Brevet FR2822239A1 — publié le 20020920

L'invention concerne le domaine des mesures de doses d'irradiations par un faisceau de rayonnement ionisant. Ce type de procédé est, par exemple, utilisé pour le contrôle d'irradiations de patients à des fins thérapeutiques. Dans ce type d'application, les irradiations sont réalisées sur le patient, après positionnement préalable du patient et délimitation adéquate du faisceau d'irradiation. Ce dernier provient généralement d'un accélérateur d'électrons utilisé pour générer un faisceau de photons de rayonnement de freinage. Si le patient bouge en cours d'irradiation, des organes sensibles peuvent être endommagés. Il est donc important de disposer de moyens de contrôle sophistiqués des irradiations. On a souvent utilisé pour effectuer ces contrôles d'irradiation des détecteurs au silicium. Mais ceux-ci vieillissent très vite dans le temps et sont souvent encombrants. Afin de pallier ces inconvénients, on a développé des détecteurs à fibre scintillante. On connaît ainsi des procédés d'utilisation de tels détecteurs, notamment grâce au document Direct reading measurement of absorbed dose with plastic scintillators-The general concept and applications to ophtalmic plaque dosimetry , D. Flühs, M. Heintz, F. Indenkämpen, C. Wieczorek, H. Kolanoski et U. Quast, Med Phys. 23 (3), mars 1996, p. 427. Selon ce type de procédé, on mesure des doses d'irradiations par un faisceau de rayonnement à haute énergie de la manière suivante : - on dispose sous ce faisceau, un scintillateur pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur, - on couple le scintillateur à un dispositif de mesure de la lumière émise par le scintillateur, via une fibre optique, et - on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique. Cependant, ce type de procédé se heurte à une difficulté majeure - la discrimination entre l'effet Cerenkov (effet parasite) et la scintillation (signal utile). Un but de l'invention est en particulier de s'affranchir de cet inconvénient, pour mesurer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur Ce but est atteint grâce à un procédé tel que celui décrit ci-dessus, dans lequel on détermine l'intensité de la lumière émise par le scintillateur, à partir de l'intensité de la lumière émise par au moins une autre source, après transmission par la même fibre optique, de la lumière émise par le scintillateur et de la lumière émise par chaque autre source. En effet, l'effet Cerenkov est produit par des électrons secondaires à haute énergie (supérieure à 200 KeV). Le rayonnement Cerenkov génère dans les milieux transparents une lumière d'aspect bleuté. Cette lumière couvre tout le spectre lumineux. La quantité de lumière produite dans le scintillateur et dans la fibre optique suit une loi du type : dQ cc 1 dÂdL 1 ' où t représente la longueur d'onde et L représente la longueur de fibre irradiée (scintillante ou non). Donc lors d'une radiothérapie, la lumière produite dans la fibre optique aura deux origines différentes (voir figure 1) : - la scintillation, uniquement proportionnelle à la dose déposée et de longueur d'onde définie et - le rayonnement Cerenkov, proportionnel à la dose déposée et à la longueur de fibre irradiée. Les lumières produites par le scintillateur et par effet Cerenkov ont des sources différentes et possèdent des étendues spectrales différentes (voir figure 5). Elles sont transmises par la même fibre optique. Mais les lumières produites par l'effet Cerenkov et la scintillation sont décorrélées entre elles Il est alors possible de remonter à chaque contribution de manière biunivoque en utilisant deux mesures, dans des parties du spectre différentes. On peut ainsi déterminer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur lorsque la lumière émise par une autre source correspond au rayonnement Cerenkov émis par les électrons secondaires produits par l'irradiation. Le procédé selon l'invention comporte avantageusement les caractéristiques optionnelles suivantes prises séparément ou en combinaison : - la lumière de scintillation et le rayonnement Cerenkov sont mesurés ensemble dans au moins deux parties différentes du spectre ; - on filtre, la lumière sortant de l'extrémité la fibre optique, opposée à celle couplée au scintillateur, avec deux filtres passe-bande ayant des bandes de coupure sur des parties différentes du spectre. Selon un autre aspect l'invention est un dispositif de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un rayonnement à haute énergie, comprenant un scintillateur pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur, et une fibre optique pour transmettre la lumière émise par le scintillateur à un dispositif de mesure de l'intensité de cette lumière, et - des moyens pour déterminer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur, à partir de l'intensité de la lumière émise par au moins une autre source, après transmission par la même fibre optique, de la lumière émise par le scintillateur et de la lumière émise par chaque autre source. Le dispositif selon l'invention comporte avantageusement les caractéristiques optionnelles suivantes prises séparément ou en combinaison : - il comprend au moins deux filtres passe-bande ayant des bandes de coupure sur des parties différentes du spectre pour mesurer la lumière de scintillation et le