LE DIAMANT POUR LA DOSIMÉTRIE EN RADIOTHÉRAPIE - Dominique TROMSON - DRT-LIST/DM2I/LCAE - CEA-Irfu
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LE DIAMANT POUR LA
DOSIMÉTRIE EN
RADIOTHÉRAPIE
Dominique TROMSON – DRT-LIST/DM2I/LCAE
17 mars 2015
LE DIAMANT POUR LA DÉTECTION :
RAPPEL…
2
LE DIAMANT POUR LA DÉTECTION
Propriétés
Z=6
1023 at.cm3
Large bande interdite
Tenue, mécanique, chimique, aux
radiations etc..
Applications en détection de
rayonnement
Tenue aux rayonnements Mesure à température ambiante,
Mobilité des porteurs élevée Fonctionnement sur le mode chambre
Large bande interdite d’ionisation solide
Tenue aux acide Application de détection en milieu hostile
Tenue aux rayonnements
Z faible Monitorage de faisceaux synchrotons
Z équivalent tissu Application en radiothérapie
3
LE DIAMANT POUR LA DÉTECTION
QUEL TYPE DE DIAMANT?
From Electro-Optics, July 2004
• Diamant naturel • Diamant synthétique
Grande variété de pierre Reproductibilité dans les
Très peu de matériau de procédés de croissance
« qualité détecteur » Modification des conditions
Sélection nécessaire de croissance
Optimisation à l’application
visée
4
LA CROISSANCE DU DIAMANT
SYNTHÉTIQUE
CROISSANCE PAR CVD MICRO-ONDE
Wave guide
Gas mixture
CH Input
4
H microwaves
2
Substrate Microwave plasma
- Mélange de gaz : CH4, H2, O2
- Adaptation de la puissance micro-onde
Holder
- Pression et température spécifiques
Primary stage
pumping H-
H
H H
H- H H H-
H *C H H
*C H
H Extraction de
H H l’hydrogène atomique
H H H H
H H
* * *C
H H H H H * H H H H *
H- C H C H H C H H H H
H
Réaction de l’hydrogène atomique
H
avec la surface, création d’un site actif H
C H
H-
H C C C *C H
H Liaison des atomes de carbone
H C C C C H
avec leur proches voisins :
H C C C C C C
H- formation du cristal de diamant
HC C C C C C C H
5
LA CROISSANCE DU DIAMANT
SYNTHÉTIQUE
CROISSANCE PAR CVD MICRO-ONDE
Wave guide
Gas mixture
CH Input
4
H microwaves
2
Substrate Microwave plasma
- Mélange de gaz : CH4, H2, O2
- Adaptation de la puissance micro-onde
Holder
- Pression et température spécifiques
Primary stage
pumping
• Croissance sur hétéro-
substrat
• ..ou croissance sur diamant
• Génération possible de défauts dans les échantillons
• Impuretés
6
• Défauts structuraux (joints de grains, dislocations…)
DE LA CROISSANCE AUX
APPLICATIONS DE DÉTECTION
AIRIX
60 356 MHz
Output Voltage (mV)
PRESENTATION DES DIFFÉRENTES
ACTIVITÉS
• Détection alpha, proton, neutron, g et X basse énergie
Développement depuis 15 ans sur divers projets, industriels, ANR, Européens
Moniteur de faisceaux synchrotron
X-rays :
1.5-20keV I0 Sample It
BPM
Diamond
Temps de vol neutron Comptage de particules alpha en
usine de retraitement de déchets
2 sets of
8 diamonds 1600
Counts (a.u)
1200
800
-300 V 8 signals -300 V
(coax. Cables) 400
0
Monitorage des neutrons en réacteur 0 500 1000 1500 2000
Canal number
nucléaire 1000
Neutron fluence
100
7,4.1013 neutrons/cm2
3,3.1014 neutrons/cm2
10
5,5.1014 neutrons/cm2
1
Dosimètre pour la
0,1 radiothérapie
0,01
0 200 400 600 800 1000 1200
Channel
Et d’autres développements.. 8
PRESENTATION DES DIFFÉRENTES
ACTIVITÉS
• Application à la dosimétrie
2001 2003 2004 2007 2008 2010 2011 2013 2014 2017
diamant polycristallin
