À la demande des fabricants de dosimètres et des utilisateurs, le LNE-LNHB propose de développer une référence métrologique pour la dosimétrie des rayonnements de haute énergie en radioprotection des travailleurs (6 à 7 MeV) sur l’accélérateur linéaire Varian Truebeam du LNE-LNHB de la plateforme DOSEO.

Objectifs

Produireun faisceau de photons de haute énergie pour la radioprotection sur l’accélérateur Varian TrueBeam installé sur la plateforme DOSEO.

Caractériser ce faisceau en termes de kerma dans l’air et d’équivalents de dose.

Faciliter la dissémination de cette nouvelle référence par la mise en place de procédures formalisant le transfert de la référence via l’étalonnage d’un détecteur au LNE-LNHB ou via le raccordement d’un autre laboratoire.

Établir un protocole pour une future comparaison internationale.

Résumé et premiers résultats

À la demande des fabricants de dosimètres et des utilisateurs, le LNE-LNHB propose de développer une référence métrologique pour la dosimétrie des rayonnements de haute énergie en radioprotection des travailleurs (6 à 7 MeV) sur l’accélérateur linéaire Varian Truebeam du LNE-LNHB de la plateforme DOSEO. L’établissement de cette référence fait appel aux techniques de mesure classiques en métrologie des photons de haute énergie (chambre d’ionisation à cavité ouverte) pour mesurer la grandeur primaire : le kerma dans l’air. C’est à partir de cette grandeur que sont calculées les grandeurs de radioprotection (équivalents de dose) au moyen de coefficients de conversion. Ces derniers seront déterminés au moyen de calculs de transport du rayonnement fondés sur la méthode Monte-Carlo.

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Configuration de mesure HEA-RI-08
Configuration de la mesure sur l'accélérateur Varian de la plateforme DOSEO.

Le présent projet portera également sur la dissémination de la référence du LNE-LNHB via son service d’étalonnage sur l’accélérateur Varian Truebeam et le raccordement d’un faisceau de la cellule ARCANE du CENBG qui pourra à son tour réaliser des étalonnages de dosimètres et radiamètres en assurant une traçabilité à la référence nationale française.

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Spectre HEA-RI-08
Exemple de spectre reproduit dans le cadre de ce projet

Il s’agira enfin d’établir un protocole pour une future comparaison internationale au moyen d’un étalon voyageur.

Impacts scientifiques et industriels

Avec l’arrêt de l’installation Delphes en octobre 2018, le rayonnement de référence concernant les énergies de 6 à 7 MeV pour la radioprotection n’est plus produit en France. L’établissement d’une telle référence sur le LINAC TrueBeam, objet de ce projet, permettra de conserver les possibilités existantes d’étalonnage des dosimètres et débitmètres de radioprotection par le LNE-LNHB (de 8 keV à environ 7 MeV).

La dissémination des références au niveau international, dans le plus grand nombre possible de pays, est un facteur essentiel permettant la comparaison des résultats. Ce n’est pas le cas aujourd’hui avec les procédés de production de faisceau de photons de haute énergie qui sont « lourds » et coûteux.  La mise au point par le LNE-LNHB de champs de rayonnements produits sur un LINAC et leur future intégration dans les spécifications des normes ISO participera à la reconnaissance internationale des travaux du laboratoire dans un contexte concurrentiel.

La France disposera de champs de rayonnements couvrant le domaine des photons de haute énergie et caractérisés en termes dosimétriques pour l’étude (avec les industriels) de nouveaux dosimètres pour la radioprotection des travailleurs et pour l’étalonnage de ces dosimètres (pour les industriels et les exploitants).

Dans le domaine de la dosimétrie des rayonnements photoniques X d’énergie inférieure à 300 keV, la connaissance de la distribution énergétique des photons émis par les sources constitue un paramètre important qu'il convient de connaître.

Objectifs

Métrologie primaire : Amélioration des facteurs de correction affectés aux mesures réalisées avec les chambres à parois d’air du LNE-LNHB utilisées sur les rayonnements pulsés d’imagerie médicale, étude de l’incertitude associée à chaque spectre corrigé et étude de son impact sur les facteurs de correction et les coefficients de conversion.

Normatif : Détermination des coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection.

Transfert aux utilisateurs : Développement de faisceaux adaptés à l’étalonnage d’appareils utilisés en radiothérapie de basse et moyenne énergie et en radiologie interventionnelle.

Résumé et premiers résultats

Dans le domaine de la dosimétrie des rayonnements photoniques X d’énergie inférieure à 300 keV, la connaissance de la distribution en énergie des photons émis par les sources constitue un paramètre important qu’il convient de connaître. Le LNE-LNHB propose d’étendre l’utilisation des techniques développées au cours des dernières années pour la spectrométrie des faisceaux présentant une distribution d’énergie continue, aux faisceaux de rayons X pulsés, utilisés en imagerie médicale, radiologie interventionnelle et radiothérapie. Ainsi, de nouvelles valeurs plus précises des facteurs de correction à appliquer à la valeur de référence du kerma dans l’air seront déterminées et de nouvelles qualités de faisceaux répondant aux besoins des utilisateurs finaux seront définies.

Dans le domaine de la radioprotection, conformément aux nouvelles spécifications de la série de normes 4037, publiée en 2019, des valeurs de coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les équivalents de dose correspondant aux spectres caractérisés par spectrométrie seront substituées aux valeurs génériques utilisées actuellement.

