– Gamhadron

Le projet GamHadron a pour objectif la conception, l'optimisation, le développement et la caractérisation d'un dispositif d'imagerie en ligne de la dose déposée lors d'un traitement en hadronthérapie. Imager en trois dimensions la dose déposée dans le patient est particulièrement important en hadronthérapie du fait de la grande précision balistique des ions (pic de Bragg). La seule méthode actuellement utilisée pour un tel contrôle en ligne consiste à effectuer une imagerie TEP en utilisant les isotopes émetteurs de positons produits lors des réactions nucléaires qui ont lieu lors de l'impact des ions dans les tissus. Cependant cette méthode ne permet pas d'obtenir des images pendant le traitement (a fortiori en temps réel) ni des informations quantitatives précises. Une alternative à la TEP en ligne consiste à utiliser les photons gamma dits « prompts », émis instantanément lors des processus de fragmentation nucléaire, et dont l'énergie est située entre quelques centaines de keV et quelques MeV. Les lieux d'émission des gammas prompts sont corrélés avec la profondeur de pénétration des ions carbone et avec la dose déposée. La solution proposée dans ce projet consiste à détecter les photons gamma prompts à l'aide d'une caméra Compton, combinée avec l'utilisation d'un système de détection permettant le marquage temporel et spatial de chaque ion incident. Un tel système apparaît comme une méthode crédible pour effectuer un contrôle en trois dimensions de la dose déposée, potentiellement en temps réel, avec une résolution spatiale pertinente d'un point de vue clinique (2 mm). Cependant, la mise au point et l'optimisation d'un tel système constitue un défi technologique pour plusieurs raisons : (i) le faible nombre de photons émis nécessite une efficacité de détection élevée, (ii) le signal doit être extrait d'un bruit de fond très important constitué par des photons diffusés, des neutrons et des particules chargées. L'utilisation d'un collimateur et d'une gamma-caméra est tout à fait possible, mais cette dernière solution ne permet pas d'atteindre une efficacité suffisante pour recueillir une information tridimensionnelle pendant un traitement. L'utilisation d'une caméra Compton permettrait de se passer d'un collimateur, conduisant à un gain en efficacité de l'ordre d'un facteur 100. Cependant, une telle caméra ne présente pas une sélectivité suffisante permettant de séparer les signaux utiles du niveau élevé de bruit de fond (sélection des évènements en coincidence dans le diffuseur et dans l'absorbeur avec une résolution temporelle de 5 à 10 ns). Pour résoudre ce problème, nous proposons d'utiliser une technique innovante de temps de vol en plaçant un dispositif d'étiquetage en temps et en position transverse de chaque ion du faisceau incident. Les détecteurs diamants présentent les caractéristique adéquates pour réaliser ce marquage. Le temps de vol, mesuré avec une précision de l'ordre de 1 ns, entre le passage d'un ion dans ce détecteur et l'arrivée du photon gamma prompt dans le détecteur absorbeur de la caméra Compton permettra d'extraire les évènements utiles du bruit de fond avec une sélectivité accrue. Le système d'imagerie proposé réunit ainsi de manière unique les qualités d'efficacité et de rapport signal/bruit. Les études nécessaires pour mettre au point le système d'imagerie proposé comprennent des simulations, des mesures préliminaires de taux de coincidences sur faisceaux, des développements concernant les différents modules de détection (détecteur diamant, détecteur diffuseur silicium, détecteur absorbeur scintillateur), l'électronique rapide et le système d'acquisition associés, ainsi qu'une caractérisation de chaque composant et du système global sur faisceau.