This PhD thesis reports on the experimental investigation of the prompt photons created during the fragmentation of the carbon beam used in particle therapy. Two series of experiments have been performed at the GANIL and GSI facilities with 95 MeV/u and 305 MeV/u 12C6+ ion beams stopped in PMMA and water phantoms. In both experiments a clear correlation was obtained between the C-ion range and the prompt photon profile. A major issue of these measurements is the discrimination between the prompt photon signal (which is correlated with the ion path) and a vast neutron background uncorrelated with the Bragg-Peak position. Two techniques are employed to allow for this photon-neutron discrimination: the time-of-flight (TOF) and the pulse-shape-discrimination (PSD). The TOF technique allowed demonstrating the correlation of the prompt photon production and the primary ion path while the PSD technique brought great insights to better understand the photon and neutron contribution in TOF spectra. In this work we demonstrated that a collimated set-up detecting prompt photons by means of TOF measurements, could allow real-time control of the longitudinal position of the Bragg-peak under clinical conditions. In the second part of the PhD thesis a simulation study was performed with Geant4 Monte Carlo code to assess the influence of the main design parameters on the efficiency and spatial resolution achievable with a multidetector and multi-collimated Prompt Gamma Camera. Several geometrical configurations for both collimators and stack of detectors have been systematically studied and the considerations on the main design constraints are reported.

Cette thèse porte sur les mesures expérimentales des γ-prompts créés lors de la fragmentation du faisceau d'ions carbone en hadronthérapie. Deux expériences ont été effectuées aux laboratoires GANIL et GSI avec des ions 12C6+ de 95MeV/u et 305MeV/u irradiant une cible d'eau ou de PMMA. Dans les deux expériences une nette corrélation a été obtenue entre le parcours des ions carbone et le profil longitudinal des γ- prompts. Une des plus grandes difficultés de ces mesures vient de la discrimination entre le signal des γ-prompts (qui est corrélé avec le parcours des ions) et un important bruit de fond dû aux neutrons (non corrélé au parcours). Deux techniques sont employées pour effectuer la discrimination entre γ et neutrons: le temps de vol (TDV) et la discrimination par forme de signal (DFS). Le TDV a permis de démontrer la corrélation entre la production de γ-prompts et le parcours des ions. La DFS a fourni des informations précieuses pour la compréhension des caractéristiques des spectres en TDV. Dans ce travail on a démontré qu'un système de détection de γ-prompt collimaté, basé sur la technique du temps de vol, peut permettre une vérification en temps réel de la position du Pic de Bragg en conditions cliniques. Dans la dernière partie de la thèse, un travail de simulation a été effectué à l'aide du code de simulation Geant4 pour évaluer l'influence des principaux paramètres du design d'un dispositif de multi-détecteurs et multicollimateurs sur la résolution spatiale et l'efficacité atteignable par une Camera γ-Prompt. Plusieurs configurations géométriques ont été étudiées de façon systématique et les principales contraintes du design sont analysées. / This PhD thesis reports on the experimental investigation of the prompt photons created during the fragmentation of the carbon beam used in particle therapy. Two series of experiments have been performed at the GANIL and GSI facilities with 95 MeV/u and 305 MeV/u 12C6+ ion beams stopped in PMMA and water phantoms. In both experiments a clear correlation was obtained between the C-ion range and the prompt photon profile. A major issue of these measurements is the discrimination between the prompt photon signal (which is correlated with the ion path) and a vast neutron background uncorrelated with the Bragg-Peak position. Two techniques are employed to allow for this photon-neutron discrimination: the time-of-flight (TOF) and the pulse-shape-discrimination (PSD). The TOF technique allowed demonstrating the correlation of the prompt photon production and the primary ion path while the PSD technique brought great insights to better understand the photon and neutron contribution in TOF spectra. In this work we demonstrated that a collimated set-up detecting prompt photons by means of TOF measurements, could allow real-time control of the longitudinal position of the Bragg-peak under clinical conditions. In the second part of the PhD thesis a simulation study was performed with Geant4 Monte Carlo code to assess the influence of the main design parameters on the efficiency and spatial resolution achievable with a multidetector and multi-collimated Prompt Gamma Camera. Several geometrical configurations for both collimators and stack of detectors have been systematically studied and the considerations on the main design constraints are reported.

L’hadronthérapie est une technique de traitement des cancers basée sur l’utilisation de faisceaux d’ions (principalement des protons et des ions 12 C). L’intérêt des ions repose sur deux propriétés fondamentales. La première est d’ordre balistique. Le mode d’interaction des ions avec la matière, caractérisé par le phénomène de pic de Bragg, se traduit par une faible dispersion spatiale de l’énergie déposée dans les tissus. Ceci permet un très bon niveau de conformation au volume tumoral. La seconde est d’ordre biologique, notamment pour les ions 12 C qui présentent une cytotoxicité élevée, utile pour le traitement de tumeurs radiorésistantes. Pour pouvoir utiliser toutes les possibilités offertes par les faisceaux d’ions, de nouveaux outils de contrôle qualité doivent être mis au point. L’utilisation des particules secondaires générées lors de l’irradiation est la voie choisie pour vérifier la conformité des traitements d’hadronthérapie. Certaines de ces particules secondaires présentent une distribution d’activité fortement corrélée au dépôt de dose. C’est le cas des noyaux émetteurs β + dont la détection est basée sur le principe de la tomographie par émission de positons (TEP). La mesure de la distribution en radionucléides émetteurs β + produits par fragmentation du projectile et/ou de la cible permet de détecter des erreurs sur le parcours des ions. Nous présentons ici les travaux de construction d’un démonstrateur appelé DPGA et la mise au point des outils qui lui sont associés pour réaliser la vérification du parcours des ions à partir de la mesure de l’activité β + induite lors des traitements d’hadronthérapie. Le but du DPGA est de pouvoir évaluer certains choix matériels et logiciels avec comme objectif de pouvoir, à terme, effectuer la mesure du parcours des ions en ligne pendant l’irradiation. / Hadrontherapy is a radiation therapy for cancer based on ion beams (mainly protons or carbon ions). This type of treatment offers two advantages compared with conventional x-ray therapy. First the ions penetrate the tissues with little diffusion and the energy transfer is maximum just before stopping (Bragg peak). Then the ions offer a superior dose conformity with tumor volume. Moreover carbon ions offer a higher biological effectiveness useful for radioresistant tumors treatments. To fully exploit the ion beams properties, new quality assurance procedures have to be defined. These controls can be achieved by measuring the β + activation which is induced during the treatments by means of Positon Emission Tomography (PET). PET can be applied for ion range verification because of the correlation between the dose distribution and the spatial distribution of secondary β + activity. We present in this thesis the building of a demonstrator called DPGA and the design of several of its tools dedicated for ion range verification. The aim of the DPGA is to trial hardware and software solutions for an on-line measurement during irradiation.