Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions.

L'hadronthérapie est une technique innovante de radiothérapie par ions carbone ou protons visant à améliorer les traitements actuels. La précision balistique accrue renforce la nécessité d'un contrôle du dépôt de dose, si possible en temps réel. Une manière de réaliser ce contrôle est de détecter avec une caméra Compton le gamma prompt émis lors des fragmentations nucléaires pendant l'irradiation du patient. Dans un premier temps, la géométrie de deux types de caméra Compton (double diffusion puis simple diffusion) a été optimisée par simulation Monte Carlo. Cette optimisation a été réalisée en étudiant la réponse des caméras à une source ponctuelle de photons avec un spectre en énergie réaliste. La réponse de la caméra optimisée à l'irradiation d'un fantôme d'eau par un faisceau d'ions carbone ou de protons a ensuite été simulée. Ces simulations ont tout d'abord été confrontées à des mesures effectuées avec un prototype de taille réduite. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour évaluer les taux de comptage dans les détecteurs attendus en conditions cliniques. Dans la configuration actuelle de la caméra, ces taux sont élevés et les phénomènes d'empilement risquent d'être problématiques. Enfin, il est démontré que le dispositif étudié est sensible à un déplacement du pic de Bragg de plus ou moins 5 mm malgré les problèmes de coïncidences fortuites et malgré le bruit introduit par l'algorithme de reconstruction utilisé.

L'hadronthérapie est une technique innovante de radiothérapie par ions carbone ou protons visant à améliorer les traitements actuels. La précision balistique accrue renforce la nécessité d'un contrôle du dépôt de dose, si possible en temps réel. Une manière de réaliser ce contrôle est de détecter avec une caméra Compton le gamma prompt émis lors des fragmentations nucléaires pendant l'irradiation du patient. Dans un premier temps, la géométrie de deux types de caméra Compton (double diffusion puis simple diffusion) a été optimisée par simulation Monte Carlo. Cette optimisation a été réalisée en étudiant la réponse des caméras à une source ponctuelle de photons avec un spectre en énergie réaliste. La réponse de la caméra optimisée à l'irradiation d'un fantôme d'eau par un faisceau d'ions carbone ou de protons a ensuite été simulée. Ces simulations ont tout d'abord été confrontées à des mesures effectuées avec un prototype de taille réduite. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour évaluer les taux de comptage dans les détecteurs attendus en conditions cliniques. Dans la configuration actuelle de la caméra, ces taux sont élevés et les phénomènes d'empilement risquent d'être problématiques. Enfin, il est démontré que le dispositif étudié est sensible à un déplacement du pic de Bragg de plus ou moins 5 mm malgré les problèmes de coïncidences fortuites et malgré le bruit introduit par l'algorithme de reconstruction utilisé. / Ion beam therapy is an innovative radiotherapy technique using mainly carbon ion and proton irradiations. Its aim is to improve the current treatment modalities. Because of the sharpness of the dose distributions, a control of the dose if possible in real time is highly desirable. A possibility is to detect the prompt gamma rays emitted subsequently to the nuclear fragmentations occurring during the treatment of the patient. In a first time two different Compton cameras (double and single scattering) have been optimised by means of Monte Carlo simulations. The response of the camera to a photon point source with a realistic energy spectrum was studied. Then, the response of the camera to the irradiation of a water phantom by a proton beam was simulated. It was first compared with measurement performed with small-size detectors. Then, using the previous measurements, we evaluated the counting rates expected in clinical conditions. In the current set-up of the camera, these counting rates are pretty high. Pile up and random coincidences will be problematic. Finally we demonstrate that the detection system is capable to detect a longitudinal shift in the Bragg peak of +or- 5 mm, even with the current reconstruction algorithm.

