Résumé de la thèse

L'analyse isotopique des actinides est nécessaire pour le pilotage du cycle du combustible, le contrôle du traité de non-prolifération ou pour la surveillance environnementale. La précision de ces analyses peut être limitée par la performance du détecteur utilisé mais aussi par les incertitudes associées aux intensités d’émission disponibles dans les tables de données nucléaires. La désintégration des actinides est généralement suivie par d’intenses émissions de photons X et gamma dans la gamme d’énergie inférieure à 100 keV. Leur détection peut être intéressante pour l'analyse des actinides. Cependant, les techniques conventionnelles de mesure ne permettent pas de séparer correctement les raies des émissions concernées. Cette thèse a été consacrée à la mesure des intensités à l’aide d’un détecteur cryogénique. Ce dernier est basé sur un calorimètre métallique magnétique (MMC) qui permet de mesurer le dépôt d’énergie sous forme d’une élévation de température. Le MMC, appelé SMX3, comporte quatre pixels ; il est spécifiquement conçu pour la spectrométrie X et gamma de haute résolution dans la gamme d'énergie inférieure à 100 keV en vue de la mesure des intensités d’émission des actinides. Outre la haute résolution fournie par SMX3, due à son principe de fonctionnement, ce détecteur possède un rendement de détection constant et quasiment égal à 100% dans la gamme d'énergie inférieure à 25 keV, où les rayons XL des actinides sont émis. La courbe de rendement de SMX3 a été étalonnée par une méthode qui consiste en une mesure d’une seule source étalon d’Am-241 combinée à des simulations Monte Carlo. Les trois actinides Pu-238, Pu-239, et Cm-244 ont été mesurés afin de fournir des intensités absolues et relatives des émissions Li-Yj (avec Y=L,M,N,O,P i=1,2,3 et j=1..7). Grâce à la très haute résolution en énergie du MMC, les raies XL individuelles des actinides peuvent être séparées. Les raies satellites sont aussi détectées, leurs intensités relatives aux raies diagrammes dépendent de l’isotope en fonction des paramètres fondamentaux atomiques. Les intensités des raies XL individuelles ont pu être déterminées pour la première fois, notamment pour les transitions L₁-L₃. De plus, les intensités des régions XLi (i=1,2,3) ont été établies. Les intensités des groupes XL et XL globale sont comparées avec les calculs et les données expérimentales disponibles dans la littérature.

Mots clés

spectrométrie X, spéctrométrie gamma, actinide, calorimètre métallique magnétique, Monte-Carlo, bolomètre

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Résumé de la thèse

En France, les références associées à la fluence neutronique et aux grandeurs dosimétriques dérivées sont détenues par le Laboratoire de Métrologie, de micro-irradiation et de Dosimétrie des Neutrons (LMDN) de l’IRSN. Afin d’améliorer la définition des références en énergie et en fluence des champs neutroniques monoénergétiques de l’installation AMANDE, le LMDN s’est engagé dans le projet de développement d’un détecteur gazeux μTPC (microTime Projection Chamber) appelé LNE-IRSN-MIMAC en collaboration avec le LPSC. Dans une précédente thèse, la mesure de champs neutroniques entre 27 keV et 565 keV a été réalisée. L’objectif de ce travail de thèse est d’étendre la gamme de mesure au-delà de 1 MeV. Le choix du gaz, le développement d’une méthode d’analyse indépendante de l’utilisateur et la caractérisation du détecteur ont ainsi permis de valider la capacité du détecteur LNE-IRSN-MIMAC à réaliser des mesures dans des champs neutroniques monoénergétiques entre 250 keV et 6,5 MeV avec une précision de 3% en énergie et de 2,5% en fluence.

