Caractérisation du détecteur plan Lynx pour les faisceaux haut débit en protonthérapie

Virgile Letellier1, Farid Goudjil1, Ludovic De Marzi1, Gary Delattre1, Alejandro Mazal1

1 Institut Curie - Centre de Protonthérapie d’Orsay, Bâtiment 101 Campus Universitaire, 91400 Orsay virgile.letellier@curie.net 01 69 29 18 71

Introduction

Dans l’optique de futurs traitements à l’Institut Curie - Centre de Protonthérapie d’Orsay (ICPO) utilisant la technologie des faisceaux balayés, une étude a été réalisée sur le détecteur 2D Lynx de FIMEL. Le but étant de vérifier et caractériser complètement sa réponse aux faisceaux de protons et aux faisceaux hauts débits pour une meilleure compréhension de ce détecteur face à ces technologies nouvelles en France.

Matériel

L’ICPO délivre actuellement un faisceau de protons utilisant la technologie du Double Scattering (DS) permettant d’avoir un faisceau « éclaté » homogène et de grande taille. Le centre se dote de nouvelles technologies de délivrance de faisceaux en salle : l’Uniform-Scanning (US) et le Pencil-Beam-Scanning (PBS). Cette dernière technique de traitement par faisceaux balayés pouvant atteindre des débits très élevés (200Gy/s) nécessite l’utilisation de nouvelles modalités de détection. Le Lynx est un détecteur plan 30x30cm² utilisant un plastique scintillant et une caméra CCD afin d’obtenir une lecture directe avec une résolution de 0.5mm. Le Lynx dispose également d’un diaphragme optique, ou iris, afin d’éviter la saturation avec des débits ou temps d’irradiation élevés. Ce détecteur est le premier d’une liste qui permettra de travailler sur les faisceaux balayés hauts débits au CPO.

Méthodes et Résultats

Conclusion

La validité de ces résultats et leurs réponses spécifiques ont permis d’optimiser son utilisation et d’améliorer les acquisitions pour des faisceaux très spécifiques qui seraient, avec d’autres détecteurs « conventionnels », inexploitables ou d’une précision insuffisante pour la protonthérapie. Ces tests ont permis d’ouvrir la voie à de nouvelles exploitations du Lynx pour faciliter et accélérer les phases de contrôles de routine en protonthérapie.

Réponse en débit de dose:

Grâce à l’iris (corrigé de sa non linéarité de fermeture), nous avons pu réaliser des acquisitions à des débits de l’ordre de 350Gy/s. Le Lynx est linéaire en débit (<1%). La taille de champ et la pénombre restent constantes jusqu’à une fermeture d’iris de 50%. Au-delà, nous avons un écart de 10% dû à la diffraction provoqué par l’iris.

Réponse en dose:

Ce paramètre est primordial pour ce genre de détecteur. L’analyse entre 25 et 400UM confirme sa linéarité (R²=0.9997).

La réponse n’est pas perturbée par la dose reçue, l’iris et le temps d’exposition permettent d’explorer d’autres intervalles de dose sans saturer le CCD.

Homogénéité:

Le test d’homogénéité réalisé avec un faisceau de protons montre une diminution du signal de 8% dans les parties périphériques de la fenêtre du Lynx. En enlevant la matrice de calibration photon appliquée par défaut, on réduit l’erreur à 2%. Cette valeur n’a pas pu être améliorée grâce à nos calibrations additionnelles réalisées avec des gafchromics.

Pour des tailles de champs supérieures à 10x10cm², une obliquité apparait sur l’axe Y du Lynx si l’on laisse activé le paramètre d’offset vertical nécessaire pour les faisceaux de photons. Cette obliquité est proportionnelle à la surface irradiée et doit être supprimée.

Profils d'un spot à differents débits (Gy/s)

0,0E+00

2,0E+04

4,0E+04

6,0E+04

8,0E+04

1,0E+05

1,2E+05

1,4E+05

1,6E+05

1,8E+05

2,0E+05

-200-150-100-50050100150200mm

Lyn

x s

ign

al

4,26

24,5

35,2

46,7

57,1

145,3

285,1

Reponse du Lynx en fonction de la dose recue

y = 82281x

R2 = 0,9997

0

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

35000000

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

UM

Lyn

x s

ign

al

Réponse en transfert d’énergie linéique (TEL):

La comparaison d’un RTM réalisé dans des plaques PMMA, avec le Lynx et une chambre d’ionisation IBA PPC05, montre une sous-estimation du Lynx de 4% dans les zones de fort TEL (partie distale du pic de Bragg). Il est nécessaire d’en tenir compte dans de telles conditions.

Ce test nous permet de vérifier l’épaisseur équivalent eau du Lynx qui est donc de 5.1mm.

Homogénéité du Lynx avec matrice photon

originale

Profil Y avec un champ 30*30cm

visualisation de l’obliquité

Réponse spatiale:

Le Lynx est intéressant en protonthérapie grâce à sa résolution native de 0.5mm. Il a été comparé aux films gafchromics et à une chambre d’ionisation 0.01cm3. On constate que le Lynx offre une résolution spatiale suffisamment élevée (comparable à un film numérisé à 72dpi).

Réponse temporelle:

La capacité du Lynx à mesurer des variations temporelles rapides du faisceau (utilisation pour le PBS), a été évaluée en le soumettant à des pulses de particules de très courtes durées. Le Lynx répond linéairement en fonction de la durée du pulse et a été capable de mesurer un pulse de 200ns (durée critique atteinte par l’accélérateur).

Réponse du Lynx en signal intégré pour differentes durées

de pulse (ns)

y = 29459,985x + 2258644,700

R2 = 0,998

0

5000000

10000000

15000000

20000000

25000000

30000000

35000000

0 200 400 600 800 1000 1200

Time (ns)

Lyn

x s

ign

al

Réponse du Lynx sur l'axe pour differentes durées de pulse

0

100

200

300

400

500

600

700

-200-150-100-50050100150200mm

Lyn

x s

ign

al 200

400

600

800

1000

Réponse en TEL, pic natif et SOBP normalisés à 100mm

Conditions de RTM

0

20

40

60

80

100

120

8 28 48 68 88 108 128 148

WET mm

Lyn

x s

ign

al

Lynx peak

PMMA ppc05

Lynx SOBP

PMMA ppc05

Gy/s

ns

Comparaison Film-Lynx-Chambre ionisation

0

20

40

60

80

100

120

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25Distance à l'axe (mm)

Do

se

re

lati

ve

(%

)

FilmLynxCI 0,01cc