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Dispositif HEA-RI-07
Dispositif de mesure des faisceaux de rayons X de basse et moyenne énergie utilisés en dosimétrie

Impacts scientifiques et industriels

  • Anticipation du laboratoire sur la future évolution de la norme ISO 4037 (2019)
  • Amélioration de la justesse des facteurs de correction des chambres à parois d’air utilisées par le LNE-LNHB pour les faisceaux continus et pulsés
  • Amélioration de la justesse et de la précision des coefficients de conversion utilisés pour calculer les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection à partir du kerma dans l’air
  • Meilleure adéquation entre les faisceaux du LNE-LNHB et les faisceaux des utilisateurs finaux (radiothérapie basse et moyenne énergie, curiethérapie électronique, chirurgie interventionnelle…)

Publications et communications

Norme ISO 4037-1 :1996 « Rayonnements X et gamma de référence pour l’étalonnage des dosimètres et des débitmètres et pour la détermination de leur réponse en fonction de l’énergie des photons – Partie 1 : Caractéristiques des rayonnements et méthodes de production »

Norme NF EN 61267 « Équipement de diagnostic médical à rayonnement X. Conditions de rayonnement pour l’utilisation dans la détermination des caractéristiques »

J. Plagnard, « Mesure de spectres en énergie de l’émission de tubes à rayons X au LNE-LNHB/LMD », Revue française de métrologie, volume 2016-3 n°43, p37-47,2016

M.J. Berger, J.H. Hubbell, XCOM “Photon Cross Sections on a personal Computer”, NBSIR 87-3597, 1987

ICRU 57 “Conversion coefficients for use in radiological protection against external radiation“, 2007

Partenaires

Société Fibermétrix (radiologie interventionnelle) 

Partenaires du projet européen «Primary standards and traceable measurement methods for X-ray emitting electronic brachytherapy and IORT devices» : CMI (République Tchèque), ENEA (Italie), NPL (Royaume-Uni), PTB (Allemagne), VSL (Pays-Bas)

Centres hospitaliers

Des appareils de radiothérapie externe couplant un accélérateur à une imagerie par résonance magnétique sont en cours d’installation en France (ViewRay MRIdian linac et Elekta MR-linac). L’imagerie par résonance magnétique permet de supprimer le supplément de dose dû à l’imageur X, de visualiser et de prendre en compte l’évolution de la tumeur entre chaque séance (taille, déplacement) ainsi que ses mouvements en cours de séance pour faire de la radiothérapie adaptative. L’influence du champ magnétique sur la dose délivrée lors du traitement et sur l’instrumentation dosimétrique utilisée doit être étudiée.

Objectifs

Disposer d’un dosimètre primaire utilisable dans un champ magnétique et donc adapté à la caractérisation des faisceaux des appareils de radiothérapie couplés à une imagerie IRM.

Mettre au point une référence primaire basée sur un calorimètre graphite de petite section utilisable dans un champ magnétique.

Tester des dosimètres alanine et des gels dosimétriques en présence d’un champ magnétique.

Résumé et premiers résultats

Des appareils de radiothérapie externe couplant un accélérateur à une imagerie par résonance magnétique sont en cours d’installation en France. L’imagerie par résonance magnétique permet de supprimer le supplément de dose dû à l’imageur X, de visualiser et de prendre en compte l’évolution de la tumeur entre chaque séance (taille, déplacement) ainsi que ses mouvements en cours de séance pour faire de la radiothérapie adaptative.    

L’influence du champ magnétique sur la dose délivrée lors du traitement et sur l’instrumentation dosimétrique utilisée doit être étudiée. Un premier projet européen (MRgRT) sur le sujet a été mené sur la période 2016-2019 (https://mrgrtmetrology.com). Il apparait que les dosimètres alanine semblent être le meilleur type de dosimètres secondaires car plutôt insensibles au champ magnétique.

Lors de ce projet, les mesures de mise en service du nouvel équipement de l’institut Paoli-Calmette (Marseille) seront complétées tout en permettant au LNE-LNHB de tester ses dosimètres alanine dans un champ magnétique. Une validation croisée des gels dosimétriques utilisés au LNE-LNHB et d’un appareil de dosimétrie 3D disponible sur le marché est également prévue.

De plus, un calorimètre graphite de petite section utilisable dans un champ magnétique sera étudié et construit afin de pouvoir fournir une référence primaire.

Impacts scientifiques et industriels

Si les tests sont concluants, le LNE-LNHB pourra proposer une référence primaire (calorimétrie graphite) et des dosimètres de transfert (alanine et/ou gel dosimétrique) pour les instituts s’équipant de nouveaux systèmes de radiothérapie externe guidée par IRM.

Publications et communications

Site du projet MRgRT : https://mrgrtmetrology.com

V.N. Malkov,  D.W.O. Rogers, Charged particle transport in magnetic fields in EGSnrc Med. Phys. 43 (7) July 2016 4447-57.

V.N. Malkov,  D.W.O. Rogers, Sensitive volume effects on Monte-Carlo calculated ion chamber response in magnetic fields Med. Phys. 44 (9), September 2017 4854-8

S. Pojtinger, O. S. Dohm, R.P. Kapsch, D. Thorwarth, Ionization chamber correction factors for MR-linacs Phys. Med. Biol. 63 (2018) 11NT03

S.J. Woodings, J.W.H. Wolthaus, B. van Asselen, J.H.W. de Vries, J.G.M. Kok, J.J.W. Lagendijk, B.W. Raaymakers, Performance of a PTW 60019 microDiamond detector in a 1.5 T MRI-linac Phys. Med. Biol. 63 (2018) 05NT04

Partenaires

Institut Paoli-Calmette (Marseille)

Les protocoles de traitement par radiothérapie évoluent, d’une part, vers des tailles de champs d’irradiation de plus en plus petites pour se conformer au mieux au volume de la tumeur tout en sauvegardant les tissus sains environnants et, d’autre part, vers l’hypo-fractionnement, c’est-à-dire l’administration d’une dose de rayonnements plus importante délivrée en un nombre de fractions réduit (le débit de dose pouvant atteindre 12 Gy/min). Ces modalités de traitement réalisées avec de nouvelles machines sont rassemblées sous l’appellation de radiothérapie stéréotaxique. Ces nouvelles techniques de traitement nécessitent la mise en place de nouvelles références métrologiques. Le LNHB a proposé de remplacer la dose absorbée en un point (qui est la référence utilisée aujourd’hui dans les protocoles internationaux) par le produit dose-surface, qui est une alternative plus adaptée aux conditions stéréotaxiques qui impliquent des faisceaux de petite taille.