Etude du matériau et des propriétés de détection
Projet Européen MAESTRO Dosimètre pour la
radiothérapie RCMI
Elaboration et application du
matériau à la dosimétrie
diamant monocristallin
Prototype de dosimètre
ANR TecSan DIADOMI Dosimètre mini-
Optimisation du dosimètre faisceaux
Physicancer DEDIPRO
Dosimètre pour la protonthérapie
Protonthérapie mode PBS
9
MESURE DE DOSE EN
RADIOTHÉRAPIE
10MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
OBJECTIF DE LA RADIOTHÉRAPIE
Détruire les cellules cancéreuses, en délivrant la dose prescrite dans la totalité du
volume-cible à +/- 5% tout en épargnant au mieux les tissus sains avoisinants
DÉROULEMENT D’UN TRAITEMENT DE RADIOTHÉRAPIE
• Imagerie
11MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
OBJECTIF DE LA RADIOTHÉRAPIE
Détruire les cellules cancéreuses, en délivrant la dose prescrite dans la totalité du
volume-cible à +/- 5% tout en épargnant au mieux les tissus sains avoisinants
DÉROULEMENT D’UN TRAITEMENT DE RADIOTHÉRAPIE
• Imagerie
• Dosimétrie Calcul de dose (TPS)
Détermination de la dose Algorithmes basés sur des Mesure de dose
données dosimétriques de
l’accélérateur
12MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
OBJECTIF DE LA RADIOTHÉRAPIE
Détruire les cellules cancéreuses, en délivrant la dose prescrite dans la totalité du
volume-cible à +/- 5% tout en épargnant au mieux les tissus sains avoisinants
DÉROULEMENT D’UN TRAITEMENT DE RADIOTHÉRAPIE
• Imagerie
• Dosimétrie Calcul de dose (TPS)
Détermination de la dose Algorithmes basés sur des Mesure de dose
données dosimétriques de
l’accélérateur
• Traitement
Choix du fractionnement Augmentation de la dose délivrée à la
Choix des faisceaux tumeur en respectant les tissus sains
Complexification des faisceaux
- Que doit faire un dosimètre?
Difficulté pour trouver un dosimètre
- Comment mesurer la dose?
adapté
- Pourquoi le diamant?
13MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
QUE DOIT FAIRE UN DOSIMÈTRE ?
• Dosimétrie absolue
Détermination de la dose de référence avec un
détecteur étalonné au LNHB
• Dosimétrie relative
Mesure des différents paramètres de l’accélérateur
Mesure des facteurs d’ouverture collimateur FOC
→ Détermination de la dose sur l’axe pour toutes les
tailles de champs
D(C )
FOC(C )
D(C0 )
14MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
QUE DOIT FAIRE UN DOSIMÈTRE ?
• Dosimétrie absolue
Détermination de la dose de référence avec un
détecteur étalonné au LNHB
• Dosimétrie relative
Mesure des différents paramètres de l’accélérateur
D(C )
Mesure des FOC FOC(C )
D(C0 )
Mesure des rendements en profondeur DSP 100
→ Détermination de la dose selon z cm
y x
z
D( z ) C
PDD( z )
D( z0 )
15MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
QUE DOIT FAIRE UN DOSIMÈTRE ?
• Dosimétrie absolue
Détermination de la dose de référence avec un
détecteur étalonné au LNHB
• Dosimétrie relative
Mesure des différents paramètres de l’accélérateur
D(C )
Mesure des FOC FOC(C )
D(C0 )
D( z )
Mesure des rendements en profondeur PDD( z )
D( z0 )
Mesure des profils de dose DSP 100
→ Détermination de la dose selon x et y cm
y x
z
C zmes
16MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
QUE DOIT FAIRE UN DOSIMÈTRE ?