rayonnement Cerenkov ensemble dans au moins deux parties différentes du spectre ; - il comporte un photodétecteur disposé derrière chaque filtre passebande pour mesurer la lumière issue de la fibre optique et filtrée par chacun des filtres passe-bande ; D'autres aspects buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mode de mise en oeuvre du procédé selon l'invention et d'un exemple de mode de réalisation du dispositif selon l'invention. L'invention sera également mieux comprise à l'aide des références au dessins sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale une fibre optique et un scintillateur pour équiper un dispositif de mesure de dose d'irradiation selon l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif de mesure de dose d'irradiation selon l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement une variante de la partie détection du dispositif de mesure représenté sur la figure 2 ; - la figure 4 est un diagramme de la sensibilité des photodétecteurs de la partie détection représentée sur la figure 3, en fonction de la longueur d'onde A de la lumière transmise par le filtre monté sur chaque photodétecteur ; - la figure 5 est un diagramme de l'énergie lumineuse émise par le scintillateur du dispositif représenté sur la figure 2 et par effet Cerenkov, en fonction de la longueur d'onde A ; - la figure 6 est un diagramme de la dose déposée par irradiation et mesurée grâce à une chambre d'ionisation ou grâce au dispositif représenté sur la figure 2 (0), en fonction de l'enfoncement dans un fantôme permettant d'étalonner le dispositif. L'invention est illustrée ci-dessous à l'aide d'un exemple de procédé et de dispositif pris dans le domaine de la radiothérapie. Comme représenté sur la figure 1, cet exemple de dispositif de mesure de doses d'irradiations selon invention comporte un scintillateur 1 et une fibre optique 2. Le scintillateur 1 est constitué d'un cylindre de fibre scintillante de 1 mm de diamètre et de 10 millimètres de longueur. Cette longueur est éventuellement ajustable. La fibre scintillante est en matière plastique spéciale. Il peut s'agir de la fibre référencée BCF60 par la société Bicronqu qui la commercialise. Dans ce cas, le coeur de la fibre est en polystyrène et la gaine est en polyméthylmétacrylate (PMMA). Elle produit une lumière verte dont l'intensité est proportionnelle à la dose de radiations déposée dessus et à sa longueur irradiée. La faible taille du scintillateur 1 en fait un outil idéal pour sonder un point précis du patient traité. Il peut, par ailleurs, être introduit dans un cathéter pour mesurer des doses déposées dans le sujet traité. Le scintillateur 1 est couplé à la fibre optique 2. La fibre optique 2 est une fibre plastique. Il peut s'agir de la fibre référencée EH4001 par la société Mitsubishi qui la commercialise. Dans ce cas, il s'agit d'une fibre au PMMA dont le coeur fait 1 mm de diamètre et la gaine fait 2,2 mm de diamètre Son atténuation est de 0,15 dB/mètre. Le scintillateur 1 et une partie de la fibre optique 2 sont dénudés avant d'être introduits dans une gaine 4. Comme représenté sur la figure 2, la fibre optique 2 est disposée de manière à ce que le scintillateur 1 se trouve globalement au centre de la zone à traiter ou à contrôler 7. Elle est reliée à un dispositif électronique 6 Ce dispositif électronique 6 comporte des photodiodes 8 agissant comme photodétecteurs pour la mesure de la lumière transmise éventuellement par plusieurs fibres optiques. Les signaux produits par les photodiodes 8 sont alors amplifiés en vue de leur exploitation. Il sont ensuite transmis numériquement à une électronique d'acquisition 10. Pour certaines mesures, une fibre scintillante plus longue 12 est disposée autour de la zone irradiée au-delà de laquelle on ne veut rien déposer. Celle-ci permet de contrôler que l'irradiation se produit bien dans la zone à traiter 7, mais pas au-delà. Elle est couplée à une fibre optique 3, elle-même reliée à des photodiodes 8 du dispositif électronique 6, pour un traitement au niveau de l'électronique d'acquisition 10. L'irradiation est produite par exemple par un accélérateur qu ! déhvre ! a dose d'irradiation sous forme d'un faisceau de rayons-X ou d'électrons, suivant le traitement envisagé. En tout état de cause, les photons de rayons- X déposent leur énergie par l'intermédiaire des électrons qui sont produit par exemple dans le patient par effet photoélectrique, effet Compton ou création de paires. Dans la suite, nous n'envisagerons que l'effet des électrons Comme représenté sur la figure 3, la lumière issue de la fibre optique 2 est filtrée au travers de deux filtres colorés A et B. Une photodiode 8A ou 8B est placée derrière chaque filtre coloré A ou B. Comme représenté sur la figure 4, chacun des deux filtres colorés A, B laisse passer une partie différente du spectre lumineux. L'un de ces filtres colorés A, B est un filtre passe-bande bleu, tandis que l'autre est un filtre passe-bande jaune. La bande de coupure de ces filtres est cholsle en fonction des composantes de la lumière issue de la fibre optique 2 Comme représenté sur la figure 5, la lumière issue de la fibre optique 2 comporte une composante provenant de la scintillation produite par le scintillateur 1 et une composante provenant de l'effet Cerenkov. On remarquera en comparant