Objectifs

Mise au point d’un protocole de mesure des caractéristiques dosimétriques « vraies » des faisceaux de photons des accélérateurs médicaux incluant les conditions stéréotaxiques;

Promotion, pour les champs de petites tailles, de l'utilisation du produit dose-surface afin d'améliorer la précision dosimétrique des traitements tout en respectant les procédures existantes adaptées aux machines commercialement disponibles.

Mise sur le marché d’une nouvelle classe de détecteurs pour la mesure du produit dose-surface.

Résumé et premiers résultats

Les protocoles de traitement par radiothérapie stéréotaxique présentent des débits de dose particulièrement importants et des tailles des champs d'irradiation particulièrement petites afin de se conformer au mieux au volume de la tumeur tout en sauvegardant au mieux les tissus sains environnants. L’utilisation de ces nouvelles techniques d'irradiation conduit à s'éloigner significativement des conditions d'étalonnage des dosimètres proposées dans les protocoles internationaux ou à introduire des corrections importantes en termes d’incertitudes. Dans ces conditions, de bonnes mesures avec un dosimètre conventionnel (positionnement délicat) ainsi que la bonne relation entre ce qui est mesuré par le dosimètre et la dose dans l’eau en un point (variation du coefficient d’étalonnage), deviennent difficiles à obtenir.

Le LNE-LNHB a proposé de remplacer la dose en un point par le produit dose-surface et, au travers de travaux précédents, a prouvé la faisabilité de ce concept au niveau métrologique pour la radiothérapie. Il convient maintenant de progresser en direction de l'utilisation en clinique en mettant au point un protocole de mesure des caractéristiques dosimétriques des faisceaux de photons des accélérateurs linéaires médicaux. Ce protocole prenant en compte les conditions stéréotaxiques au travers de l'utilisation du produit dose-surface, afin d’améliorer la dosimétrie des traitements en radiothérapie externe.

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Chambre d'ionisation pour la mesure du produit dose dose-surface
Chambre d'ionisation pour la mesure du produit dose dose-surface

Impacts scientifiques et industriels

Ce projet vise à faire évoluer la chaîne de traçabilité métrologique pour les doses administrées aux patients en radiothérapie externe. Il en résultera une meilleure maîtrise de la dose délivrée dans le cas des conditions stéréotaxiques.

Publications et communications

IAEA 2000 Absorbed dose determination in external beam radiotherapy IAEA Technical Report Series No. 398 (Vienna: AIEA)

IAEA 2017 Dosimetry of small static fields used in external beam radiotherapy: an IAEA-AAPM International Code of Practice for reference and relative dose determination IAEA Technical Report Series No. 483 (Vienna: IAEA)

Thèse de doctorat en physique par Stéphane Dufreneix « Établissement de références dosimétriques dans les faisceaux de rayons X de hautes énergies et de très petites sections (< 1 cm2) pour la radiothérapie » Université Paris sud (2014)

S. Dufreneix, A. Ostrowsky, B. Rapp, J. Daures, J.M. Bordy 2016 “Accuracy of a dose-area product compared to an absorbed dose to water at a point in a 2 cm diameter field” Med. Phys. 43 4085.

S. Dufreneix, A. Ostrowsky, M. Le Roy, L. Sommier, J. Gouriou, F. Delaunay, B. Rapp, J. Daures, J.M. Bordy 2016 “Using a dose-area product for absolute measurements in small fields: a feasability study”, Phys. Med. Biol. 61 650.

M. Pimpinella, C. Caporalia, A.S. Guerra, L. Silvi, V. De Coste, A. Petrucci, F. Delaunay, S. Dufreneix, J. Gouriou, A. Ostrowsky, B. Rapp, J.M. Bordy, J. Daures, M. Le Roy, L. Sommier, D. Vermesse, 2018 “Feasability of using a dose-area product ratio as a beam quality specifier for photon beams with small field sizes” Physica Medica 45 106.

Partenaires

Le CEA soutient ce projet au travers du financement d’une thèse (2019-2021) labélisée "sujet phare" par le Haut-Commissaire.

Collaboration avec l’Institut de Cancérologie de l'Ouest à Angers pour le test et la mise au point du protocole de conversion entre la dose absorbée en un point et le produit dose-surface.

L’étude de la variation de la réponse d’instrument de détection de neutrons en fonction de l’énergie est expérimentalement déterminée dans des champs neutroniques mono-énergétiques. Ces champs sont produits avec un faisceau de particules accélérées envoyées sur une cible neutrogène. La caractérisation de ces champs nécessite l’utilisation de détecteurs permettant de mesurer l’énergie des neutrons et leur fluence au point d’étalonnage. Les champs de neutrons mono-énergétiques générés au laboratoire LMDN de l'IRSN par l'accélérateur de particules AMANDE ont une énergie comprise entre 2 keV et 20 MeV avec un faisceau continu ou pulsé. Cette dernière caractéristique permet de mettre en œuvre la méthode du temps de vol comme étalon primaire pour déterminer l'énergie des champs de neutrons mono-énergétiques qui y sont générés. Cette méthode permet également de déterminer la distribution en énergie de la fluence neutronique dans ces champs.

Objectifs

Finalisation de la mise en place de la méthode du temps de vol pour les champs neutroniques supérieurs à 1 MeV avec le détecteur le mieux adapté (scintillateur liquide BC501A ou « Stilbène »)

Mise en place de la technique du temps de vol en-deçà du 1 MeV, avec détermination du détecteur le mieux adapté, définition de son système d'acquisition, caractérisation de sa réponse en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination et étude expérimentale de ses performances en temps de vol

Mise en œuvre finale du ou des détecteurs couplés avec son/ses système(s) d’acquisition les plus adaptés (électronique analogique ou numérique) pour l’établissement  des références en énergie et de la distribution en énergie de la fluence d’AMANDE

Résumé et premiers résultats

L’installation AMANDE du LNE-IRSN produit des champs de neutrons mono-énergétiques entre 2 keV et 20 MeV. La méthode de temps de vol a été choisie pour déterminer l’énergie de ces champs neutroniques de manière directe et absolue. Cette méthode consiste à mesurer le temps mis par les neutrons pour parcourir la distance entre la cible (leur lieu de création) et le détecteur et ne dépend ainsi essentiellement que de deux grandeurs :

  • Le temps écoulé entre la création des neutrons produits dans la cible et leur détection dans le détecteur ;
  • La distance entre la cible et ce détecteur.

