Page mise à jour le 30 avril 2024

« Assurance qualité des traitements par hadronthérapie carbone par imagerie de particules promptes chargées »

Résumé (en français)

L’hadronthérapie est une modalité de radiothérapie innovante dans laquelle des ions légers -tels des protons ou des ions carbone- sont accélérés à une vitesse relativiste, puis focalisés afin d’irradier la zone tumorale du patient. Cette technique se démarque de la radiothérapie dite conventionnelle -utilisant des photons- par l’existence d’un pic de dépôt d’énergie, appelé pic de Bragg, qui se situe à la fin du parcours des ions.

L’existence de différents phénomènes qui aboutissent à une incertitude sur le parcours des ions représente toutefois une limite à la précision intrinsèque de cette modalité. Cela justifie la nécessité d’une assurance qualité des traitements et motive le développement de techniques de suivi en ligne et en temps réel du parcours des ions.

Ces travaux de thèse ont pour objet la caractérisation d’une technique de suivi du parcours des ions, appelée imagerie des vertex d’interaction. Il a en effet été observé que lors du parcours des ions dans le patient, une fraction importante de ceux-ci subit des réactions nucléaires, à l’origine d’un rayonnement de particules promptes secondaires chargées. Un télescope constitué de capteurs pixélisés est proposé pour localiser les vertex d’interaction de ces particules et mesurer leur corrélation avec le parcours des ions, corrélation prédite par des travaux in-silico précédents.

La réalisation de plusieurs expériences durant lesquelles des cibles homogènes et hétérogènes ont été irradiées dans des conditions réalistes a permis d’obtenir les premiers résultats expérimentaux relatifs à cette technique, confrontés à des simulations qui ont également été réalisées. Avant de discuter l’ensemble des résultats obtenus, ce manuscrit détaille les aspects matériels et logiciels des importants développements mis en œuvre et qui ont abouti à un prototype complet et fonctionnel d’imageur, accompagné de simulations Monte-Carlo basées sur le logiciel Geant4.

Abstract (in english)

Hadrontherapy is an innovative radiotherapy modality in which light ions -such as protons or carbon ions- are accelerated to a relativistic speed and focused to irradiate a tumoral area. This technique differs from the conventional radiotherapy -which uses photons- by the existence of an energy deposition peak, called Bragg peak, which stands at the end of the ions path. However, different phenomena that lead to uncertainty in the real ion range exist, and limit the intrinsic accuracy of this modality. This justifies the need for a treatments quality assurance and motivates the development of in-line and real-time monitoring techniques to follow the real ions range.

This PhD thesis work aims the characterization of an ion range monitoring technic, called interaction vertex imaging. It has been observed that during the ion path in the patient, a significant part of incoming ions undergoes nuclear reactions, causing a prompt secondary charged particles radiation. A telescope made up of pixelated sensors is proposed to locate these particles interaction vertex and to measure their correlation with the ions range, correlation predicted by a previous in-silico work.

The first experimental results for this technique has been obtained with the realization of several experiments during which homogeneous and heterogeneous targets were irradiated under realistic conditions. Simulations were also performed to compare with experimental results. Before discussing the overall results, this manuscript details the hardware and software aspects of important developments that was made and that resulted in a complete and working prototype imager, with Monte Carlo simulations based on the Geant4 software.

Préparation et direction de ma thèse

J’ai préparé ma thèse de doctorat ès sciences, spécialité physique médicale, à l’Institut de Physique des 2 Infinis (IP2I – Lyon) (ex Institut de Physique Nucléaire de Lyon – IPNL), au sein de l’école doctorale de Physique et d’Astrophysique (PHAST), d’octobre 2011 à septembre 2015, sous la direction de :

Dr Denis DAUVERGNE, Directeur de Recherches au CNRS, directeur de l’équipe CAS-PHABIO devenue PRISME (IP2I, Lyon), puis directeur de l’équipe PAM (LPSC, Grenoble) ;
Pr Jérôme BAUDOT, Professeur des Universités à l’Université de Strasbourg, équipe PICSEL (IPHC, Strasbourg).

Membres du jury de soutenance

J’ai soutenu publiquement ma thèse le 29 septembre 2015, au grand amphithéâtre de l’IPNL, devant un jury constitué par :

Président : Pr Imad LAKTINEH, Professeur des Universités à l’UCBL, directeur du groupe ILC (IP2I, Lyon) ;
Rapporteur : Pr Gilles BAN, Professeur des Universités à l’ENSICAEN, équipe GRIFON (LPC Caen) ;
Rapporteur : Pr Christian MOREL , Professeur des Universités à l’Université Aix-Marseille, directeur du groupe imXgam (CPPM , Marseille) ;
Examinateur : Pr Jacques BALOSSO, Professeur des Université à la Faculté de Médecine de Grenoble et chef du service de radiothérapie au CHUG (Grenoble) ;
Examinateur : Pr Fabio SAULI, physicien au CERN, inventeur des détecteurs GEM ;
Examinateur : Dr Denis DAUVERGNE, directeur de thèse.