• Dosimétrie absolue
Détermination de la dose de référence avec un
détecteur étalonné au LNHB
• Dosimétrie relative
Mesure des différents paramètres de l’accélérateur
D(C )
Mesure des FOC FOC(C )
D(C0 )
D( z )
Mesure des rendements en profondeur PDD( z )
D( z0 )
Mesure des profils de dose
Vérification du traitement
Mesure de dose dans un fantôme
17MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
CONDITIONS POUR ÊTRE UN DOSIMÈTRE, LE CAHIER DES CHARGES
Paramètre Critère de validité
Efficacité de collecte de charge 100%
Rapport S/B > 1000
Répétabilité 1nC.Gy-1
Stabilité à moyen terme (15h) < 0,1%
Stabilité à court terme < 0,5%
Dépendance avec la dose Écart à la linéarité < 1%
Dépendance avec le débit de dose < 1%
Dépendance avec l’énergie < 1%
Dépendance angulaire < 1% jusqu’à un angle de 20° minimum
Dépendance avec la température < 1% de 15 à 25°C
18MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
COMMENT MESURER LA DOSE : DOSIMÉTRIE PASSIVE
• Passive
Lecture différée de la dose à la fin de Thermoluminescence
l’irradiation
(1) Excitation des électrons
(2) Piégeage sur des niveaux d’énergie de la
bande interdite
(3) Chauffage : Dépiégeage des électrons
(4) Recombinaison radiative avec un trou
Emission d’un photon
Technique de caractérisation des défauts
• Intérêt du diamant pour la TL?
Présence d’un pic de TL haute température
D. Tromson et al, JAP, 2000 - D. Tromson et al, JAP, 2000
19MESURE DE DOSE EN RADIOTHÉRAPIE
COMMENT MESURER LA DOSE : DOSIMÉTRIE ACTIVE
Lecture directe de la dose pendant l’irradiation
• Intérêt du diamant pour la dosimétrie active?
Détecteur diamant : chambre d’ionisation solide
Courant
ON ON Aire α Dose La charge mesurée par
l’électromètre est proportionnelle
Faisceau
à la dose
OFF OFF
Temps
AVANTAGES SPÉCIFIQUES DU DIAMANT POUR LA RADIOTHÉRAPIE
Numéro atomique proche de celui des tissus humains,
• Proche du milieu de référence pour la mesure de dose
Densité élevée
• Petit volume de détection
Croissance par CVD : diamant synthétique
• Génération possible de défauts dans les échantillons :
• Influence sur les propriétés de détection?
20LE DIAMANT EN TANT QUE
DOSIMÈTRE
INFLUENCE DES DÉFAUTS ET
TENTATIVE D’AMÉLIORATION
2001 2003 2004 2007 2008
Etude du matériau et des propriétés de détection
Projet Européen MAESTRO
Elaboration et application du
matériau à la dosimétrie
21LE DIAMANT POLYCRISTALLIN INTRINSÈQUE
POUR LA DÉTECTION
RELATION ENTRE DÉFAUTS ET RÉPONSE SOUS
RAYONNEMENT, LE DIAMANT POLYCRISTALLIN INTRINSÈQUE
• Présence de défauts
Influence des défauts profonds en détection active
0,6
Défauts
0,8
profonds
0,5
Courant (nA)
Signal TL (u.a)
0,6 pompage
0,4
0,4
0,3
0,2
0,2
0,0
0,1
50 100 150 200 250 300 350 0 1000 2000 3000
(Température (°C)) Durée (s)
Les défauts profonds : utilisation possible en radiothérapie si la
température d’utilisation est loin de celle de dépiégeage
MJ. Guerrero et al, NIM 2004 – M.J Guerrero et al, DRM 2005 22LE DIAMANT POLYCRISTALLIN INTRINSÈQUE
POUR LA DÉTECTION
LES LIMITATIONS DU DIAMANT POLYCRISTALLIN INTRINSÈQUE
• Présence de défauts
Influence des défauts peu profonds en détection active
0,8 6 à T° ambiante à 100°C
Courant (nA)
0,6 Défauts peu
Signal TL (u.a)
Courant (nA)
0,3
profonds 4
0,4
2
0,2
0,2
0
0 50 100 150 200
0,0 Temps (s) 50 100 150 200
Temps (s)
50 100 150 200 250 300 350
(Température (°C))
La réponse du détecteur dépend de la
température d’utilisation
240 Instabilité temporelle : la réponse du
Intensite overshoot/
intensite signal (%)
détecteur dépend de son histoire
200
160 Les défauts peu profonds induisent
des phénomènes d’instabilité
0 10 20 30 40 50 60
Temps d'attente entre MJ. Guerrero et al, NIM 2004 – M.J Guerrero et al, DRM 2005 23
irradiations (min)LE DIAMANT POLYCRISTALLIN INTRINSÈQUE
POUR LA DÉTECTION
LES LIMITATIONS DU DIAMANT POLYCRISTALLIN INTRINSÈQUE
• Présence de défauts
Limitation en thermoluminescence
2min obscurité
10min obscurité
30min obscurité
3 10min à la lumière Influence des paramètres
Signal TL (u.a.)