La première grandeur est déterminable en utilisant le faisceau pulsé d’AMANDE où tous les neutrons sont générés en même temps dans la cible. Les grandeurs de temps, de distance et de masse sont traçables sur les étalons nationaux, ce qui permet d'obtenir une mesure primaire de l'énergie. L’incertitude attendue sur cette mesure est de l'ordre du pourcent. Cette méthode est réalisable à ce jour pour des énergies supérieures à 1 MeV avec un scintillateur liquide BC501A. Quelques études sont encore à finaliser pour obtenir non seulement l’énergie moyenne mais également la distribution en énergie des neutrons. L’utilisation d'un autre type de scintillateur (Stilbène) en lieu et place du BC501A et/ou d’un second détecteur est cependant nécessaire pour étendre le domaine d’application de la méthode du temps de vol en-deçà de 1 MeV.

La méthode du temps de vol permettra ainsi de raccorder tout type de spectromètre neutron sur les références en énergie. Cette méthode sera incluse à terme dans le dossier d’accréditation par le COFRAC de l’installation AMANDE.

Le projet de recherche consiste donc à :

  • déterminer quel(s) détecteur(s) est le mieux adapté en fonction de ses performances de discrimination entre les neutrons et les photons, de sa plage de sensibilité, de sa réponse en énergie, de sa réponse en temps et de ses autres caractéristiques intrinsèques ;
  • définir si un ou plusieurs détecteurs sont nécessaires pour couvrir, avec la méthode du temps de vol, l’ensemble de la gamme en énergie d’AMANDE ;
  • définir le système d'acquisition et de traitement des données le plus adéquat, en mutualisant et en homogénéisant autant que possible avec les systèmes existant ;
  • caractériser la réponse de (ou des) instrument(s) retenu(s) en fonction de l'énergie et du seuil de discrimination, par un étalonnage en fluence traçable sur les références du LNE-IRSN ;
  • étudier expérimentalement les performances de la méthode du temps de vol, notamment en termes d'incertitude sur l'énergie du pic mono-énergétique, et comparer les valeurs obtenues aux valeurs théoriques obtenues par la cinématique des réactions nucléaires,
  • publier dans la revue Metrologia a minima sur l'étalon de référence en énergie, par la méthode du temps de vol, en dessous de 1 MeV.

 

Impacts scientifiques et industriels

Directement traçable sur les références nationales en temps, en longueur et en masse, la méthode du temps de vol pourra être considérée comme métrologiquement "primaire" pour l’énergie des neutrons avec une incertitude de l'ordre de 1 % sur l'énergie moyenne. Cette nouvelle référence primaire profitera à l’ensemble des industriels ayant besoin de réaliser des mesures d’énergies de neutrons (industrie nucléaire, radioprotection…).

Publications et communications

Cognet M-A and Gressier V., 2010, Development of a measurement reference standard for neutron energies between 1 MeV and 20 MeV using time of flight method at the AMANDE facility Metrologia 47 377–86.

Partenaires

Le CEA est un partenaire scientifique par le biais d’une thèse commune sur le scintillateur Stilbène.

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs de neutrons thermiques, c’est-à-dire dont l’énergie des neutrons est inférieure à 0,025 eV, comptent parmi ceux recommandés pour l’étalonnage des appareils de radioprotection. Depuis Mars 2015, la norme 21909, spécifique aux systèmes de dosimétrie neutron passifs, est en application. Cette norme préconise de réaliser, entre autres, des irradiations en champ thermique pour caractériser les propriétés intrinsèques des systèmes dosimétriques. L’édition de cette norme devrait accroître la demande en matière d’étalonnage en champ thermique. C’est dans ce contexte que le LNE-IRSN a décidé de mettre en place un nouveau champ de référence de neutrons thermiques.

Objectifs

Définir, par simulations Monte-Carlo, les caractéristiques des champs thermiques pouvant être obtenu avec l’accélérateur T400 (produisant des neutrons de 3 MeV),  couplé à un modérateur et choisir la configuration la plus satisfaisante selon différents critères préalablement définis

Conception et fabrication du bloc modérateur, son support métallique et le banc d’étalonnage associé

Caractériser expérimentalement le champ neutronique produit en terme de fluence et de distribution en énergie de celle-ci

 

Participer à la nouvelle comparaison CCRI(III)-K8

Résumé et premiers résultats

Le LNE-IRSN réalise des étalonnages d’appareils de mesure selon les recommandations des normes ISO 8529. Les champs thermiques comptent parmi les points d’énergie recommandés pour les étalonnages des appareils de radioprotection. Le LNE-IRSN a décidé de mettre en place une nouvelle référence thermique, compte tenu de son expérience et de son savoir-faire en la matière acquise avec l’installation précédente, SIGMA, aujourd’hui à l’arrêt.

Ce nouveau champ thermique sera généré au moyen de l’accélérateur T400 de l’installation CEZANE de l’IRSN, couplé à un bloc de graphite, dont les dimensions seront à déterminer afin de satisfaire entre autres à des critères physiques, relatifs à la contribution maximale des neutrons thermiques aux débits de fluence et d’équivalent de dose ambiant, l’idéal étant d’atteindre un champ thermique pur en fluence et en équivalent de dose ambiant.

Ce projet couvre ainsi l’ensemble des actions relatives à la définition du modérateur jusqu’à la caractérisation expérimentale des champs neutroniques (T400 nu et champ thermique), une fois les éléments fabriqués et l’accélérateur T400 remis en service. Le projet sera réalisé sur trois ans, de 2018 à 2020, avec pour objectif une participation du LNE-IRSN, à partir de fin 2020, à l’exercice de comparaison internationale organisée par le Comité Consultatif des Rayonnements Ionisants sur les champs thermiques et pilotée par le LNE-IRSN dès 2019 (« Key-Comparisons CCRI(III)-K8-2019 »).

