Contribution à l'étude des processus nucléaires intervenant en hadronthérapie et de leur impact sur la délocalisation du dépôt de dose
Résumé
Hadrontherapy consists of the use of heavy particles (hadrons) for treatment of radio-resistant or/and inoperable cancerous tumors. The aim is to deposit the necessary dose, in the tumor volume, to sterilize the cancerous cells while spearing the surrounding volumes. Dose deposition is mainly due to the electromagnetic interactions between the incoming beam particles and the target material leading principally to ionizations of the target molecular or atomic constituents. However, light nuclear fragments, issued from the nuclear interactions between the projectile and the target nuclei, do also contribute to the dose deposition. Even thought the amount of the later is small (few % of the total dose), its quantification is crucial since it is the main contribution to the dose delocalization out of the aimed target volume. This quantification is difficult because of the lack of experimental cross-sections at the energies used in hadrontherapy: a few tens or hundreds of MeV per nucleon of the projectile. The principal aim of this work is to develop a method in order to predict the dose distribution effectively delivered in the real conditions of therapeutic irradiation. Two complementary approaches were followed for this work. The first, phenomenological, consists of the study and the compilation of the existing experimental data available in the literature and the improvement of an empirical nuclear fragmentation cross-sections model. The second approach is purely experimental and concisted in two campaigns of data acquisition, mesaurement of β+ emitters profile in a water target irradiated by carbon ions at GANIL (Caen) using techniques of positron emission tomography, and acquisition of longitudinal and transversal dose distributions in carbon and water equivalent (PMMA) targets irradiated by protons at the PSI (Villigen) facility. Then a method of data analysis to compare the predictions of the Monte Carlo simulations to the measurements were developped.
L'hadronthérapie consiste en l'utilisation des particules lourdes dans le but de soigner certains cancers inopérables et/ou résistants aux radiothérapies conventionnelles.. L'objectif est de déposer la dose nécessaire dans la tumeur afin de la stériliser, tout en limitant le dépôt de dose dans les tissus sains environnants. Le dépôt de dose est dû en grande partie à l'ionisation de la cible directement par le faisceau incident, mais aussi dans une moindre mesure aux fragments produits par les interactions nucléaires entre les noyaux des projectiles et les noyaux des atomes de la cible. Ces processus nucléaires et leur contribution à la délocalisation de la distribution volumique du dépôt de dose sont difficilement quantifiables du fait de la mauvaise connaissance de leurs sections efficaces aux énergies utilisées en hadronthérapie. Le sujet principal de la thèse est de développer une méthodologie pour la quantification des incertitudes sur la dose effectivement délivrée, étant données les conditions d'irradiation. Ce travail s'est articulé autour de deux axes : une approche phénoménologique et une approche expérimentale. L'approche phénoménologique a consisté en une étude bibliographique et une compilation des données expérimentales existantes, suite auxquelles le modèle empirique développé par Sihver et al. a été amélioré, permettant ainsi une meilleure description des sections efficaces de réaction totales et différentielles noyau-noyau pour un nombre de masse inférieur à 26. L'approche expérimentale a consisté en deux prises de données: tout d'abord la mesure du profil des émetteurs β+ dans une cible d'eau irradiée par des ions carbone en utilisant la technique de tomographie à émission de positons au GANIL , puis la mesure de profils transversaux et longitudinaux de dépôt de dose dans des cible de graphite et de PMMA irradiées par des protons au PSI. Une méthode d'analyse de données consistant à comparer les prédictions des simulations Monte Carlo aux mesures physiques a été ensuite développée.
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