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 - CEA-Irfu
LE DIAMANT POUR LA
DOSIMÉTRIE EN
RADIOTHÉRAPIE

Dominique TROMSON – DRT-LIST/DM2I/LCAE

                                   17 mars 2015
LE DIAMANT POUR LA DOSIMÉTRIE EN RADIOTHÉRAPIE - Dominique TROMSON - DRT-LIST/DM2I/LCAE - CEA-Irfu
LE DIAMANT POUR LA DÉTECTION :
          RAPPEL…

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LE DIAMANT POUR LA DOSIMÉTRIE EN RADIOTHÉRAPIE - Dominique TROMSON - DRT-LIST/DM2I/LCAE - CEA-Irfu
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 DOSIMÉTRIE EN RADIOTHÉRAPIE - Dominique TROMSON - DRT-LIST/DM2I/LCAE - CEA-Irfu
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
LE DIAMANT POUR LA DOSIMÉTRIE EN RADIOTHÉRAPIE - Dominique TROMSON - DRT-LIST/DM2I/LCAE - CEA-Irfu
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
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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…)
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DE LA CROISSANCE AUX
  APPLICATIONS DE DÉTECTION

AIRIX

                                         60   356 MHz
                   Output Voltage (mV)
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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
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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
LE DIAMANT POUR LA DOSIMÉTRIE EN RADIOTHÉRAPIE - Dominique TROMSON - DRT-LIST/DM2I/LCAE - CEA-Irfu
MESURE DE DOSE EN
  RADIOTHÉRAPIE

                    10
MESURE 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

                                                                                 11
MESURE 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

                                                                                 12
MESURE 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?
                                                                                  13
MESURE 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 )

                                                                                    14
MESURE 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 )

                                                                                15
MESURE 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

                                                                                 16
MESURE 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

                                                                                17
MESURE 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

                                                                                     18
MESURE 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

                                                                                                        19
MESURE 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?
                                                                                                                20
LE 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

                                                         21
LE 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                                                         22
LE 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
                                                                                                    24
LE 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)
                                                                                                                    25
LE 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                                            26
LE 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.

                                                                                                                  29
LE 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

                                              30
LE 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 2008
LE 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                                        32
LE 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%
                                                          33
LE 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
                                                                                                  34
LE 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

                                                                          35
LE 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                                                                            36
LE 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

                                                                              37
LE 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)
                                                                                                     39
DISPOSITIF POUR LES
   MINI-FAISCEAUX
    2011         2013   2014

      ANR TecSan DIADOMI
     Optimisation du dosimètre

                                 40
DISPOSITIF 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

                                                                                             42
DISPOSITIF 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
                                                                                        43
DISPOSITIF 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

                                                                      4438
DISPOSITIF 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

                                                                                                   45
DISPOSITIF 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                                                         46
DISPOSITIF 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

                                                        4742
DISPOSITIF 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 dose
DISPOSITIF 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

                                                                    49
DISPOSITIF 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
                                                                                50
DISPOSITIF 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

                                                                                         51
DISPOSITIF 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 %
                                                                                    52
DISPOSITIF 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.
                                                                                                                                       53
DISPOSITIF 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          54
DISPOSITIF 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

                                                                                     55
Laboratoire 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
                     Dominique Tromson
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