Modélisation et analyse des étapes de simulation des émetteurs de positons générés lors des traitements en protonthérapie - du faisceau à la caméra TEP - pour le suivi des irradiations

La protontherapie est une technique innovante de traitement des cancers dans les zones critiques, telles que les yeux ou la base du crâne. Meme si le phenomene physique d’interactions des protons dans les tissus est bien connu et presente des avantages pour la protontherapie, il existe des incertitudes sur le parcours des protons liees aux heterogeneites des tissus traverses en situation clinique et liees au calcul des parametres du faisceau dans le planning de traitement qui contrebalancent les avantages theoriques des protons pour la delivrance de la dose. Des methodes de controle de qualite de l’irradiation ont donc ete proposees. La plupart reposent sur l’exploitation de la cartographie des emetteurs de positons generes lors de l’irradiation. Ceux-ci peuvent etre detectes et quantifies a l’aide de la tomographie par emission de positons (TEP), une technique d’imagerie medicale utilisee principalement pour etablir le bilan d’extension des cancers par imagerie. Des acquisitions TEP ont donc ete proposees et validees sur des fantomes et chez des patients apres protontherapie pour le controle du parcours des protons. Le controle s’effectue en comparant la distribution radioactive mesuree en TEP et la distribution β+ simulee. La simulation de l’activite positronique generee par les protons dans le milieu traverse peut etre decomposee en plusieurs etapes : une etape de simulation du faisceau de protons, une etape de modelisation des interactions des protons dans l’objet irradie et une etape d’acquisition TEP. Differentes modelisations de ces etapes sont possibles. Au cours de cette these, nous avons propose plusieurs modelisations pour les 3 etapes et nous avons evalue l’apport pour la qualite du controle de l’irradiation. Nous avons restreint notre evaluation a la verification du parcours des protons. Ce travail de these s’appuie sur des irradiations en milieu homogene et inhomogene (dans un modele de tete) realise au centre de protontherapie d’Orsay. Les objets irradies ont ete transportes dans le Service Hospitalier Frederic Joliot pour l’acquisition TEP. Nous avons compare l’incertitude sur le parcours des protons a partir des modelisations de la distribution β+ obtenues : 1) En modelisant l’irradiation par un faisceau de protons sous une forme simplifiee et par simulation Monte Carlo. En modelisant la production des emetteurs β+ dans les tissus par simulation Monte Carlo avec le logiciel GEANT4 en incluant les modeles de physiques des versions 9.2 et 9.4 et en utilisant des sections efficaces ; 2) En modelisant l’acquisition TEP avec une modelisation simplifiee et une modelisation Monte Carlo de l’acquisition par la camera TEP ; 3) Les resultats montrent qu’une modelisation simplifiee du faisceau n’affecte pas l’estimation du parcours des protons. La modelisation Monte-Carlo de la camera permet de mieux modeliser le bruit present dans le signal TEP mesure en milieu homogene. Des resultats preliminaires de la modelisation de la camera TEP sont presentes dans un modele de tete (inhomogene). En conclusion, une modelisation simplifiee de la camera TEP permet d’evaluer le parcours des protons en milieu homogene a 1 mm pres, qui est equivalent a la reproductibilite de la mesure TEP post-irradiation telle qu’elle est mesuree par Knopf et al. (2008).