En 2018, les caractéristiques techniques du modérateur thermique ont été définies via une étude par simulations Monte-Carlo (matériaux, géométrie, dimensions). Suite à cette étude par simulations, une étude technique de réalisation a été lancée. En parallèle, l’accélérateur T400 a été remis en service. La fabrication du modérateur est prévue en 2019 ainsi que son intégration avec l’accélérateur T400. Le dispositif CARAT devrait être mis en service en 2020, après la caractérisation spectrométrique et dosimétrique du champ neutronique.

Impacts scientifiques et industriels

La mise en place d’un nouveau champ thermique s’inscrit dans le contexte des recommandations de la norme 21909. Le LNE-IRSN propose d’ores et déjà des prestations d’étalonnage avec des sources de neutrons isotopiques (252Cf et 241AmBe), ainsi qu’auprès d’AMANDE avec des champs neutroniques mono-énergétiques.

Grâce à la mise en place du dispositif thermique CARAT qui sera défini dans ce projet, le laboratoire sera en mesure d’étendre son offre de prestations et la compléter avec cette énergie d’étalonnage supplémentaire, ainsi que de participer aux mesures de la nouvelle comparaison CCRI(III).K-8.

Publications et communications

ISO 8529-1:2001 Reference neutron radiations — Part 1: Rayonnements neutroniques de référence -- Partie 1: Caractéristiques et méthodes de production

ISO 21909 Dosimètres individuels passifs pour les neutrons -- Exigences de fonctionnement et d'essai

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal field facility using Monte Carlo simulations, Rapport DRPH/SDE n°2007-14 (2007)

V. Lacoste, Design of a new IRSN thermal neutron field facility using Monte Carlo simulations, Radiation Protection Dosimetry, 126: 58-63 (2007)

R. Babut, Etude de conception par simulations Monte-Carlo d’un modérateur pour le T400, Rapport PSE-SANTE/SDOS/LMDN 2018-00064 (2018)

 

Les nouvelles techniques et les procédés industriels émettent des infrasons ou des ultrasons (éoliennes, pompes à chaleur, systèmes de nettoyage à ultrasons…), alors que le mécanisme de perception des sons hors de la gamme d’audition n'est actuellement pas bien compris. Les fabricants et les exploitants de ces installations ont besoin que les règlements sur les émissions de bruit soient bien fondés et ne soient pas inutilement restrictifs : il est donc nécessaire de définir des critères rationnels étayés pour prévenir les risques liés à ces sons.

Objectifs

Comprendre la perception humaine des sons non-audibles 

Définir la structure métrologique nécessaire pour appliquer des critères de sécurité basés sur des seuils de perception sonore

Fournir la traçabilité aux étalons nationaux par le développement d’un simulateur d’oreille universel permettant de simuler l’impédance de l’oreille humaine aussi bien pour les adultes que pour les enfants.

Résumé et premiers résultats

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Prototypes de simulateurs d'oreille néonatal
Prototypes de simulateurs d’oreille néonatal (photo projet Ears)

Ce n'est que lorsque l'infrastructure métrologique avec des étalons de référence et des méthodes d'étalonnage des appareils de mesure seront mis en œuvre qu’il sera possible de quantifier les effets néfastes des ultrasons et infrasons. Dès lors il sera possible de définir des critères pour limiter l'exposition et protéger la population.

Dans ce projet, l’activité scientifique du LNE a été plus particulièrement axée sur la conception d’un simulateur d’oreille universel. Les premiers travaux ont consistées à établir un cahier des charges en accord avec les besoins des utilisateurs, à développer une méthodologie de conception afin d’en faire ressortir les paramètres clés et à réunir les informations nécessaires à cette conception à travers une large étude bibliographique. Compte tenu des résultats de l’étude bibliographique, cinq groupes d’âge ont pu être établis, à savoir : nouveau-nés, 1-3 mois, 3-6 mois, 3-24 mois, 2-7 ans et adultes.

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Vue CAO en coupe d'un simulateur d'orielle pour nouveaux-nés

Suite à l’accomplissement de cette première tâche, le dimensionnement des simulateurs d’oreille pour chacun des cinq groupes d’âge a été effectué Cette tâche a été accomplie par modélisation acoustique aussi bien analytique que numérique.

Pour des raisons de coût, seul le prototype pour le groupe des nouveau-nés a été fabriqué. La qualification des prototypes a été effectuée en parallèle par 4 laboratoires nationaux de métrologie, dont le LNE. Cette qualification a consisté principalement à mesurer l’impédance acoustique de transfert du simulateur (ratio entre le débit d’entrée et la pression acoustique sur le microphone du simulateur) et de la comparer à celle calculée par le LNE dans la phase de conception. Les résultats de cette qualification montrent des mesures en bonne adéquation avec la courbe théorique dans une large gamme de fréquence, exceptée aux hautes fréquences (au-delà de 6 kHz).

 

Site du projet :

http://www.ptb.de/emrp/ears-project.html

Impacts scientifiques et industriels

  • Contribuer à de nouvelles orientations pour la réglementation sur les risques pour la santé posés par les sons non-audibles
  • Fournir des données pour la normalisation dans des seuils auditifs et sur les simulateurs d’oreilles (ISO TC43 WG1 et IEC TC29 WG21)
  • Fournir la traçabilité et des bonnes pratiques pour les utilisateurs (audiologistes)

Publications et communications

LAVERGNE T., RODRIGUES D., NEIMANNS V., OLSEN E. S. et BARHAM R., “Universal ear simulator: Specifications and artificial ear canal design”, Internoise 2013, Innsbruck, Autriche, 15-18 Septembre 2013.

RODRIGUES D., LAVERGNE T., FEDTKE T., OLSEN E. S., BARHAM R. et DUROCHER J.-N., “Methodology of designing an ear simulator”, Internoise 2013, Innsbruck, Autriche, 15-18 Septembre 2013.

