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SUJET DE THESE CFR au Laboratoire de Mesures Optiques du CEA LIST – Saclay (2010-2012) Etude des potentialités de la dosimétrie RL/OSL multivoies pour le contrôle de faisceau en protonthérapie – Application à la mesure de rendements en profondeur Contexte Actuellement, plus de 60 % des patients atteints d’un cancer sont traités totalement ou partiellement par radiothérapie. Sauf dans de rares exceptions (e.g. Irradiation Corporelle Totale), la radiothérapie concerne un traitement local de la tumeur en préservant les tissus sains environnants et les organes à risques. L’objectif est de détruire les cellules clonogéniques du tissu tout en limitant la probabilité d’apparition d’un cancer radio-induit dans les années qui suivent le traitement. Le rayonnement est choisi en fonction de ses propriétés balistiques et de son efficacité biologique. En radiothérapie externe, la majorité des traitements (200 000 patients en France par an) exploite des faisceaux de photons ou d’électrons de haute énergie (jusqu’à 24 MeV) produits par des accélérateurs linéaires (LINACs). La balistique des photons et des électrons est relativement imprécise (diffusion). Les photons permettent d’irradier les tissus sur une profondeur importante mais irradie un volume important de tissus sains en amont et en aval du volume à traiter. Les électrons présentent l’intérêt de réduire la dose en aval de la tumeur mais ne sont vraiment adaptés que pour des tumeurs peu profondes. La ...
Publié le : samedi 24 septembre 2011
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SUJET DE THESE CFR
au Laboratoire de Mesures Optiques
du CEA LIST – Saclay (2010-2012)

Etude des potentialités de la dosimétrie RL/OSL multivoies pour le contrôle de faisceau en
protonthérapie – Application à la mesure de rendements en profondeur

Contexte
Actuellement, plus de 60 % des patients atteints d’un cancer sont traités totalement ou partiellement par radiothérapie.
Sauf dans de rares exceptions (e.g. Irradiation Corporelle Totale), la radiothérapie concerne un traitement local de la
tumeur en préservant les tissus sains environnants et les organes à risques. L’objectif est de détruire les cellules
clonogéniques du tissu tout en limitant la probabilité d’apparition d’un cancer radio-induit dans les années qui suivent le
traitement.
Le rayonnement est choisi en fonction de ses propriétés balistiques et de son efficacité biologique. En radiothérapie
externe, la majorité des traitements (200 000 patients en France par an) exploite des faisceaux de photons ou d’électrons
de haute énergie (jusqu’à 24 MeV) produits par des accélérateurs linéaires (LINACs). La balistique des photons et des
électrons est relativement imprécise (diffusion). Les photons permettent d’irradier les tissus sur une profondeur
importante mais irradie un volume important de tissus sains en amont et en aval du volume à traiter. Les électrons
présentent l’intérêt de réduire la dose en aval de la tumeur mais ne sont vraiment adaptés que pour des tumeurs peu
profondes. La Radiothérapie Conformationnelle (RTC), qui consiste ainsi à adapter précisément le champ d’irradiation à
la forme de la tumeur (collimateurs personnalisés ou multi-lames), est améliorée par les techniques de Radiothérapie
Conformationnelle à Modulation d’Intensité (RCMI) et de Tomothérapie. En pratique, les plans de traitement impliquent
donc des fractions de dose délivrées par de multiples faisceaux d’incidences choisies afin de cumuler la dose dans le
volume cible et limiter l’exposition des tissus sains.
Les faisceaux de protons à haute énergie (jusqu’à 200 MeV), produits par des cyclotrons ou des synchrotrons, présentent
un grand nombre d’avantages par rapport aux faisceaux de photons/électrons. Tout d’abord, l’effet biologique des
protons est légèrement supérieur. Mais surtout, leur balistique est beaucoup plus précise (faible pénombre latérale) et ils
déposent leur énergie en profondeur dans une zone localisée (pic de Bragg). Finalement, le gradient de dose est très élevé
en aval de la tumeur (pas de pénombre distale) de sorte qu’une dose élevée peut être déposée à proximité immédiate d’un
organe à risque.
Contrairement aux faisceaux d’électrons et de photons (à énergie de faisceau fixe), la protonthérapie (PT) nécessite de
moduler l’énergie du faisceau afin de réaliser une conformation en profondeur de la distribution en dose à la géométrie de
la tumeur (technique dite Spread Out Bragg-Peak). Les faisceaux de protons sont actuellement utilisés pour les
traitements des yeux ou de tumeurs au cerveau. Etant donné la complexité et le coût des installations, seuls deux centres
en France dispensent de tels soins (Centre de Protonthérapie d’Orsay (CPO), Centre Antoine Lacassagne (Nice)) pour
environ 500 patients par an, en permanente augmentation.