Mots clés

chambre à projection temporelle, spectromètre neutron, diffusion élastique, étalon primaire

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Résumé de la thèse

Les nouveaux matériaux de type chalcogénures (à base de S, Se, Te) font l’objet d’un intérêt croissant, non seulement pour les applications mémoires avancées, photonique et photovoltaïque, mais également autour des matériaux dichalcogénures innovants à base de métaux de transition (MoS₂, WS₂, ..). Les propriétés de ces matériaux, réalisés sous forme d’alliages binaires ou ternaires, avec ou sans dopage, dépendent fortement de leur composition, du profil de composition dans ces couches très fines, ainsi que des conditions de surface et d’interface (préparation, passivation). La maîtrise des propriétés de ces couches fines, déposées par voie chimique (CVD) ou par co-pulvérisation cathodique magnétron, doit s’appuyer sur des nouveaux protocoles de caractérisation aux incertitudes optimisées et compatibles avec un contrôle de fabrication en ligne. Dans cette thèse, nous présentons les performances de protocoles de métrologie spécifiquement développés pour l’analyse de couches minces de chalcogénures. Ces protocoles, qui s’appuient essentiellement sur les techniques non destructives de spectroscopie de photoélectrons (XPS) et de fluorescence X (XRF), ont été optimisés pour la caractérisation surfacique des couches ultrafines, l’analyse quantitative de la composition des matériaux complexes à base de tellure ou de soufre, et la mesure du profil de composition dans des couches et empilements < 50 nm. Dans un premier temps, nous présentons l’étude par XPS quasi in situ des propriétés de surface des matériaux Ge, Sb, Te ainsi que de leurs composés binaires et ternaires. Nous mettons en évidence l’évolution de la surface après remise à l’air puis vieillissement, et nous comparons l’efficacité de stratégies d’encapsulation in situ de couches minces à base de Te et Se. Nous démontrons ensuite les performances de protocoles d’analyses par XRF à dispersion de longueur d’onde (WDXRF) et XPS pour la quantification précise de la composition chimique de composés Ge-Sb-Te (de 1 à 200 nm) et de couches ultrafines de dichalcogénures à base de métaux de transition (MoS₂, WS₂). L’analyse combinée WDXRF/XPS permet de mesurer l’évolution avec la composition des facteurs de sensibilité relative des composantes Ge3d, Te4d et Sb4d, et par conséquent d’améliorer la précision de mesure par XPS de la composition des matériaux à changement de phase de type GexSbyTez. Nous soulignons également l’influence des effets de matrice sur la capacité de la WDXRF à l’analyse quantitative de l’azote dans des matériaux Ge-Sb-Te. Nous évaluons la possibilité d’un étalonnage de la WDXRF fondé sur des analyses par faisceaux d’ions spécifiques, ce qui permet in fine un suivi en ligne de couches GeSbTeN dans une fenêtre procédé donnée. Enfin, nous présentons deux stratégies de caractérisation non destructive du profil de composition dans des couches minces de chalcogénures. D’une part, nous démontrons que la combinaison des techniques de XRF en géométrie d'incidence rasante (GIXRF) et de réflectométrie X (XRR) permet une mise en évidence non ambiguë de faibles variations dans les procédés de dépôts, voire de phénomènes de diffusion dans des empilements de 10 nm d'épaisseur. L'utilisation de substrats multicouches en lieu et place du silicium permet d’optimiser la distribution en profondeur du champ d'ondes stationnaires, ce qui conduit à une amélioration nette de la sensibilité des stratégies XRR / GIXRF. D’autre part, nous montrons l’adéquation de protocoles fondés sur l’analyse XPS résolue en angle pour la caractérisation du profil de composition dans des couches nanométriques de GeTe et Ge₂Sb₂Te₅, ce qui permet une étude fine des premières étapes de dépôt de ces matériaux.

