haute précision pour les neutrons avec E<20 MeV : utilisé pour les simulations précédentes
QGSP_BIC : QGSP + BIC : utilisé par C. Z. Jarlskog et H. Paganetti dans Physics Settings for Using the Geant4 Toolkit in Proton Therapy (IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE, VOL. 55, NO. 3, JUNE 2008)
QGSP_BERT : QGSP + Bertini : notamment utilisé par l’AIEA dans Spallation reactions: A successful interplay between modeling and applications (Eur. Phys. J. A (2015) 51: 68) avec QGSP_BIC
QGSP_INCLXX_HP : QGSP + INCL + Bibliothèque de haute précision pour les neutrons avec E<20 MeV : utilisé par M. Vanstale et al dans Benchmarking Geant4 hadronic models for prompt-γ monitoring in carbon ion therapy (Med Phys. 2017 Aug;44(8):4276-4286)
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Comparaisons dans la bibliographieC. Z. Jarlskog et H. Paganetti : BIC > BERT pour l’irradiation d’une cavité de Faraday avec un faisceau de protons de 160 MeV
IEAE: BERT>BIC et INCL pour 56Fe(p(62 MeV),X)3He à 20° et 56Fe(p(62 MeV),X)n à 25° ; BIC>INCL>BERT pour Ni(p(175 MeV),X)3He à 65°; BERT>INCL>BIC pour Pb(p(256 MeV),X)n à 60°
M. Vanstale et al : INCL > BIC pour la production des γ-prompt par un faisceau de 12C de 220 MeV/u dans du PMMA
Cette étude : irradiation d’un fantôme d’eau de Ø40 cm avec des protons de 70 MeV
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Comparaisons des modèles nucléaires
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Spectres simulés à 30 cm et 0°
Comparaisons des modèles nucléaires
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Spectres simulés à 30 cm et 90°
Comparaisons des modèles nucléaires
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Ratio des flux à 0° et 90°
INCL a un ratio supérieur
BIC à une fluence un peu plus importante que BERT aux deux angles
Peu de différences entre BERT et BERT_HP sur la gamme TPR (comme attendu)
Possibilité de différencier les modèles nucléaires grâce aux mesures réalisées avec le TPR dans la gamme [5-30] MeV
PerspectivesAjout d’autres modèles à la comparaison (TENDL, etc.)
Simulation de mesures avec les TPR pour les différents modèles
Test du prototype en salle de protonthérapie en 2018
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Merci de votreattention
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Simulation pour un spectre de proton-thérapieMesure des neutrons entre 5 et 30 MeV (utile e.g. pour traitement ophtalmologique)
Convertisseur de 500 µm
Neutrons de plus haute énergie Diminution de la section efficace élastique et augmentation de la production de secondaires
Résolution sur En : 16,3±0,3%
Efficacité fiducielle : (2,8±0,2)x10-5
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Spectre de
protonthérapie
Spectre
reconstruit
Spectre de protonthérapie
Energie (MeV)5
Autres dispositifsTPR A SCINTILLATEUR TPR À 45°
◦ Gamme : [30;120] MeV
◦ Mauvaise résolutionJournal of Instrumentation, Volume 11, January 2016
◦ Gamme : [2;160] MeV
◦ 23,5 x Ø7,5 cm3
◦ Chambre à videNuclear Instruments and Methods in Physics Research A613(2010) 58–64
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Sources d’incertitudes sur EpSimulation idéale du TPR pour déterminer les sources d’incertitudes :◦ Protons générés aléatoirement dans
le convertisseur
◦ Connaissance complète de la trajectoire
◦ Connaissance complète des dépôts d’énergie
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ConvertisseurCapteurs CMOS Diode
Quels sont les paramètres critiques pour la résolution?
