Les activités récentes du laboratoire de développement de détecteur pour la radiothérapie sont fortement liées à la création en 2006 d’une formation Master 2 Physique Médicale à l’Université Joseph Fourier. Le rapprochement d’enseignants chercheurs du LPSC avec le service de radiothérapie du CHU de Grenoble – Michalon a initié la mise en place d’un projet de profileur de faisceau pour la radiothérapie à faisceau de photons modulés (IMRT), qui met en œuvre un collimateur multi lames dynamique afin d’obtenir un dépôt de dose le plus uniforme dans les tissus tumoraux.

Ce profileur de faisceau est un détecteur en transmission, placé sur la ligne d’irradiation en amont du patient. Les principales contraintes sont liées d’une part à la grande transparence du détecteur qui doit perturber le moins possible le faisceau de photons et d’autre part à la mesure d’un très grand nombre d’interactions par unité de temps, avec une résolution spatiale millimétrique et une acquisition de plusieurs images par seconde.

Les services techniques du laboratoire ont une expertise certaine dans ce domaine de détection et un premier prototype basé sur une technologie éprouvée à été réalisé. Un second prototype basé sur une technologie innovante a fait l'objet d'un dépôt de brevet.

img046

Dès l’automne 2009, des campagnes de mesures sur les accélérateurs de radiothérapie du CHU ont permis de progresser régulièrement vers une solution fiable qui sera facile à mettre en oeuvre par le personnel hospitalier.

Des images dynamiques  de la section du faisceau ont été recemment obtenues, grâce aux réalisations des services techniques du laboratoire : service électronique, service détecteurs et instrumentation, service mécanique.

profil2dchamp1x1

Un troisième prototype sera réalisé dans les mois à venir, ainsi que le système d'acquisition qui lui sera dédié.

Les données du détecteur sur la forme et l’intensité du faisceau de photons seront ensuite intégrées dans un programme de simulation de dépôt de dose dans le patient (TPS), afin de contrôler en ligne que la dose délivrée est bien conforme à la dose prescrite. Pour cette phase de pré industrialisation, un partenaire leader dans l’activité de la planification de plan de traitement en France à été trouvé, et apportera son expertise dans l’intégration du détecteur. Au final, ce détecteur sera un des éléments clés pour la dosimétrie in-vivo en radiothérapie à intensité modulée, dont la mise en place est demandée par l’IRSN. 

L’équipe du groupe « Développements et Applications pour le Médical » comprend actuellement deux maitres de conférences à l’Université Joseph Fourier, une chargée de recherche, un physicien médical du service de radiothérapie du CHU de Grenoble-Michalon rattaché à l’unité INSERM U836 et une étudiante en thèse. Enfin et surtout, le développement du détecteur est rendu possible grâce aux compétences et à l’implication de 4 ingénieurs et techniciens des services techniques du laboratoire.



Première campagne de mesures au CHU pour étude de faisabilité

 

Support technique :

 


Visite du service de radiothérapie du CHU de Grenoble
où sera testé le prototype en phase de réalisation

Les physiciens du LPSC sont engagés depuis longtemps dans des réalisations pour  les applications médicales: tout d'abord l'étude d'un concept innovant de Tomographie par Emission de Positons (TEP) basé sur la scintillation du xénon liquide, la réalisation d'élements d'optique faisceau pour le centre italien d'hadronthérapie CNAO, et, plus récemment, par la conception d'un moniteur faisceau pixellisé TraDeRa pour le monitorage de la radiothérapie X par le groupe DAMe. En parallèle des études de simulation et modélisation en radiothérapie sont menées, en particulier sur l'influence de nanoparticules.

Depuis 2014-2015 deux nouvelles activités ont été initiées au laboratoire:

- l'une sur la thérapie ciblée par capture de neutrons sur des noyaux de bore ou gadolinium (NCT pour Neutron Capture Therapy). Le regain d'intérêt sur cette thérapie est motivé par l'exploration d'une filière de production de neutrons épithermiques basée sur accélérateur, et non plus sur des racteurs nucléaires, ce qui permettra d'envisager des dispositifs au sein des sites hospitalier;

- l'autre activité repose sur la mise au point de détecteurs diamants de grande surface, pour un étiquetage spatial et temporel des ions incidents en hadronthérapie: un tel détecteur permettra de synchroniser les imageurs de rayonnements secondaires (gamma prompts, protons secondaires) en vue d'un contrôle en temps réel du parcours des ions incidents.