Mots clés

XRF, matériaux 2-D, mémoires, XPS, chalcogénures, métrologie des rayons-X

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Résumé de la thèse

La dosimétrie en réacteur permet de déterminer la fluence neutronique reçue pendant une irradiation et d’en caractériser le spectre (distribution énergétique des neutrons). Cette technique s’appuie sur la mesure de l’activité de dosimètres irradiés, constitués de métaux purs ou d’alliages. La mesure d’activité de ces échantillons est réalisée par spectrométrie gamma et X sur des rayonnements de faibles énergies (< 100 keV) et s’appuie actuellement sur un dosimètre étalon adapté et validé spécifiquement pour les conditions de mesure. Le but de la thèse est de s’affranchir de cette étape et de pouvoir mesurer directement l’activité des dosimètres. L’étude a concerné spécifiquement les dosimètres en niobium et en rhodium qui sont utilisés pour caractériser la signature des neutrons d’énergie autour de 1 MeV. Ils sont respectivement activés en Nb-93m et 1Rh-103m. Ces deux radionucléides se désintègrent par une transition gamma en émettant principalement des photons XK d’énergie autour de 20 keV, sur lesquels s’appuie la mesure d’activité en spectrométrie. Or, du fait de leur faible énergie, ces rayonnements présentent de nombreuses difficultés pour être analysés avec précision. Les différents paramètres nécessaires à la quantification de l’activité des dosimètres, avec une incertitude relative de l’ordre de 2 %, ont été étudiés en détails. Les travaux ont d’abord porté sur l’étalonnage en rendement des détecteurs au germanium hyper-pur (GeHP) dans la gamme d’énergie comprise entre 11 keV et 150 keV. Ceci constitue une étape cruciale dans la détermination de l’activité et s’avère délicate dans la gamme d’énergie considérée. L’approche expérimentale, utilisant des sources ponctuelles étalons, a été couplée à des modélisations semi-empiriques et à des simulations des interactions rayonnements-matière par des méthodes Monte Carlo (PENELOPE et GEANT4). Ces dernières ont permis d’approfondir l’étude du phénomène de diffusion des photons en basse énergie, aux alentours de 20 keV, qui interfère avec les pics d’absorption totale dans les spectres et perturbe leur analyse. Dans un second temps, les simulations de Monte Carlo ont également été utilisées pour établir les facteurs de corrections nécessaires à la mesure des dosimètres : auto-absorption du rayonnement dans le matériau et changement de géométrie entre les conditions d’étalonnage (source ponctuelle) et les conditions de mesure (échantillon métallique massif). Le phénomène de fluorescence lié à la présence d’impuretés (dans le matériau du dosimètre ou créées lors de l’irradiation en réacteur) a été étudié et les facteurs de corrections à appliquer pour en tenir compte ont été établis. Les données du schéma de désintégration, en particulier les intensités d'émission des rayons X, sont les principales composantes de l'incertitude sur la valeur d'activité des dosimètres. Les intensités d'émission X font rarement l'objet de mesures expérimentales, le plus souvent, leurs valeurs découlent du schéma de désintégration et des données fondamentales nucléaires et atomiques de l'élément tels les coefficients de conversion interne et le rendement de fluorescence. Plusieurs expériences ont été menées pour fournir de nouvelles données expérimentales. Les coefficients d’atténuation massique et les rendements de fluorescence K du niobium et du rhodium ont été déterminés en utilisant un rayonnement photonique monochromatique sur le synchrotron SOLEIL. Les intensités d’émission du Rh-103m ont été mesurées suivant deux approches, l’une à partir de rhodium activé au réacteur ISIS et l’autre à partir d’une solution de palladium-103. Toutes ces nouvelles valeurs sont comparées aux données publiées et le schéma de désintégration du Rh-103m est discuté.