RODRIGUES D., LAVERGNE T., OLSEN E.S., FEDTKE T., BARHAM R. et DUROCHER J.-N., “Methodology of Designing an Occluded Ear Simulator”, Acta Acustica united with Acustica, 101, 5, 2015, 1007-1015, DOI: 10.3813/AAA.918895.

RODRIGUES D., LAVERGNE T., OLSEN E.S., BARHAM R., FEDTKE T. et  DUROCHER J.-N., “Design of a new ear simulator”, Inter-Noise 2015, San Francisco, États-Unis d'Amérique, 9-12 août 2015.

 

Partenaires

Laboratoires nationaux de métrologie :

  • PTB (coordinateur du projet),
  • NPL,
  • LNE,
  • DFM,
  • Tubitak UME,
  • BKSV-DPLA

Les projets de recherche « développement d’une μ-TPC pour la mesure de champs neutroniques mono-énergétiques de basses énergies (< 5MeV) sur l’installation AMANDE » développé par le LNE-IRSN/LMDN et « Conception et exploitation d’une chambre à pression variable et contrôlée» par le LNE-LNHB, nécessitent chacun, un système d’alimentation en gaz pour les détecteurs spécifiques des deux projets qui fait l'objet de la présente étude.

Objectifs

Conception et installation d’un banc gaz sur lequelle serait, ultérieurement, raccordé un détecteur spécifique à chacun des projets du LNHB (chambre à pression variable) et du LMDN (la µ-TPC).

Résumé et premiers résultats

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ENG-RI-04 fig0
Photographies du banc gaz

Les projets de recherche « développement d’une μ-TPC pour la mesure de champs neutroniques mono-énergétiques de basses énergies (< 5 MeV) sur l’installation AMANDE » développé par le LNE-IRSN/LMDN et « Conception et exploitation d’une chambre à pression variable et contrôlée » par le LNE-LNHB, nécessitent chacun, un système d’alimentation en gaz pour les détecteurs spécifiques aux deux projets. Bien qu’étant très semblables, les deux systèmes présentaient des différences fondamentales : l’un fonctionne en statique, à haute pression et nécessite trois arrivées de gaz, l’autre en dynamique, à basse pression et nécessitait quatre arrivées de gaz. Aussi les deux équipes se sont rapprochées afin de mutualiser la réalisation des systèmes de régulation de gaz et, ainsi, d’en réduire le coût. Suite à l’élaboration du cahier des charges, la société 2MProcess a développé deux solutions. Elles comportent en commun un détendeur de bouteille, une lyre, un purificateur, un filtre et un débitmètre massique ainsi que des vannes intermédiaires et des vannes de purge. Les installations sont également équipées d’un capteur de pression très précis et d’un capteur de température. Le changement de gaz se fait à l’aide d’un système de pompage à vide secondaire associé à des rinçages successifs par le gaz porteur. Les bancs gaz doivent pouvoir être pilotés par ordinateur afin de pouvoir piloter les pressions de remplissage et les ajuster à la pression nominale.

Au LNHB, l’ensemble des résultats de tests de fonctionnement de l’installation d’alimentation en gaz confirment l’accord des performances avec celles demandées dans le cahier des charges initial. Le détecteur pourra être alimenté par différentes natures de gaz (azote, krypton et xénon) ou avec des mélanges binaires et ternaires de gaz sous une pression pouvant varier de 0,1 MPa à 2 MPa. La pression sera contrôlée à 0,15 % près et permettra de maîtriser la masse volumique des gaz dans le cas de mélanges à 0,6 % près. Par conséquent l’installation d’alimentation en gaz est opérationnelle pour recevoir le détecteur lorsque celui-ci sera construit.

Au LMDN, l’ensemble des résultats est conforme aux demandes initiales (une pression pouvant aller de 5 kPa à 0,3 Mpa). Quelques ajustements minimes ont été nécessaires lors de la mise en service. L’incertitude liée au débit total du mélange gazeux utilisé actuellement (60 % C4H10 + 40 % CHF3 à 50 hPa absolu et 293,15 K) est de 5,3 %. Une amélioration est possible en revoyant les méthodes d’étalonnage du débitmètre et en adaptant les gammes de mesure des débitmètres aux débits réellement utilisés. L’incertitude sur la mesure de la pression du mélange gazeux est de ± 2,2 hPa avec le capteur fonctionnant entre 0 et 0,13 MPa absolu. Afin d’obtenir une précision meilleure à basses pressions, l’acquisition d’un capteur de pression spécifique fonctionnant entre 0 et  100 hPa a été faite. L’incertitude sur la mesure de pression à 50 hPa ne représente plus que 0,34 % (contre 5,4 %). Le système d’asservissement a également été adapté aux contraintes spécifiques du projet ; en effet des tuyaux de raccordement de plus de 10 mètres relient l’armoire de régulation au détecteur. Lors des premiers tests, le temps nécessaire pour atteindre une stabilité en pression étant beaucoup trop long, la modification des paramètres de la régulation a permis d’atteindre une stabilité en 8 minutes. Le système d’alimentation fonctionne conformément aux demandes du cahier des charges ; cependant le retour d’expérience de l’utilisation du détecteur μ-TPC montre que des améliorations seront nécessaires au niveau des types de mélanges gazeux utilisés, de la précision des capteurs de pression et des débitmètres.

Impacts scientifiques et industriels

Les dispositifs développés au LMDN et au LNHB vont permettre d’alimenter en gaz les détecteurs développés dans le cadre des projets LNE « développement d’une μ-TPC pour la mesure de champs neutroniques mono-énergétiques de basses énergies (< 5 MeV) auprès de l’installation AMANDE » et « Conception et exploitation d’une chambre à pression variable et contrôlée » respectivement.

Partenaires

  • La société 2MProcess

L’objectif est d’améliorer notablement la connaissance des spectres de rayonnements photoniques de basses et moyennes énergies émis par les générateurs de RX utilisés au LNE-LNHB dans le cadre de ses campagnes d’étalonnage dans le domaine des rayons X pour le diagnostic et la radiothérapie ainsi que pour  l’industrie et  la curiethérapie. Ces études constituent la base du travail permettant le passage du traitement d’un spectre à énergies discrètes (spectre de raies) à celui d’un spectre à énergie continue (tube à rayons X).