extérieurs
Fading thermique
2 • Température : fading thermique
• Lumière : bleaching optique
1
Bleaching optique
0
100 200 300 400
Température (°C)
La présence de défauts et l’influence des paramètres extérieurs font que le diamant polycristallin
intrinsèque n’est pas utilisable en milieu hospitalier
Tentative d’amélioration, contrôle des défauts
24LE DIAMANT POLYCRISTALLIN AZOTÉ
ÉLABORATION DES DIAMANTS POLYCRISTALLINS AZOTÉS
• Croissance par CVD assistée par plasma
micro-onde Echantillon
Concentration
d’azote (ppm)
Plasma H2 - CH4 (4%) - N2/H2
A0 0
Pression 105 Torr
Puissance 3000W A20 20
A40 40
40000
NV-
Intensité lumineuse (u.a.)
638 nm
30000
• Caractérisation par spectrométrie 40 ppm
20000
Raman Pic Raman
-1 NV0
1332 cm 575 nm
LabRAM HR de Jobin Yvon
10000 20 ppm
GEMac, Versailles
Laser vert 514 nm 0 ppm
0
550 600 650
Longueur d'onde (nm)
25LE DIAMANT POLYCRISTALLIN AZOTÉ
ÉLABORATION DES DIAMANTS POLYCRISTALLINS AZOTÉS
Echantillon
Concentration
d’azote (ppm) • Caractérisation par thermoluminescence
A0 0 Disparition du pic TL proche de la T° ambiante
A20 20
Isolation du pic TL à haute température
Diminution de la sensibilité avec l’augmentation de
A40 40
la concentration d’azote
2
A0 0,3 A20 0,3 A40
Signal TL (u.a.)
Signal TL (u.a.)
Signal TL (u.a.)
0,2 0,2
1
0,1 0,1
0 0,0
0,0
0 100 200 0 100 200
0 100 200
Température (°C) Température (°C) Température (°C)
L’incorporation d’azote modifie la signature TL des échantillons
Modification de la réponse en détection 26LE DIAMANT POLYCRISTALLIN AZOTÉ
INFLUENCE DE LA PRÉSENCE D'AZOTE SUR LA DÉTECTION
ACTIVE Concentration
• Influence de l’azote Echantillon
d’azote (ppm)
Disparition de l’overshoot A0 0
Stabilisation du signal en détection active A20 20
Détérioration de la sensibilité A40 40
2
A0 0,3
A40
Signal TL (u.a.)
Signal TL (u.a.)
0,2
1
0,1 Stabilisation du signal de A40
0 0,0
0 100 200 0 100 200
Température (°C)
mesure de détection en
Température (°C)
milieu hospitalier sur un
0,3
4,0 échantillon avec 40 ppm
d’azote incorporé en phase
Courant (nA)
Courant (nA)
0,2
2,0
gazeuse
0,1
C. Descamps et al, DRM 2006
0,0
0,0
C. Descamps et al, PSS 2006
200 400 600 0 50 100 150 200 250 300 27
Temps (s) Temps (s)LE DIAMANT POLYCRISTALLIN AZOTÉ
EVALUATION EN ENVIRONNEMENT CLINIQUE
• Irradiations
IGR, Varian Clinac 2300D
• Evaluation des paramètres
6MV, débit 200 UM/min dosimétriques
Détecteur Az40
40
Linéarité avec la dose
Sensibilité : 2 nC.Gy-1 (1 nC.Gy-1)
Courant (pA)
20
Répétabilité: < 0.5% (0,5%)
Stabilité: 0.3 et 1 % (0,5%)
0
Signal sur bruit: 15 (1000)
1000 1500 2000
Temps (s) C. Descamps et al, Rad Meas 2008
Stabilité et Répétabilité (%)
1,0 Stabilité
Répétabilité 1,0 La stabilité est
Répétabilité (%)
0,8
détériorée pour les
bas débits
0,6
0,5
La répétabilité est
détériorée pour les
0,4 faibles doses
0,0
1 2 3 4 5 6 0 1 2 3 4 5 6 7 8
Dose (Gy)
28
Débit de dose (Gy/min)BILAN ET PERSPECTIVES POUR LE
DIAMANT POLYCRISTALLIN
BILAN • Sur le polycristallin intrinsèque
• Diamond and related materials 15 (4), 833
Instabilité du signal sous irradiation (2006)
Limitations en dosimétrie passive et active • Physica status solidi (a) 203 (12),
3161 (2006)
• Sur le polycristallin azoté • Physica status solidi (a) 204 (9), 3036 (2007)
Amélioration du temps de réponse • Radiation Measurements 43(2), 933 (2008)
Rapport signal sur bruit trop faible
ACTUELLEMENT EN RADIOTHÉRAPIE
• Détecteur diamant polycristallin intrinsèque
Sensibilité proche du diamant naturel
Réalisation de contact Schottky sur diamant
Réduction de l’influence des pièges sur la stabilité et le temps de réponse
Application à la RCMI M. Bruzzi et al, Diamond and Related Materials, vol. 20, pp. 84-92,
Feb. 2011.