Mots clés

mesure de radioactivité, spectrométrie X, spectrométrie gamma, dosimétrie en réacteur, simulation Monte Carlo, radioactivité,, neutron, niobium, rhodium

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Résumé de la thèse

La curiethérapie électronique, également appelée radiothérapie de contact, est une technique de traitement du cancer utilisant des rayons X de faible énergie (≤ 50 keV) générés par des tubes à rayons X miniaturisés et positionnés au contact des tissus à irradier. La miniaturisation des générateurs à rayons X a conduit au développement de nouveaux systèmes de traitement, dont le plus répandu dans le monde et le seul utilisé en France est le système INTRABEAM® commercialisé par la société Zeiss. Au-delà du bénéfice médical, les avantages potentiels de la curiethérapie électronique sont une diminution drastique de l'inconfort du patient combinée à un moindre coût de traitement. Ainsi, dans le cadre du cancer du sein qui correspond à l’application principale de l’INTRABEAM, cette technique remplace la trentaine de séances de radiothérapie externe classiquement prescrite suite à l’exérèse du volume tumoral par une seule et unique séance délivrée en 20 à 50 minutes au bloc opératoire directement après l’acte chirurgical alors que la patiente est encore sous anesthésie. Cette radiothérapie peropératoire (RTPO) associe au mini générateur de rayons X des applicateurs qui, en sénologie, correspondent à des sphères de différents diamètres conçues pour épouser au mieux la cavité tumorale résultant de l’exérèse. La dose délivrée en RTPO est classiquement de l'ordre de 20 Gy en surface du lit tumoral et diminue rapidement avec la profondeur afin de préserver les tissus sains voisins (< 1 Gy après quelques cm). En France, le 1er traitement par RTPO a eu lieu à Nantes fin 2011. Aujourd’hui, une dizaine de centres hospitaliers français propose des traitements par RTPO au moyen de la technique INTRABEAM®. Très rapidement, plusieurs physiciens médicaux ont exprimé au laboratoire français de métrologie de la dose (LNHB), leur besoin de raccordement dosimétrique à une référence indépendante du constructeur. Ce besoin a été réaffirmé par la Haute Autorité de Santé (HAS) dans un rapport sur l’évaluation de la RTPO dans le cancer du sein, édité en avril 2016. Le présent travail vise à renforcer la sécurité d’emploi d’appareils de RTPO par rayons X de basse énergie (< 50 keV). Cependant, afin de répondre aux physiciens médicaux français et du fait de contraintes temporelles, l’étude est ici limitée au système INTRABEAM associé au seul applicateur sphérique de 4 cm de diamètre. Le travail a été articulé autour de trois axes. Le premier a concerné l’établissement et le transfert d’une référence primaire en termes de dose absorbée dans l’eau à 1 cm de profondeur. La méthodologie a été développée et ensuite appliquée pour le système INTRABEAM® associé à un applicateur sphérique de 4 cm, pour lequel, la référence primaire a été réalisée. Le deuxième axe a eu pour objet la détermination de la distribution spatiale de dose autour de la source considérée par l’utilisation de gels dosimétriques et par calcul de type Monte Carlo. L’hydrogel à base de Fricke, utilisé ici, est lu par imagerie par résonance magnétique à l’hôpital d’Orsay. Ce gel a été étalonné en dose pour des photons d’énergie inférieure à 50 keV puis utilisé pour déterminer les profils de doses autour de la source INTRABEAM® associée à l’applicateur sphérique de 4 cm de diamètre dans les plans axial et transverse incluant le centre de la source INTRABEAM®. Quant au dernier axe, il s’est agi de confronter des données dosimétriques fournies par la société Zeiss, concernant l’INTRABEAM® en utilisation à l’hôpital St-Louis à Paris, à celles obtenues au cours de la présente étude pour le même système. Des différences significatives ont été trouvées entre les doses délivrées par Zeiss et celles obtenues dans la présente étude. Une étude indépendante menée par le PTB pour une autre configuration de source INTRABEAM® a conduit à des observations comparables. L’approche adoptée par Zeiss a ainsi été investiguée dans le présent travail et une cause de divergence a été proposée.

Mots clés

Radiothérapie de contact, Référence Primaire ; Curiethérapie électronique, Rayonnements X de basses énergies, Intrabeam, Axxent, Radiothérapie peropératoire, Dosimétrie, Rayonnements ionisants - Dosage.