Le rapport d’après soutenance rédigé par les membres du jury ainsi que mon diplôme de Doctorat peuvent être consultés à titre informatif, toute autre utilisation étant proscrite.

Consulter mon manuscrit et mon diaporama de soutenance

Mon manuscrit est disponible au format PDF (218 pages, 28 Mo) sur mon site et sur le site these.fr.
Mon diaporama de soutenance est disponible au format PDF (61 planches, 5 Mo) sur mon site.

Communications scientifiques relatives à mes travaux de thèse

En tant que premier auteur

Proton Interaction Vertex Imaging with silicon-pixel CMOS telescope for carbon therapy quality control (présentation orale en anglais)
V.Reithinger, C.Ray, J.Baudot, S.Brons, D.Dauvergne, M.De Rydt, G.Dedes, P.Henriquet, J.Krimmer, K.Parodi, I.Rinaldi, E.Testa, M.Winter
2012 IEEE NPSS Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, October 29 to November 3 2012, Anaheim, California
diaporama (PDF, 17 planches, 1,4 Mo).

Instrumentation pour le suivi en ligne des traitements par hadronthérapie (présentation orale en français et acte de conférence publié)
V.Reithinger, L.Balleyguier, J.Baudot, M.Dahoumane, D.Dauvergne, S.Deng, N.Freud, J.Krimmer, J.-M.Letang, H.Mathez, G.Montarou, C.Ray, M.-H.Richard, M.De Rydt, E.Testa, M.Winter, Y.Zoccaratto
6ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation, C2I 2013, janvier 2013, Lyon, France
diaporama (PDF, 21 planches, 2,7 Mo) – résumé (PDF, 2 pages, 340 ko) – acte de conférence (PDF, 6 pages, 390 ko) – ouvrage contenant l’acte de conférence (lien vers le site de l’éditeur).

Proton Interaction Vertex Imaging with silicon-pixel CMOS telescope for carbon therapy quality control (présentation orale en anglais)
V.Reithinger, J.Baudot, S.Brons, D.Dauvergne, G.Dedes, J.Krimmer, C. La Tessa, K.Parodi, A.-L. Pequegnot, R.Pleskac, C.Ray, I.Rinaldi, M. De Rydt, E.Testa, M.Vanstalle
52nd Annual Conference of the Particle Therapy Co-Operative Group, 2-8 June 2013, Essen, Germany
diaporama (PDF, 15 planches, 3,2 Mo) – résumé (PDF, 1 page, 34 ko).

Proton Interaction Vertex Imaging with silicon-pixel CMOS telescope for carbon therapy quality control (présentation orale en anglais)
V.Reithinger, J.Baudot, S.Brons, D.Dauvergne, G.Dedes, J.Krimmer, C. La Tessa, K.Parodi, A.-L. Pequegnot, M.Pinto, R.Pleskac, C.Ray, I.Rinaldi, M. De Rydt, E.Testa, M.Vanstalle
2013 Workshop of the Cancéropôle Grand Ouest, The future of radiation oncology : Imaging, Dosimetry, Biology & Therapy ; September 25-28, Berder, France
diaporama (PDF, 16 planches, 3,2 Mo) – résumé (PDF, 2 page, 120 ko).

Assurance qualité des traitements par hadronthérapie carbone par imagerie de particules promptes chargées (présentation orale en français)
V.Reithinger
Prix de la meilleure présentation scientifique décerné par le jury composé des Dr Alain CARPENTIER, Dr Jean-Michel DUBERNARD, et Dr Irène FRACHON
Journée de la Recherche 2016, Faculté de Médecine Lyon-Est, 12 mars 2016, Lyon, France
diaporama (PDF, 87 planches, 6,9 Mo).

Proton Interaction Vertex Imaging with silicon-pixel CMOS telescope for carbon therapy quality control (poster en anglais)
V.Reithinger, J.Baudot, D.Dauvergne, J.Krimmer, M.Pinto, C.Ray, I.Rinaldi, E.Testa
9^ème Journée Scientifique du Cancéropôle CLARA, juin 2014, Ecole Normale Supérieure de Lyon, France
poster (PDF, 1 planche, 4,4 Mo).