Objectifs

Mise en place d'une nouvelle méthode de caractérisation des faisceaux

Mesurer expérimentalement des spectres de photons exempts de déformation

Valider les spectres théoriques obtenus par simulation Monte-Carlo et évaluer l'impact des variations de forme des spectres sur les débits de dose de référence fournis par le laboratoire.

Améliorer la connaissance des incertitudes sur les paramètres de faisceaux

Résumé et premiers résultats

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Radiographie X d’un détecteur GeHP

Dans le domaine de la dosimétrie des rayonnements X d'énergie inférieure à 300 keV, l'indice de qualité des champs de rayonnements utilisé est un paramètre prépondérant pour améliorer la connaissance des faisceaux et les incertitudes de mesures. La méthode actuelle de caractérisation en termes de tension d’accélération et de couches de demi-atténuation (CDA) est insuffisante. De ce fait, ce travail vise à améliorer de manière significative la connaissance des spectres d'émission des différentes sources (tubes à rayons X, iode 125) par l'utilisation de détecteurs à semi-conducteur. Les tubes à rayons X à caractériser présentent un fort débit de photons. Pour ne pas saturer les détecteurs, la réduction de l’angle solide de détection à l’aide de collimateurs de très faibles diamètres (500 ou 150 μm) devient alors une nécessité. En contrepartie, cela crée d’importantes difficultés d’alignement entre l’axe des collimateurs et le foyer du tube. Deux bancs de positionnement ont donc été développés, l’un pour mesurer les sources scellées utilisées en curiethérapie, l’autre pour les générateurs à rayons X. Ce dernier propose 6 axes de déplacement motorisés dont le pilotage est assuré par un programme développé sous Labview. Cette installation permet de scanner en 2 dimensions le champ (20 x 20 cm) du faisceau, de mesurer son homogénéité ainsi que ses caractéristiques spectrales avec précision. L'étude s'est poursuivie avec l’étalonnage de deux détecteurs, un silicium de type Si-PIN et un germanium hyper pur, en termes de réponse spectrale et de rendement de détection, à l’aide de radionucléides étalons et de sources mono-énergétiques. Pour ce faire, deux installations ont été utilisées : la source SOLEX (Source Of Low Energy X-rays) du LNE-LNHB/LMA et la ligne de lumière ID17 de l'ESRF. Les résultats obtenus ont permis d'établir les courbes de rendement intrinsèque de chaque détecteur ainsi que leurs réponses spectrales pour un rayonnement mono-énergétique compris entre 6 keV et 17 keV pour le Si-PIN et 6 keV et 120 keV pour le GeHP.

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Banc de positionnement développé au laboratoire.

 

Un travail de validation des spectres mesurés et corrigés par différents algorithmes a été entrepris utilisant plusieurs approches croisées :

- comparaison des différents spectres mesurés avec les trois détecteurs Si-PIN, GeHP et CdTe et

corrigés du phénomène d’échappements. Cette étape a permis de valider les algorithmes de correction de ce phénomène par la méthode du stripping pour les deux détecteurs GeHP et CdTe ;

- comparaison des spectres expérimentaux corrigés avec les trois algorithmes de correction (stripping,model-fitting et bayésien) ;

- comparaison de l’ensemble des résultats aux spectres calculés à l’aide de logiciels déterministes tels que Xcomp5R, TASMICS, SpekCalc V1.0 ou encore SRS 78 (IPEM) ;

- comparaison des résultats avec ceux obtenus par simulation de type Monte-Carlo après modélisation des détecteurs.

Ces travaux ont fait l’objet d’une thèse au LNE-LNHB, soutenue en octobre 2014. Ils ont permis de vérifier la pertinence des algorithmes de correction jusqu’à une énergie de 150 keV, mais aussi de montrer qu’une dispersion significative des spectres simulés existait entre les différents codes déterministes ou Monte-Carlo, et que cela pouvait induire des biais plus ou moins importants sur les coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles de radioprotection (par exemple Hp(3)).

La gamme d’énergie doit être étendue et les algorithmes déjà développés, améliorés afin d’atteindre cet objectif. Une exploration spatiale des faisceaux est envisagée afin d’estimer la représentativité des mesures effectuées sur l’axe du faisceau, sous un angle solide très réduit, dans un champ large, ce qui amènera à étudier la distribution surfacique du kerma dans l’air et des équivalents de dose au niveau du plan de référence ainsi que l’importance du rayonnement diffusé dans le faisceau global vu par une chambre d’ionisation étalon à paroi d’air.

Impacts scientifiques et industriels

Le développement de cette nouvelle technique de caractérisation des sources de rayonnements apportera une meilleure connaissance des incertitudes par rapport à l'utilisation des spectres calculés. De plus, pour le cas des spectres continus, elle fournira des informations complémentaires aux mesures de CDA.

Le développement d’un banc de spectrométrie utilisable sur site (détecteur CdTe) avec ses algorithmes de correction de spectres pour la mesure des faisceaux de rayons X, a ouvert de nombreuses collaborations entre le LNE-LNHB et des partenaires des milieux médical ou industriel.

Cet approfondissement dans la connaissance des spectres d'émission photonique permettra de mieux caractériser les grandeurs dosimétriques de référence dans différents domaines tels que la curiethérapie, la thérapie de contact et les applications industrielle et de diagnostic médical des rayons X. Il deviendra alors possible de comparer directement les faisceaux secondaires des utilisateurs aux faisceaux primaires du LNHB.

Constituant une approche novatrice, l'acquisition de cette méthode de caractérisation permettra au laboratoire de renforcer sa connaissance au niveau international, notamment par son implication dans la normalisation.

Partenaires

  • L'équipe chargée de la ligne de lumière ID17 de l'ESRF;
  • Le groupe spectrométrie du LNE-LNHB/LMA

Publications et communications

DELOULE S., « Développement d’une méthode de caractérisation spectrale des faisceaux de photons d’énergies inférieures à 150 keV utilisés en dosimétrie », Mémoire de thèse, Université Paris-Sud, école doctorale MIPEGE (ED 534), 15 Octobre 2014.