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Résumé de la thèse

Les protocoles de traitement du cancer par Radiothérapie Conformationnelle par Modulation d'Intensité (RCMI) ciblent avec une précision de plus en plus grande la tumeur. Pour cela, ils nécessitent des informations anatomiques précises du patient juste avant le traitement, qui peuvent d'être obtenues à l'aide de systèmes d'imagerie embarqués sur l'accélérateur linéaire médical délivrant le faisceau de traitement. Ces systèmes, composés d'un tube à rayons X et d'un détecteur 2D planaire, sont appelés kV-Cone Beam CT (kV-CBCT). Aujourd'hui, leur usage est très fortement répandu dans le cadre des traitements par RCMI. Cependant, ces examens kV-CBCT sont responsables d'une dose de rayonnements ionisants additionnelle qui est loin d'être négligeable et pouvant d'être à l'origine de l'apparition d'effets secondaires, tels que des cancers radio-induits chez les patients traités. Au cours de cette thèse, un simulateur basé sur la méthode de Monte-Carlo a été développé permettant ainsi d'estimer avec précision les doses délivrées aux organes lors des examens d'imagerie kV-CBCT. Cet outil a ensuite été utilisé afin d'étudier différentes stratégies de prise en compte clinique de ces doses additionnelles. L'étude présentée dans ce manuscrit propose notamment une méthode rapide d'estimation des niveaux de doses délivrés aux organes prenant en compte la morphologie de chaque patient. Cette stratégie a été développée à partir d'une cohorte de 50 patients incluant 40 enfants et 10 adultes. Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'unité de physique médicale du Centre Eugène Marquis à Rennes qui a fourni les données cliniques nécessaires à l'étude.

Mots clés

simulation Monte-Carlo, tomographie, dose,  Méthode de Monte-Carlo, tomographie, irradiation à faible dose

À la demande des fabricants de dosimètres et des utilisateurs, le LNE-LNHB a proposé 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

Produire un 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.

Contexte

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.

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

 

Résultats et perspectives

La première étape du projet a consisté en la modélisation du cône égalisateur qui était utilisé sur l’installation DELPHES afin de pouvoir calculer les faisceaux de rayonnements obtenus lorsque ce dernier est fixé sur le TrueBeam, et notamment la distribution spectrale de la fluence selon l’angle d’incidence des photons sur l’axe du faisceau et en dehors de l’axe. En conclusion de la partie théorique de l’étude, les résultats obtenus sont similaires en termes d’énergie moyenne et de coefficients de conversion avec ceux obtenus sur l’installation DELPHES.

Ensuite, un ensemble de réalisations mécaniques préparatoires ont été menées afin de permettre l’installation de l’ensemble « cible-cône égalisateur » sur l'accélérateur TrueBeam. Puis plusieurs campagnes de mesures ont été menées au cours de ce projet. Il s’agissait dans un premier temps de caractériser la chambre d’ionisation et le faisceau. Une fois cela effectué, la mesure de la référence a pu être réalisée.

Le laboratoire a ensuite définit les étapes nécessaires à la réalisation de la référence nationale et au transfert de cette dernière à un utilisateur final. Les procédures de mesure primaire (établissement de la référence nationale), de transfert de la référence à un utilisateur final et de réalisation d’une comparaison international ont été rédigées et testées. Le bilan d’incertitude obtenu pour l’étalonnage d’un dosimètre de transfert est bien inférieur à celui proposé par nos homologues, la raison en est que notre référence est directement adossée à une mesure primaire ce qui n’est pas le cas de nos homologues qui doivent passer par une mesure de transfert « secondaire ».

L’ensemble du travail prévu a été réalisé. Cependant, l’installation du système de cible-filtre égalisateur n’est pas satisfaisante au regard du profil de faisceau mesuré qui est trop irrégulier ; une étude Monte Carlo est à prévoir pour préciser l’origine de la forme du profil et permettre de le corriger. La chambre d’ionisation SP004 ayant été endommagée lors d’expérimentation précédente, une requalification de son volume interne de collecte sera nécessaire. Une fois c’est deux dernières étapes terminées, la comparaison avec nos homologues pourra être organisée et les prestations pourront être reprises.