les figures 4 et 5, que le filtre A laisse principalement passer la lumière émise par l'effet Cerenkov, tandis que le filtre B laisse passer à la fois la lumière émise par effet Cerenkov et celle émise par le scintillateur 1. Conformément à l'invention, on détermine l'intensité de la lumière émise par le scintillateur 1, à partir de l'intensité de la lumière par la fibre optique 2. Si : - C est la quantité de lumière Cerenkov produite pour une dose D sur une longueur fibre L, - S est la quantité de lumière de scintillation produite pour une dose déposée D, - ks est la modulation du spectre de la lumière de scintillation par le filtre A, - ks est la modulation du spectre de la lumière de scintillation par le filtre B, - kc est la modulation du spectre de la lumière Cerenkov par le filtre A, - s est la modulation du spectre de la lumière Cerenkov par le filtre B, - MA est la quantité de lumière reçue sur la photodiode 8A, - Mg est) a quantité de lumière reçue sur la photodiode 8B, on a alors les relations suivantes : MA = . S +. C, et A A MB = kBs. S + kc. C, soit sous la forme matricielle : M VS A/c s c étant aussi appelée matrice K et s c. Sj kA '"B B"sA-/\"B"B7 (A OJ étant aussi appelé vecteur M. VEB La matrice MA n'est pas singulière, si les filtres A et B sont correctement choisis. C'est le cas notamment, si l'un est un filtre passebande bleu et l'autre un filtre passe-bande jaune. Dans ce cas, la connaissance du vecteur M permet de remonter de manière biunivoque à la quantité de lumière de scintillation S et à la quantité de lumière Cerenkov C et, par étalonnage, à la dose déposée D. L'étalonnage est réalisé en comparant le signal reçu par le scintillateur 1, au signal produit dans une chambre d'ionisation de référence placée à proximité. Il consiste simplement à faire varier la quantité de rayonnement Cerenkov sur au moins deux points de mesure et à ajuster, au moyen d'une méthode de moindres carrés, les coefficients permettant de remonter à la dose. On cherche donc une relation du type : D = aMA +, OMS Pour cela on effectue n mesures et on obtient un système d'observation : A 8 A B .. et le vecteur d'inconnues a et test a ! ors J D Mn Mn A 8 déterminé de la manière suivante : 12 T. Ml. MT D ; où MT est la matrice transposée de la matnce 18J = (M M. Ces coefficients a et 6 peuvent alors être utilisés par la suite pour faire des calculs de la dose déposée en fonction de la dose mesurée Après étalonnage, une série de résultats obtenus avec le scintillateur 1 a été comparée avec une série de mesures obtenues directement à l'aide d'une chambre d'ionisation. Pour cette dernière, les mesures correspondent à un rendement en profondeur dans une cuve à eau de générateur de rayons-X de 15 MV débitant 2Gy. min-1 à l'isocentre. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un rayonnement ionisant susceptible de créer du rayonnement Cerenkov, dans lequel on dispose sous ce faisceau, un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur (1), -on couple le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de la lumière émise par le scintillateur (1), via une fibre optique (2), et - on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique (2), caractérisé par le fait que le faisceau détermine l'intensité de la lumière émise par le scintillateur (1), à partir de l'intensité de la lumière émise par au moins une autre source, après transmission par la même fibre optique (2), de la lumière émise par le scintillateur (1) et de la lumière émise par chaque autre source. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la lumière émise par une autre source correspond au rayonnement Cerenkov émis par les électrons secondaires produits par l'irradiation 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la lumière de scintillation et le rayonnement Cerenkov sont mesurés ensemble dans au moins deux parties différentes du spectre. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on filtre, la lumière sortant de l'extrémité la fibre optique (2), opposée à celle couplée au scintillateur (1), avec deux filtres passe-bande ayant des bandes de coupure sur des parties différentes du spectre 5. Dispositif de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un rayonnement à haute énergie, comprenant un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur (1), et une fibre optique (2) pour transmettre la lumière émise par le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de l'intensité de cette lumière, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens pour déterminer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur (1), à partir de l'intensité de la lumière émise par au moins une autre source, après transmission par la même fibre optique (2), de la lumière émise par le scintillateur (1) et de la lumière émise par chaque autre source. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux filtres ayant des bandes de coupure sur des parties différentes du spectre pour mesurer la lumière de scintillation et le rayonnement Cerenkov ensemble dans au moins deux parties différentes du spectre. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait qu'il comporte un photodétecteur (8) disposé derrière chaque filtre passe-bande pour mesurer la lumière issue de la fibre optique (2) et filtrée par chacun des filtres passe-bande.