• Sur le dispositif
Dispositif équivalent tissus, blindage opage N. Ade et al, Rad. Physics and Chem. vol 81, 232
(2012)
Elimination de la pré-irradiation des détecteurs N. Ade et al, Rad. Physics and Chem, vol. 86, 42
Dépendance en débit de dose négligeable 2013.
29LE DIAMANT
MONOCRISTALLIN POUR
LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
APPLICATION À LA RCMI
2006 2009
Projet Européen MAESTRO
Elaboration et application du
matériau à la dosimétrie
Dispositif de mesure
30LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
ÉLABORATION DES DÉTECTEURS EN DIAMANTS MONOCRISTALLINS
• Croissance
Optimisation des paramètres de traitement de surface et de croissance
Traitement de surface par • High pressure
plasma: (240 - 340 mBar)
MW Power = 1kW • Low power
P = 90 mBar (500 – 700 W)
O2 = 4,2 % • Average temperature
(880 - 940°C)
• Découpe laser
CVD CVD
HPHT
CVD
• Caractérisation des échantillons
Mobilité des porteurs, CCE, stabilité sous rayonnements
400
Mobility (cm2.V-1.s-1) Experimental data
350 Fitted data
0,8 Spectroscopic
resolution 300
0
Counts (a.u.)
∆E/E = 1.9 %
250 ( E )
Q 0 E
CCE Collected 0,4 0.4V/µm 200
1
Q0 150 vs
100
0,0 h+ 2 -1
0 =2850 cm .V .s
-1
50
0 1 2 3 4 5 6 5 10 15 20 25 30
Energy (Mev)
Electric field (kV.cm-1) 31
N. Tranchant et al, PSS 2007 – N. Tranchant et al, DRM 2008LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
ÉLABORATION DES DÉTECTEURS EN DIAMANTS MONOCRISTALLINS
• Croissance
• Découpe laser
3,9 cm
• Caractérisation 1,9 cm
• Montage en détecteur
• Dépôt d’électrodes
• Définition du support 2,4 cm
• Encapsulation, connectique etc..