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 d’énergie inférieure à 300 keV, la connaissance de la distribution énergétique des photons émis par les sources constitue un paramètre qu'il est important de connaître. En effet, dans le cadre de la chaîne métrologique existant entre les Laboratoires Nationaux, les Laboratoires d'Étalonnage Accrédités et les utilisateurs, il est indispensable de s'assurer que les faisceaux utilisés par chaque laboratoire sont rigoureusement similaires.

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.

Contexte et résultats

Dans le cas d’un champ de rayonnement à énergie continue (spectre de tube à rayons X), la méthode classiquement utilisée pour caractériser le faisceau correspond à la détermination expérimentale de la valeur de la couche de demi-atténuation (CDA) au moyen de différents jeux de filtres additionnels. Malheureusement, cet indicateur associé à la haute tension du générateur est limité en matière de précision. Il n’est pas suffisant pour définir de manière univoque toutes les caractéristiques du faisceau. En effet, à une valeur de CDA et/ou d’énergie moyenne mesurée peuvent correspondre plusieurs faisceaux. De ce fait et pour lever toute ambiguïté, il s’est avéré important de pouvoir disposer d’une technique complémentaire, robuste et précise pour caractériser ces faisceaux.

C’est ainsi que le LNE-LNHB s’est orienté depuis 2010 vers la caractérisation de ses faisceaux à l’aide de bancs de mesure utilisant des détecteurs à semi-conducteur directement placés dans l’axe des faisceaux. Ce choix technique nécessite, d'une part, une bonne maîtrise de la mise en oeuvre des moyens de détection afin de limiter les perturbations issues des flux de photons importants à mesurer, et d'autre part, une grande expertise dans l’exploitation des spectres. Pour mener à bien ce type de mesure, des détecteurs étalonnés en énergie, en rendement de détection, en réponse spectrale, et présentant un bon comportement à forts taux de comptage sont nécessaires. Des méthodes complexes de traitement doivent être utilisées afin de corriger tous les phénomènes de diffusion et de déformation des spectres liés aux processus d’interaction des photons dans et au voisinage du détecteur. En pratique, il s’agit pour ces méthodes de déduire du spectre mesuré le spectre véritablement émis par la source de rayonnement.

A l’issue de ce travail de recherche et développement, le LNE-LNHB a mis en oeuvre tous les outils nécessaires à la mesure des spectres d’émission photonique de ses faisceaux de référence de rayonnements X. L’intégralité de la gamme d’énergie comprise entre 10 keV et 300 keV a été couverte et l’ensemble des faisceaux de référence du LNE-LNHB a été mesuré à l’aide d’un détecteur à semi-conducteur du type CdTe. Des algorithmes de correction des spectres mesurés ont été développés. Ils ont permis de corriger les zones déformées des spectres dues aux différents processus de détection et d’aboutir aux spectres réellement émis par les tubes à rayons X.

Ce procédé de mesure spectrométrique permet, in fine, de vérifier les émissions de rayonnement X des générateurs de rayonnement en offrant la possibilité de vérifier la haute tension (kVp), les raies X de fluorescence (anode ou autres composants), le domaine d’émission (seuil bas en énergie).

Les mesures des spectres ont permis de calculer les nouveaux termes correctifs appliqués aux mesures de courant réalisées avec les chambres à parois d’air. Cela a permis d’améliorer les références du LNE-LNHB en termes de débit de kerma dans l’air pour les faisceaux à émission continue ou en kerma dans l’air pour les faisceaux utilisés en imagerie médicale. Cette amélioration est particulièrement sensible pour la gamme des basses énergies (E < 50 keV) pour laquelle la forme du spectre dépend beaucoup des éléments absorbant le rayonnement dans le tube lui-même (évaporation de tungstène, vieillissement de l’anode, filtration interne).