Assurance Qualité des traitements de radiothérapie
La réussite d’un traitement de radiothérapie implique la vérification permanente de la bonne adéquation (à mieux que ±
5%) des doses délivrées avec les doses prévues pour le traitement. Les récents accidents de surexposition de patients en
radiothérapie survenus en France ont conduit les pouvoirs publics à modifier le code de la Santé Publique. Parmi les
mesures pratiques recommandées par le Ministère, la dosimétrie OSL (Optically Stimulated Luminescence) par fibre
optique (OSL/FO) permet d’envisager la mise en place d’une Dosimétrie In Vivo (DIV) efficace tout en participant à une
meilleure organisation du plateau technique.
Actuellement, il n’existe pas de concepts bien établis pour la DIV en PT. Il y a donc un besoin en outils dosimétriques.
L'AQ en place au CPO de l'Institut Curie implique un contrôle quotidien des caractéristiques du faisceau (profil, mesure
de la dose, vérification de l'énergie dans une cuve à eau).

Etat de la technique OSL au CEA LIST pour la DIV en radiothérapie
Le Laboratoire de Mesures Optiques (LMO) du CEA LIST (Saclay) développe depuis 2004 une instrumentation OSL/FO
multivoies pour l’AQ des traitements de radiothérapie (photons/électrons) dans le cadre du projet européen FP6-
MAESTRO et le projet ANR-TECSAN CODOFER. Ce travail est réalisé en partenariat avec le CEA LIST (LNHB) pour
la partie validation métrologique (accélérateur Saturne 43) et avec le Service de Physique de l’Institut Gustave Roussy
(IGR) pour la partie validation clinique.
Les dosimètres RL/OSL incorporent des cristaux d’alumine dosimétriques qui présentent d’excellentes performances de
détection (forte sensibilité, faible fading, faible Z (~ 10), bonne tenue physico-chimique). Ils sont de petite taille (mm),
solides, transparents et résistant aux radiations (grande durée de vie), stérilisables, insensibles aux perturbations
électromagnétiques (mesure optique) et présentent une très faible dépendance en énergie et en incidence angulaire.

Les validations métrologiques et cliniques réalisées avec cette instrumentation ont permis de démontrer son utilité
potentielle pour la DIV des patients en radiothérapie (photons et électrons). Le procédé de commutation optique mis en
œuvre dans cette instrumentation permet d’optimiser le coût par point de mesure, de centraliser les données, ainsi que de
simplifier l’organisation de la mesure et de gagner en cadence de mesure, étalonnage et archivage et donc in fine en coût
opérationnel dans un contexte de complexité médicale accrue.
En utilisation clinique, le principe consistera à utiliser une instrumentation OSL/RL placée en salle de contrôle, reliée par
un cordon optique à un distributeur de capteurs (équipé d’un commutateur optique), transportable, situé à côté de la table
du patient. Celui-ci peut délivrer jusqu’à 15 dosimètres OSL/FO solidaires de cordons optiques souples. La mesure de la
RL émise spontanément par les dosimètres au cours du traitement permet de déduire l’évolution de la dose en temps réel
et dépister ainsi une éventuelle erreur dans l’organisation des soins et la mesure de la luminescence OSL (après
traitement) permet d’en déduire avec précision (± 1%) les doses absorbées au cours du traitement. Les capteurs sont lus et
remis à zéro pendant le temps inter-patient de sorte que la mesure de dose ne perturbe pas l’organisation du traitement.
Les mesures de doses sont alors archivées et comparées aux doses prévues par le plan de traitement.