Ces activités sont menées dans le cadre du GDR MI2B au niveau national. Au niveau régional, elles s'inscrivent dans le LabEx PRIMES (Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation).

Le groupe de Physique pour les Applications Médicales bénéficie d'un environnement exceptionnel pour les recherches sur les radiothérapies innovantes, avec l'ESRF (rayonnement synchrotron), l'ILL (neutrons), le CHU-Grenoble, le CERN (CERN Medical Applications avec le projet OPENMED/BioLEIR), et d'un réseau collaboratif de laboratoires IN2P3 et pluridisciplinaires régionaux permettant une visibilité internationale (Lyon, Marseille, Clermont, le CERN).

 

Un détecteur innovant, nommé TraDeRa pour « Transparent Detector for Radiotherapy », a été développé par le groupe Applications Médicales du LPSC pour l’assurance qualité en radiothérapie par modulation d’intensité. Il consiste en une matrice pixélisée de chambres d'ionisation avec un design optimisé des électrodes. Chaque électrode est reliée à un circuit intégré spécifique permettant de fournir une carte de l'intensité du faisceau et de sa forme, à l'échelle du pulse de l'accélérateur. La conversion des charges recueillies en dose relative repose sur une modélisation précise de la réponse du détecteur, qui nécessite de connaitre les caractéristiques des faisceaux propres à chaque accélérateur de radiothérapie.

Ce détecteur vise à surveiller en temps réel le faisceau modulé en amont du patient pendant les sessions de traitement, avec une couverture du champ jusqu'à 40x40 cm². Une atténuation de 2% du faisceau à 6 MV a été mesurée en présence de TraDeRa et l’étude préliminaire de simulation ne montre pas de modification sensible des propriétés du faisceau de photons. Les mesures restent stables sur une grande plage dynamique d’intensité, des fuites inter-lames jusqu'à des champs pleins à haut débit de dose. La sensibilité à détecter des erreurs liées à des défaillances du système d’irradiation a été éprouvée par des mesures en milieu clinique.

Nous pouvons ainsi détecter une erreur de position de lame de 1 mm pour un champ modulé. En parallèle, une méthode originale basée sur la simulation Monte Carlo a été développée afin d’estimer en quelques minutes les paramètres d’un accélérateur donné. Dans la suite de ces travaux, l’objectif sera de fournir une carte de dose dans un volume d’eau virtuel en se basant sur les caractéristiques du faisceau mesurées en ligne par le détecteur. Les développements du détecteur ont conduit à deux brevets, le dernier en date de référence FR1354339 "détecteur de rayons X" déposé le 15/05/2013, en copropriété entre le CNRS et l'Université Grenoble Alpes.

Le projet TraDeRa, porté par le CNRS, est soutenu actuellement par un programme de maturation technologique de la SATT Linksium du site Grenoble Alpes, et avait précédemment bénéficié de financements de BPI France et d'un appel à projet Cancer sur la période 2012-2014.
Le projet TraDeRa a aussi bénéficié d'un financement de la région Rhône-Alpes en 2009 et plus recemment du LabEx PRIMES.

  

 

ChampPleinDynamique.gif

Acquisition dynamique à gauche (une image par impulsion du Linac) et cumul (à droite).

 

reference.jpg

Acquisition d'un champ de référence
de type pyramide 

 controle.jpg

Acquisition d'un champ biaisé par
le déplacement décalé d'1mm
d'une lame du MLC

 difference.jpg

Carte des différences significatives
après traitement des données

 

 

 

ProtoCHU_Michalon.jpg
Protoype en place sous un accélérateur du service de radiothérapie du CHU de Grenoble Michalon.

 

 

 
TraDeRav3.jpg
Prototype en cours d'assemblage
 
 

 

 

 

ASIC_QDC_DAMe.jpg

L'ASIC mis au point par le service de microélectronique du LPSC

 

 

 integrationASIC5_channel13.gif

Performances de l'ASIC : intégration de charges et linéarité

 

residusASIC5_channel13.gif

Performances de l'ASIC : résidus inférieurs à une unité ADC sur toute la gamme dynamique.