Matrice de diodes GaN pour l’imagerie de protons – MATRIX

Le projet MATRIX vise à améliorer la protonthérapie pour le traitement du cancer en développant de nouveaux détecteurs qui augmenteront le contrôle de la dose d’irradiation et rendront les traitements plus rapides et plus fiables. L’irradiation protonique est la thérapie la plus précise contre le cancer car elle permet d’irradier les tumeurs à fortes doses sans affecter les tissus sains à proximité (en particulier en aval). La protonthérapie se développe actuellement très activement, tant en termes de nombre de centres de protons dans le monde (actuellement environ 90 avec quelques nouvelles unités chaque année) qu’en termes de protocoles et d’équipements : le balayage par faisceau fin se popularise, la surveillance du faisceau avant et pendant les traitements s’améliore, l’imagerie protonique émerge... On a besoin de détecteurs de protons avec une sensibilité, une plage dynamique et une résolution spatiale plus élevées, qui permettent d’effectuer une assurance qualité plus rapidement, mieux et moins cher. En fin de compte, toutes ces améliorations permettront de traiter plus de patients, avec de meilleurs protocoles et de sauver plus de vies.
Les protons de haute énergie (de 65 à 230 MeV) peuvent être détectés par diverses techniques, allant des chambres d’ionisation aux dispositifs semi-conducteurs. Les semi-conducteurs permettent de fabriquer des réseaux de détecteurs avec la meilleure résolution spatiale et la meilleure sensibilité. Ils sont cependant sujets à la dégradation sous bombardement de particules de haute énergie. En particulier, les dispositifs en silicium, qui sont les plus populaires et les plus développés pour de nombreuses applications, sont très fragiles sous irradiation et se dégradent avec la dose cumulée. Nous proposons d’utiliser un autre semi-conducteur, environ 10 fois plus résistant à l’irradiation : le nitrure de gallium, un semi-conducteur largement répandu utilisé dans les LED pour l’éclairage à semi-conducteurs, ce qui signifie que le détecteur peut être produit à faible coût. Les détecteurs seront couplés à des circuits électroniques en silicium, qui permettent de lire et de traiter les données. L’électronique Si sera hors du champ d’irradiation afin qu’elle ne subisse pas de dégradation. Par conséquent, le projet vise un système de haute performance, en combinant les deux meilleurs matériaux dans leur domaine respectif, et aboutira à une matrice d’imagerie en 2 dimensions, de 5 cm x 5 cm et d’une résolution de 200 µm, ce qui est bien au-delà de tout appareil similaire existant dans le monde.

Le CRHEA-CNRS (Sophia Antipolis, France) apporte son expertise internationalement reconnue dans la croissance des couches GaN, et la fabrication de dispositifs à base de GaN. L’Université de la Ruhr à Bochum, en Allemagne, apporte son expertise de longue date dans l’irradiation et l’implantation, ainsi que dans l’étude des propriétés électroniques des matériaux. Ils exploiteront également le système d’imagerie hybride Si-GaN. Les tests sous irradiation protonique seront effectués à la fois en France (centre Lacassagne, Nice) et en Allemagne (Centre de protonthérapie ouest-allemand, Essen). Les mesures de faisceaux de protons seront effectuées dans des configurations diverses et complémentaires (énergie, taille du faisceau, intensité) dans les deux centres, de sorte que cette collaboration franco-germanique nous permettra de couvrir la plupart des protocoles d’assurance qualité utilisés dans les centres de protonthérapie.