Description du sujet de thèse
La dosimétrie RL/OSL peut être appliquée au contrôle temps réel de l’énergie du faisceau de protons. Pour cela, une
portion du faisceau utilisé pour le traitement est prélevée de façon non invasive à sa périphérie afin d'analyser son énergie
par une analyse du rendement en profondeur dans sa partie distale (fin de parcours, là où le gradient de dose est le plus
important). Une couronne sera constituée de 12 à 16 capteurs OSL placés derrière des compensateurs en PMMA répartis
sur la circonférence du faisceau, d'épaisseurs calibrées fonction du parcours des protons.
L'instrumentation OSL/FO multivoies existante (projet CODOFER) sera utilisée pour toutes les validations
expérimentales. Celle-ci réalise des mesures de doses cumulées (par RL) en temps réel, échantillonnées par commutation
optique. Après irradiation, le lecteur mesure la distribution de doses (par OSL) en ligne. L'évolution en temps réel de
l'énergie du faisceau sera déduite des courbes de rendement en profondeur. La résolution spatiale attendue est
millimétrique et la fréquence d'acquisition est actuellement de l'ordre de 4 Hz (moteur pas-à-pas). Cependant, une
fréquence d’acquisition de l’ordre de 100 Hz est possible avec des commutateurs optiques commerciaux à actionneurs
piézoélectriques. L'ensemble (couronne et capteurs) sera validé expérimentalement au CPO, sous différentes énergies de
protons, et leur réponses seront comparées aux dosimètres traditionnels (diodes, chambres d'ionisation) pour en déduire le
comportement en dose et en énergie et pour valider le concept de mesure en temps réel de l'énergie.
Le plan d’étude est le suivant :
1. Une étude spécifique sera donc menée sur la mise en forme des cristaux d’alumine (optiquement transparents),
et sur la conception opto-mécanique (mise en forme, couplage optique à la fibre de déport). La luminescence
RL/OSL générée par les cristaux d’alumine (optiquement transparents) serait collectée dans l’intégralité du
volume après réflexions multiples aux interfaces. Des dosimètres tests seront réalisés au LMO.
2. Les dosimètres RL/OSL réalisés seront étudiés sous faisceaux de protons de différentes énergies et de
différentes fluences dans le but d’analyser la réponse des cristaux en RL et en OSL en conditions de référence
au sein d’une cuve à eau et de les comparer aux dosimètres traditionnels (chambre d’ionisation, diodes). Une
attention toute particulière sera allouée à la décroissance du rendement de luminescence en fonction du TEL aux
doses élevées (~ 10 Gy), notamment au pic de Bragg. La dépendance en énergie de la réponse RL/OSL des
alumines sera également étudiée.
3. Parallèlement, une simulation Monte-Carlo (MCNPX) permettra de déduire les rendements en profondeur
théoriques.
4. Enfin, une couronne expérimentale (16 points de mesure dans une première phase de démonstration) sera
conçue et un logiciel sera mis au point pour analyser en temps réel le rendement en profondeur et en déduire
l’énergie du faisceau.
5. Finalement, une validation expérimentale du procédé de mesure en temps réel de l’énergie du faisceau sera
réalisée au CPO en comparaison avec des dosimètres de référence. L’étude conclura sur la pertinence technico-
économique d’un tel dispositif pour le contrôle qualité en PT.

CONTACT :
Dr Sylvain MAGNE
CEA LIST (DETECS-SYSSC) Laboratoire de Mesures Optiques
CEA SACLAY Bt 528 pt courrier 94 91191 Gif-sur-Yvette cedex FRANCE
Sylvain.magne@cea.fr 01 69 08 90 47

Référence Thot CEA : SL-DRT-09-735
Domaines de recherche : Optique, Optique laser, Sciences pour l’ingénieur, Physique médicale
Mots-clés : OSL, fibres optiques, dosimétrie, énergie, protonthérapie, Monte Carlo

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