0,9 cm
• Définition d’un prototype pour des
mesure en RCMI
Emplacement du diamant
Enveloppe en solid water
6 mm
Capuchon
en solid
water Connecteur SCDD-CEA
Fil en or de Triax 0.534 mm3
diamètre 500
microns 32LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
EVALUATION DES PARAMÈTRES DOSIMÉTRIQUES
EN CONDITIONS STANDARD
• Conditions expérimentales
Varian, 6MV photons
Champ : 10 cm × 10 cm
SSD=100 cm, 5 cm de profondeur dans un
fantôme solide
Détecteur : SCDD-CEA, 0.534 mm3
Sensibilité : 240 nC.Gy-1.mm-3 (128 nC.Gy-1 >1 nC.Gy-1)
Répétabilité: 0.2% (0.5%)
Stabilité: 0.08% (0.5%)
Signal sur bruit: 1200 à 2.89 Gy.min-1 (1000)
Linéarité avec la dose vérifiée
Variation avec le débit de dose < 1%
33LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
LA RADIOTHÉRAPIE CONFORMATIONNELLE AVEC MODULATION
D’INTENSITÉ Siemens Oncor Linear Accelerator
Siemens 82 leaf MLC
One segment
• RCMI : faisceau modulé
Accélérateur muni d’un collimateur multi lame MLC
Traitement : plusieurs faisceaux chacun composé de
plusieurs segments
Une position de lame correspond à un segment
Enchaînement des segments constitue la modulation du
faisceau
34LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
MESURE EN RADIOTHÉRAPIE CONFORMATIONNELLE AVEC
MODULATION D’INTENSITÉ
• Conditions expérimentales
ONCOR, Siemens 6MV photons
SSD=100 cm, 7 cm de profondeur dans un fantôme solide
RCMI « step and shoot »
Faisceaux RCMI issus d’un traitement d’un carcinome nasopharyngé
Sept faisceaux calculés à partir du TPS (Konrad Siemens)
• Mesures
Chambre d’ionisation semiflex 0.125 cm3,
PTW type 31002
SCDD-CEA 0.534 mm3
Trois faisceaux
F4, F5 et F7 composés de 10, 8 et 12
segments
35LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
• Faisceaux RCMI d’un carcinome nasopharyngé
Distribution de dose calculée par le Mesure avec des films
TPS dans un fantôme plat passifs radiochromiques
Profil de dose selon l’axe x Profil de dose selon l’axe y
En profondeur, selon z
Selon une surface xy
perpendiculaire au
faisceau 36LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
• Faisceaux RCMI d’un carcinome nasopharyngé
Distribution de dose calculé par le TPS dans un fantôme plat
F4 F5 F7
Mesure de dose par les films passifs pour les faisceaux F4, F5 et F7
37LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
• Mesure avec le SCDD-CEA
6
SCDD
F4 IC x 31 times
0,15
SCDD
4 IC x 31
Dose
Current [nA]
Dose mesurée par Dose mesurée par la
Current [nA] 0,10
Faisceaux calculée par
le SCDD-CEA chambre Semiflex
le TPS
0,05
F4 0,465 0,444 0,439
2 0,00
40 50 60 70
Time [s]
Déviation - 2% 0,9%
F5 0,351 0,346 0,354
0
0 20 40 60 80
Déviation - 1,4% 0,8%
Time [s]
1E-8 F7 0,454 0,465 0,475
diamond CEA
IC F5 Déviation - 2,5% 4,7%
1E-9
1E-10
Current [A]
1E-11
1E-12 Résultats obtenus avec le SCDD-CEA en
accord avec le TPS à 2,5 % près
1E-13
Avantage du petit volume de détection
1E-14
0 10 20 30 40 50 60
38
Time [s]LE DIAMANT MONOCRISTALLIN
POUR LA DOSIMÉTRIE ACTIVE
BILAN
• Evolution du dosimètre de 2004-2009
Développement d’un premier prototype de dosimètre diamant issu du
laboratoire
• Supériorité par rapport au polycristallin, en conditions standards
• Première mesure en RCMI
Journal of Applied Physics 103(5), p.054512 (2008)
Journal of Applied Physics, 106(8), 084509 (2009)
Diamond and Related Materials 19(7), 1012 (2010)
ETAT DE L'ART ET PERSPECTIVES POUR LA RADIOTHÉRAPIE
• Différents types de dispositifs en diamant monocristallins
A partir de diamant industriels (E6) ou de laboratoire (Tor Vergata ou autre..)