Simulation pour des protons de 10 MeVRésolution de 0.86% sur Ep avec un convertisseur de 50µm d’épaisseur
Sources d’incertitudes : ◦ position de création du proton : 0.71%
◦ straggling dans les CMOS : 0.5%
◦ straggling dans l’air : 0.13%
Résolution sur cos θ : 0.30%
𝐸𝑛 =𝐸𝑝
cos² 𝜃
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Incertitude Air :
σ = 0,13%
Incertitude CMOS :
σ = 0,5%
Incertitude Conv :
σ = 0,71%
Incertitude totale :
σ = 0,86%
ΔE/E
Suppression d’une source de bruit de fond : ajout d’un vetoProblème n°1 : ◦ Taux de conversion : 10-3/mm de PE
◦ Flux de neutron : 103-104 n/cm²/s
Haut bruit de fond (principalement impacts de neutrons dans la diode )
Solution : ajout d’un veto diode de 65 µm
Trace acceptée si : un coup dans chaque CMOS + Veto
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Veto
Suppression du bruit de fondSOURCE DE BRUIT DE FOND
2) Proton s’échappant de la diode
3) Proton créé hors convertisseur
SOLUTION
Extrapolation de la trace vers la diode (R4)
Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)
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Suppression des sources de bruits de fond : résuméSOURCE DE BRUIT DE FOND
1) Impact direct de neutron dans la diode
2) Proton s’échappant de la diode
3) Diffusion inélastique dans l’air
4) Proton inélastique créé dans la diode
5) Particules lourdes
SOLUTION
Un coup dans chaque CMOS + Veto
Extrapolation de la trace vers la diode (R4)
Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)
ΔE croissant dans les CMOS
Corrélation de ΔEveto avec Ediode
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Matériau de la boîteDonnées JANIS : ◦ Boite en Al source de secondaires par réactions Al(n,p) et Al(n,n+p) (≈100mb)
◦ W et Pb : section efficace W(n,p) et Pb(n,p) ≈ 10 mb mais section efficace totale ≈ 5 b (vs. ≈ 1 b pour Al)
Simulation :
Bénéfice W faible : choix de l’aluminium, plus facile à usiner
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Matériau Al W
Efficacité (x10-5) 2,34±0,05 2,22±0,04
B/(S+B) 7,7±0,7% 12,8±0,7%
Résolution 20,2±0,5% 18,7±0,4%
Optimisation de la distance diode-CMOS 33ème PCB et boîte : sources de secondaires
Optimum aux alentours de 2 mm (dans la limite des contraintes mécaniques)
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Efficacité sur [5;30] MeV Taux de bruit de fond
Optimisation de la distance convertisseur-CMOS 1Pas d’influence de la distance entre le convertisseur et le premier CMOS
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σEn/En Taux de bruit de fond
Irradiation par un spectre de protonthérapie
Première extension du TPR : épaisseur du convertisseurAugmentation de la gamme en énergie du TPR
Optimum entre 200 et 500µm de polyéthylène pour protonthérapie
Décision d’utiliser un convertisseur de 500 µm pour une mesure de spectre de protonthérapie jusqu’à environ 30 MeV
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σEn/En
Taux de bruit
de fond
Ajout des coïncidences fortuites dans la simulationAjout dans la simulation des cartes PCB et de la boite, sources de particules secondaires
Irradiation du TPR selon un angle solide comprenant toute la boite
Etude des sources de bruit de fond et recherche de solutions
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Nouvelles sources de bruit de fondFlux x1000 / AMANDE : nouvelles sources de bruit de fond
5) Coïncidence avec une trace partielle
6) Coïncidence avec une trace de signal
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Suppression des sources de bruits de fondSOURCE DE BRUIT DE FOND
1) Impact directs de neutrons dans la diode
2) Proton s’échappant de la diode
3) Diffusion inélastique dans l’air
4)Proton créé dans la diode
5) Coïncidence avec une trace partielle
6) Coïncidence avec une trace de signal
SOLUTION
Un coup dans chaque CMOS + Veto
Extrapolation de la trace vers la diode (R4)
Extrapolation de la trace vers le convertisseur (R0)
ΔE croissant dans les CMOS
Un coup dans chaque CMOS + Veto
Corrélation de ΔEveto avec Ediode
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PerspectivesMesure du spectre neutron en salle de protonthérapie :◦ Comptage des neutrons thermiques et rapides < 5 MeV avec capteurs AlphaRad4
◦ Mesure du spectre neutron > 5 MeV avec TPR
◦ Mesure du spectre au-delà de 30 MeV avec un autre détecteur (MONDO ?)
◦ Calcul de la dose neutron correspondante avec simulation Monte-Carlo
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