Au cours du traitement d'une tumeur avec des ions légers, la position du pic de Bragg doit être connue avec précision. Une fraction importante des ions incidents subissent des collisions nucléaires avec les noyaux cibles conduisant à l'émission de particules promptes qui peuvent être porteuses d'informations sur le parcours des ions. Ce travail, qui se concentre sur les gamma prompts, montre que le rendement en profondeur de ces émissions est fortement corrélé au parcours des ions et que les taux de comptage mesurés permettent d'envisager un système d'imagerie réaliste, fonctionnant en temps réel. Dans ce but, nous avons réalisé des expériences au GANIL et au GSI avec un détecteur collimaté placé perpendiculairement à l'axe du faisceau et la technique du temps de vol a été utilisée pour réduire le bruit de fond induit par les neutrons et les particules chargées. Des simulations Geant4 ont été réalisées pour concevoir le dispositif expérimental et interpréter les données. Un accord qualitatif entre les simulations et l'expérience est observé pour la quantité d'énergie déposée dans le détecteur et pour la forme du spectre de temps de vol. Cependant, des divergences apparaissent pour le rendement de gamma prompts et la distribution en profondeur des gamma détectés. Ces divergences sont discutées, principalement en termes de modèles de physique nucléaire qui doivent être améliorés. Après avoir sélectionné les modèles physiques offrant les simulations les plus en accord avec les mesures, des études concernant les lieux d'émissions des gamma prompts et l'influence de la diffusion dans la cible ont été réalisés afin de déterminer l'impact sur la corrélation avec le parcours des ions / During the treatment of a tumor with light ions, the Bragg peak location must be accurately known. A significant fraction of the incident ions undergo nuclear collisions with the target nuclei leading to the prompt emission of particles which may carry information on the ion path. This work, which focuses on prompt gamma, shows that the depth profile of these emissions is highly correlated to the ions path and the measured counting rates allow to consider a realistic imaging system, operating in real time. For that purpose, we performed experiments at GANIL and at GSI with a collimated detector placed perpendicular to the beam axis and the time of flight technique was used in order to reduce the noise induced by neutrons and charged particles. Geant4 simulations were performed for the experimental design and data interpretation. A qualitative agreement between simulations and experiment is observed for the amount of energy deposited in the detector and the shape of the time of flight spectrum. However, discrepancies appear for the prompt gamma yield and the depth distribution of gamma detected. These discrepancies are discussed, mainly in terms of nuclear physics models that must be improved. After selecting the physical models which lead to the best agreement between simulations and measurements, studies on the location of prompt gamma emission and on the influence of diffusion in the target were performed to determine the impact on the correlation with the ion path

L'hadronthérapie joue un rôle de plus en plus important au sein des techniques de radiothérapie grâce aux propriétés balistiques des ions et, dans le cas de ceux plus lourds que les protons, à une augmentation de l'efficacité biologique dans la région tumorale. Ces caractéristiques permettent une meilleure conformation de la dose délivrée au volume tumoral et elles permettent en particulier de traiter des tumeurs radio-résistantes. Elles conduisent cependant à une grande sensibilité du parcours des ions aux incertitudes du traitement. C'est dans ce contexte qu'a été proposée la détection de radiations secondaires émises lors des interactions nucléaires induites par les ions incidents dans le patient. La tomographie par émission de positons et la détection des rayons gamma prompts ont notamment fait l'objet d'une recherche intense ces dernières années. Le réseau de formation européen ENTERVISION, soutenu par la communauté ENLIGHT, a été crée fin 2009 pour développer ce type d'imagerie et, plus généralement, traiter les incertitudes de traitement en hadronthérapie. Le travail présenté dans ce manuscrit et intitulé ≪ Modélisation et simulation des processus physiques pour l'imagerie en ligne de l'hadronthérapie ≫ est l'un des nombreux travaux issus de ce projet. Bien que le sujet soit particulièrement large, le fil conducteur de ce travail a été une étude systématique visant in fine une implémentation d'un dispositif d'imagerie ≪ gamma prompts ≫ utilisable à la fois en faisceau de protons et d'ions carbone / Hadrontherapy is taking an increasingly important role in radiotherapy thanks to the ballistic properties of ions and, for those heavier than protons, an enhancement in the relative biological effectiveness in the tumour region. These features allow for a higher tumour conformality possible and gives the opportunity to tackle the problem of radioresistant tumours. However, they may lead to a great sensitivity of ion range to treatment uncertainties, namely to morphological changes along their path. In view of this, the detection of secondary radiations emitted after nuclear interactions between the incoming ions and the patient have been long proposed as ion range probes and, in this regard, positron emitters and prompt gammas have been the matter of intensive research. The European training network ENTERVISION, supported by the ENLIGHT community, was created in the end of 2009 in order to develop such imaging techniques and more generally to address treatment uncertainties during hadrontherapy. The present work is one of the many resulting from this project, under the subject “Modelling and simulation of physics processes for in-beam imaging in hadrontherapy”. Despite the extensive range of the topic, the purpose was always to make a systematic study towards the clinical implementation of a prompt-gamma imaging device to be used for both proton and carbon ion treatments