• Variation de la sensibilité entre 150 nC.Gy-1.mm-3 et 520 nC.Gy-1.mm-3
• Pré-irradiation nécessaire
• Linéarité avec la dose toujours vérifiée, Variation avec le débit de dose
• Actuellement
Dispositif de laboratoire avec contact Schottky
S. Spadaro et al, Radiation Measurements, vol. 48, 1 (2013)
Dosimètre commercialisé par PTW, microDiamond 60019
W.U.Laub et al, Journal of Applied Clinical Medical Physics, vol 15 (6), 92 (2014)
39DISPOSITIF POUR LES
MINI-FAISCEAUX
2011 2013 2014
ANR TecSan DIADOMI
Optimisation du dosimètre
40DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
POURQUOI DÉVELOPPER UN DOSIMÈTRE POUR LES MINI-FAISCEAUX
• Radiothérapie stéréotaxique
- Complexification du traitement
- Faisceaux de petites dimensions (DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
POURQUOI DÉVELOPPER UN DOSIMÈTRE MINI-FAISCEAUX
• Les dosimètres utilisés
Petit
Equivalent- Type de Choix du détecteur de
volume de
eau détecteur référence
détection
Chambre
--- --- Actif
d’ionisation (CI)
Diode (60017 Mesure rendement et
+++ --- Actif
PTW) profil
TLD LiF +++ +++ Passif Mesure de FOC
Film Gafchromic +++ +++ Passif
• Intérêt du diamant pour la réalisation d’un dosimètre mini-
faisceaux
Petit volume de Equivalent- Type de
détection eau détecteur
+++ +++
Diamant Densité élevée : Z=6 Actif
1023 atomes/cm3
42DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
COMMENT DÉVELOPPER UN DOSIMÈTRE MINI-FAISCEAUX
• Cahier des charges du dosimètre
Volume sensible : dimensions ≤ 1 mm dans toutes les directions
Diamant entouré de matériaux équivalent-eau
Câble parallèle à l’axe du faisceaux
Encapsulation Diamant + électrodes
en PBnMA en aluminium
• Design du prototype
Fils de 100 µm
Simulations MC
Matériaux d’encapsulation PMMA
Matériaux d’électrodes de Ø 6mm
Câble triaxial
Optimisation
• Influence des dimensions du diamant
• Simulations et
• Influence de la géométrie des électrodes
mesures
• Influence des dimensions de l’encapsulation
43DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
OPTIMISATION DU DOSIMÈTRE : DIMENSION DU DIAMANT 4 X 4 X 0,55 mm3
2 X 2 X 0,5 mm3
• Simulations MC, code PENELOPE 1 X 1 X 0,15 mm3
LM2S- CEA
Différentes dimensions de diamant
Contacts de 1 mm de diamètre ou côté
Densité élevée du diamant de 3,51
Surestimation du FOC mini-faisceaux
• Mesures
Réduction des dimensions du diamant :
réduction de l’erreur sur le FOC mesuré
4438DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
OPTIMISATION DU DOSIMÈTRE : LES CONTACTS ÉLECTRIQUES
• Géométrie des électrodes
Electrodes circulaires de Electrodes carrées de
1 mm de diamètre 2 mm de côté
2 mm 2 mm
2 mm 2 mm
0,15 mm 0,15 mm
- Les électrodes pleine face permettent 100% de collecte de charge
- Polarisation du détecteur au-dessus de 20V
45DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
OPTIMISATION DU DOSIMÈTRE : LES CONTACTS ÉLECTRIQUES
• Influence sur le débit de dose
Electrodes circulaires de Electrodes carrées de
1 mm de diamètre 2 mm de côté
2 mm 2 mm
2 mm 2 mm
0,15 mm 0,15 mm
Forte dépendance avec le
débit de dose Faible dépendance avec le
débit de dose
• Les électrodes pleines faces permettent de réduire la
dépendance en débit de dose
Brevet : PCT/FR2013/050909 46DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
OPTIMISATION DU DOSIMÈTRE : GÉOMÉTRIE COMPLÈTE
• Simulations MC
LM2S- CEA
• Mesures
Réduction des dimensions de l’encapsulation
Réduction sur l’erreur des mesures de FOC
4742DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
OPTIMISATION DU DOSIMÈTRE : RÉALISATION DU DISPOSITIF
• Géométrie des électrodes
Contact pleine face
• Dimension du diamant
Optimisée dans cette étude à 1x1x0,15 mm3
• Dimension de l’encapsulation
Réduction au plus près du diamant
Sensibilité : 42.3 nC.Gy-1 (>1 nC.Gy-1)
- Deux prototypes réalisés Signal sur bruit : 1940 (1000)
SCDDo-K : électrodes aluminium Répétabilité : 0.06 % (0.5%)
SCDDo-W : électrodes DLC Stabilité à moyen terme : 0.1% à 0.3%
Linéarité avec la dose vérifiée
Dépendance avec le débit de doseDISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
VALIDATION DU PROTOTYPE EN CONDITIONS STÉRÉOTAXIQUES
• Conditions expérimentales
Varian 2100 C muni d’un mMLC, Cyberknife, 6MV photons
6MV photons DSP=78.5 cm, 1.5 cm de profondeur
DSP=100 cm, 10 cm de profondeur Débit de dose 600 UM.min-1
Débit de dose 400 UM.min-1 Plus petit champ 5 mm de diamètre
Plus petit champ 6 x 6 mm2
49DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
VALIDATION DU PROTOTYPE EN CONDITIONS STÉRÉOTAXIQUES
• Profils de dose
Pénombre 20 % - 80 % (mm)
Profil x Profil y
Diode Diode →Les profils mesurés avec les SCDDo et la
SCDDo- SCDDo- diode de référence sont en accord
PTW PTW
K K
60017 60017
1,79 1,69 1,96 1,96
50DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
VALIDATION DU PROTOTYPE EN CONDITIONS STÉRÉOTAXIQUES
• Rendements en profondeur
mMLC Cyberknife
Dosimètre De (%) D20 (%) De (%) D20 (%) → SCDDo et la diode de référence
en accord à 20 cm de profondeur.