DELOULE S, PLAGNARD J., DENOZIÈRE M., AUBINEAU-LANIÈCE I., «Determination of the efficiency of high purity germanium and silicon diode detectors for improved assessment of emission spectra delivered by medical X-ray tubes», X-Ray Spectrometry 2013, 42, 201-206 ; DOI: 10.1002/xrs.2471.

PLAGNARD J., «Comparison of measured and calculated spectra emitted by the X-ray tube used at the Gustave Roussy radiobiological service», X-ray Spectrometry 2014, 43, 298-304, DOI : 10.1002/xrs.2554

DELOULE S., PLAGNARD J., DENOZIÈRE M., AUBINEAU-LANIÈCE , «HPGe and Si-PiN characterization for measurement of continuous photonic emission (E < 50 keV) of medical X-ray tubes», European conference on X-ray spectrometry (EXRS) 2012, Vienne, Autriche, 18-22 juin 2012.

DELOULE S., PLAGNARD J., DENOZIERE M., AUBINEAU-LANIECE I. ET DAURES J., « Evaluation du spectre émis par un tube à rayons X : comparaison des résultats obtenus par calculs et spectrométrie », 5es Journées scientifiques francophones « Codes de calcul en radioprotection, radiophysique et dosimétrie » de la SFRP, Paris, France, 25-26 mars 2014.

La dosimétrie par Résonance Paramagnétique Électronique (RPE)/Alanine est maîtrisée dans la gamme dite des fortes doses (10² Gy - 10⁵ Gy). Abaisser la limite de détection aux doses de radiothérapie (jusqu'à 2 Gy) en conservant une faible incertitude est un nouveau défi que tentent de relever actuellement la plupart des laboratoires nationaux de métrologie. Le Laboratoire National Henri Becquerel (LNE-LNHB) a étudié les procédures de contrôle qualité pour la vérification de la dose délivrée à la tumeur avec les appareils de type « Arcthérapie » tel que le Cyberknife et de Tomothérapie et Gammaknife pour des tailles de champs d’irradiation atteignable avec des procédures d’étalonnage standard. Le passage aux conditions d’irradiation stéréotaxiques nécessite de reprendre les protocoles d’étalonnage et les procédures d’assurance qualité.

Objectifs

Mettre au point un protocole d’étalonnage et de vérification des doses délivrées pour les faisceaux de stéréotaxie et de RCMI volumique (GammaKnife et Arcthérapie) avec une incertitude type de mesure inférieure à 2 % (k=1) pour des doses comprises entre 2 et 50 Gy.

Résumé et premiers résultats

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Appareils de GammaKnife (à gauche) et d'Arcthérapie (à droite).

La dosimétrie par Résonance Paramagnétique Electronique (RPE)/Alanine est très bien maîtrisée dans la gamme des fortes doses (102 Gy - 105 Gy). Abaisser la limite de détection aux doses de radiothérapie (jusqu'à 2 Gy) en conservant une faible incertitude est un nouveau challenge que tentent de relever actuellement la plupart des laboratoires nationaux de métrologie. Le Laboratoire National Henri Becquerel (LNE-LNHB) a déjà étudié avec succès l'étalonnage et la vérification de la dose délivrée des appareils de Cyberknife et de Tomothérapie.

Cette étude a porté sur la vérification des faisceaux d’une technique évolutive de la RCMI, l’Arcthérapie et d’une technique de radiochirurgie stéréotaxique, le Leksell GammaKnife. Après avoir procédé à un état de l’art, des solutions ont été mises en œuvre afin de quantifier les écarts potentiels entre valeurs mesurées par dosimétrie RPE/Alanine et attendues ou mesurées par l’utilisateur à l’aide d’une chambre d’ionisation. La technique RPE/alanine  (voir figure 1) est une technique de mesure intéressante, car elle est indépendante de l’énergie et du débit de dose et elle a déjà démontré son efficacité pour la vérification de faisceaux de photons produits par des équipements de radiothérapie conventionnels et innovants.

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Installation de mesure RPE du LNE-LNHB.

Les résultats de mesure en Arcthérapie et avec le GammaKnife ont montré des écarts inférieurs à 2 %, entre les doses programmées par les TPS et les doses mesurées par RPE/Alanine pour un fantôme tête anthropomorphique. L’ incertitude relative sur les résultats de mesure RPE est inférieure à 1,5 %. Le débit de dose du GammaKnife a également été vérifié à l’aide de dosimètres alanine placés dans un fantôme sphère Plastique acrylonitrile butadiène styrène (ABS). Les résultats obtenus sont compatibles avec ceux obtenus à l’aide d’une chambre d’ionisation et du TPS de l’hôpital à k=1. Ces résultats sont très satisfaisants, ils ont permis de vérifier que les doses délivrées par les faisceaux d’Arcthérapie de l’hôpital Européen Georges-Pompidou et du GammaKnife utilisé à l’hôpital de la Pitié-Salpêtrière sont en accord avec le critère d’acceptabilité de 5 % entre la dose prescrite et la dose mesurée retenu par l’Agence Nationale de sécurité du Médicament (ANSM) pour le contrôle de qualité externe des installations de radiothérapie externe.

Impacts scientifiques et industriels

In fine, les dosimètres à l'alanine permettront l'étalonnage des appareils de radiothérapie récents dans des conditions de référence qui leur seront spécifiques. De plus, ils pourront servir dans le cadre de tests qualité "end-to-end". Cette étude est une approche dosimétrique originale qui va dans le sens de l'optimisation des soins apportés aux patients.

Publications et communications

HORNBECK A., GARCIA T., CUTTAT M. ET JENNY C.,Absolute calibration of the Gamma Knife® Perfexion™ and delivered dose verification using EPR/alanine dosimetry”, Medical Physics, 41, 2014, 061708, DOI: 10.1118/1.4873686.

Partenaires

  • Unité de physique, du département de radiothérapie de l’hôpital universitaire Pitié-Salpêtrière
  • Hôpital Européen Georges-Pompidou à Paris.