L'hadronthérapie est l'une des modalités disponibles pour traiter le cancer. Cette modalité utilise des ions légers (protons, ions carbone) pour détruire les cellules cancéreuses. De telles particules ont une précision balistique de par leur trajectoire quasi-rectiligne, leur parcours fini et le profil de dose maximum en fin de parcours, ce qui permet, par rapport à la radiothérapie conventionnelle, d'épargner les tissus sains situés à côté, en aval et en amont de la tumeur. L'un des enjeux de l'assurance qualité de cette modalité est le contrôle du positionnement de la dose déposée par les ions dans le patient. Une possibilité pour effectuer ce contrôle est d'observer les gammas prompts émis lors des réactions nucléaires induites le long du parcours des ions dans le patient. Un prototype de caméra Compton, permettant théoriquement de maximiser l'efficacité de détection des gammas prompts, est actuellement développé dans une collaboration régionale. Mon travail de thèse s'est axé autour de cette caméra et plus particulièrement sur les points suivants : i) étudier par les simulations Monte Carlo le fonctionnement du prototype en cours de construction, notamment en regard des taux de comptage attendus sur les différents types d'accélérateurs en hadronthérapie, ii) mener des études de simulation sur l'utilisation de cette caméra en imagerie clinique, iii) caractériser les détecteurs silicium du diffuseur, iv) confronter les simulations entreprises sur la réponse de la caméra avec des mesures sur faisceau à l'aide d'un démonstrateur. Il résulte que le prototype de caméra Compton développé rend possible un contrôle de la localisation du dépôt de dose en protonthérapie à l'échelle d'un spot, à condition que l'intensité clinique du faisceau de protons soit diminuée d'un facteur 200 (intensité de 108 protons/s). Une application de la caméra Compton en médecine nucléaire semble réalisable avec l'utilisation de radioisotopes d'énergie supérieure à 300 keV. Ces premiers résultats doivent être confirmés par des simulations plus réalistes (cibles de PMMA homogènes et hétérogènes). Des tests avec l'intégration progressive de tous les éléments de la caméra vont avoir lieu courant 2016 / Hadrontherapy is one of the modalities available for treating cancer. This modality uses light ions (protons, carbon ions) to destroy cancer cells. Such particles have a ballistic accuracy thanks to their quasi-rectilinear trajectory, their path and the finished profile maximum dose in the end. Compared to conventional radiotherapy, this allows to spare the healthy tissue located adjacent downstream and upstream of the tumor. One of this modality’s quality assurance challenges is to control the positioning of the dose deposited by ions in the patient. One possibility to perform this control is to detect the prompt gammas emitted during nuclear reactions induced along the ion path in the patient. A Compton camera prototype, theoretically allowing to maximize the detection efficiency of the prompt gammas, is being developed under a regional collaboration. This camera was the main focus of my thesis, and particularly the following points : i) studying, throughout Monte Carlo simulations, the operation of the prototype in construction, particularly with respect to the expected counting rates on the different types of accelerators in hadrontherapy ii) conducting simulation studies on the use of this camera in clinical imaging, iii) characterising the silicon detectors (scatterer) iv) confronting Geant4 simulations on the camera’s response with measurements on the beam with the help of a demonstrator. As a result, the Compton camera prototype developed makes a control of the localization of the dose deposition in proton therapy to the scale of a spot possible, provided that the intensity of the clinical proton beam is reduced by a factor 200 (intensity of 108 protons / s). An application of the Compton camera in nuclear medicine seems to be attainable with the use of radioisotopes of an energy greater than 300 keV. These initial results must be confirmed by more realistic simulations (homogeneous and heterogeneous PMMA targets). Tests with the progressive integration of all camera elements will take place during 2016