Diode PTW
40,5 29,1 53,8 25,8
60017
→ Ecarts de dose à l’entrée
SCDDo-K 52,8 29,5 60 25,3
51DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
VALIDATION DU PROTOTYPE EN CONDITIONS STÉRÉOTAXIQUES
• Mesure de FOC
3%
écarts < 2 %
→ Pour toutes les tailles de champ → SCDDo : résultats meilleurs que la diode
écarts entre SCDDo et µLiF < 2 % EDGE et la PinPoint 31014.
→ Pour le plus petit champ, écart → Résultats équivalents à la diode PTW 60017
entre SCDDo et µLiF : 3 %
52DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
VALIDATION DU PROTOTYPE EN CLINIQUE : CONDITIONS
STÉRÉOTAXIQUE
8
• Mesure de FOC 3,7 %
6
(FOC/FOCµLiF-1)*100
1,0 4 écarts < 2 %
0,9
2
0
FOC
0,8 Diamant PTW 60003
LiF -2
Diode PTW 60017
0,7 SCDDo-K -4
Diamant PTW 60003
-6 Diode PTW 60017
0,6 SCDDo-K
0 10 20 30 40 50 60 -8
Diamètre du faisceau (mm) 0 10 20 30 40 50 60
Diamètre du faisceau (mm)
→ Pour toutes les tailles de champ
écarts entre SCDDo et µLiF < 2 % → SCDDo : résultats meilleurs que la diode
PTW 60017
→ Pour le plus petit champ, écart
surestimation du FOC, variation avec la profondeur de
entre SCDDo et µLiF : 3,7 %
mesures : C. Bassinet et al., Medical Physics, vol. 40,
p. 071725, July 2013.
53DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
BILAN SUR LE PROTOTYPE DE DOSIMÈTRE POUR LES MINI-
FAISCEAUX
• Validation en conditions standards
• Mesures en conditions stéréotaxiques
Profils et rendements
FOC
Pour se rapprocher encore plus des dosimètres de références :
• Réduction de la dimension du diamant
• Diminution du diamètre de l’encapsulation et/ou modification des
matériaux d’encapsulation
• Mesures à réaliser.. un jour?
Tenue dans le temps
Comparaison avec le microDiamond PTW 60019
A. Chalkey et al, British Journal of Radiology, vol 87 : 20130768 (2014)
A. Ralston et al, Phys. Med. Biol. Vol 59, 5873 (2014)
Disparités des résultats selon les auteurs et les machines 54DISPOSITIF POUR LES MINI-FAISCEAUX
BILAN SUR LE PROTOTYPE DE DOSIMÈTRE POUR LES MINI-
FAISCEAUX
• Avenir pour le dosimètre
Industrialisation du support
Il faut respecter l’équivalence
tissu dans un montage
industriel
Diamant SCDDo MicroDiamond 60019 PTW
• Applications possibles pour le SCDDo
Mesure d’un faisceau de protons en mode PBS
Mesure en mode haut débit
55Laboratoire Capteurs Diamants
Laboratoire National Henri Becquerel
Laboratoire de Modélisation et Simulation des Systèmes
Laboratoire Capteurs et Architecture Electronique
Remerciements
A tous mes collègues…Le diamant pour la
dosimétrie en
radiothérapie
Séminaire IRFU 17 mars 2015
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