La connaissance des spectres d’émission X a permis de calculer les coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection et adaptés aux faisceaux du laboratoire correspondant à la série N décrite dans la norme ISO4037-1. Un logiciel de calcul spécifique a été développé. Il permet de calculer ces coefficients à partir de n’importe quel spectre mesuré. Une étude spécifique sur les sources d’incertitude sur ces coefficients a été réalisée. Elle a permis d’abaisser les incertitudes, jusqu’à un facteur 20 pour certaine grandeur, ce qui est à comparer à l’incertitude forfaitaire de 2 % fournie dans la norme ISO4037-3.

Enfin, la compétence du LNE-LNHB à pouvoir mesurer les spectres émis par un tube à rayons X permet dorénavant de reproduire les faisceaux émis par un appareil dont les caractéristiques sont peu ou mal connues. C’est souvent le cas pour les appareils utilisés dans le domaine de l’imagerie médicale ou en radiothérapie de basse énergie. Ainsi le LNE-LNHB a déjà reproduit des faisceaux utilisés en cardiologie interventionnelle (projet Européen VERIDIC) où en radiothérapie de basse énergie (projet Européen PRISM-eBT). Ces nouveaux faisceaux non normalisés correspondent aux faisceaux réellement générés par les machines. De ce fait, les étalonnages réalisés à l’aide de ces faisceaux sont plus adaptés aux conditions réelles d’irradiation.

Dans cette optique et à très court terme, le LNE-LNHB se propose de reproduire les faisceaux utilisés sur les appareils de mammographie numérique afin d’améliorer la mesure de la dose délivrée aux patientes lors de ce type d’examen. Une collaboration avec l’hôpital George Pompidou est actuellement en cours de développement.

Impacts scientifiques et industriels

Le développement de la mesure des spectres d’émission des rayonnements X utilisés en dosimétrie, basée sur l’utilisation de détecteurs à semi-conducteur, correspond à une avancée significative dans la connaissance des faisceaux X de référence du LNE-LNHB. Les spectres ainsi mesurés et corrigés par les algorithmes développés par le laboratoire permettent une meilleure connaissance des spectres réellement émis par les installations du LNE-LNHB comparativement à ceux obtenus à l’aide de calculs déterministes ou de simulations Monte-Carlo, tel que pratiqué jusqu’à présent. Ce faisant, le LNE-LNHB anticipe l'évolution de la série de normes ISO 4037 (parues en 2019) qui introduit une caractérisation spectrométrique des champs de rayonnement à la place des indicateurs classiques (HV, CDA).

Les calculs des termes correctifs, affectés à chacune des chambres à parois d’air utilisées et permettant de définir le kerma dans l’air pour chacun des faisceaux, ne sont plus basés sur des spectres théoriques. Ils utilisent dorénavant les spectres réellement émis par les installations du LNE-LNHB, s’affranchissant ainsi de la méconnaissance du vieillissement des appareils ou de leur structure interne. Cela améliore la justesse des valeurs de référence et donc des étalonnages délivrés.

Il en va de même pour la détermination des coefficients de conversion du kerma dans l’air vers les grandeurs opérationnelles utilisées en radioprotection. L’utilisation des spectres réellement émis permet une détermination plus juste de ces coefficients ainsi qu’une précision accrue (inférieure à 1 % sur une large plage d’énergie supérieur à 30 keV). C’est l’un des axes d’amélioration qui a été réalisé dans le cadre de ce programme d’étude (les coefficients actuels sont fournis dans la norme ISO4037-3 avec une incertitude forfaitaire de 2 % à k=1).

Le développement du banc de spectrométrie portatif a conduit le LNE-LNHB à réaliser plusieurs mesures de spectres d’appareils de rayons X d’utilisateurs extérieurs au laboratoire dans différents domaines. Cela a permis, entre autre, de reproduire ces spectres au laboratoire et de proposer des faisceaux d’étalonnage adaptés aux besoins de recherche ou d’étalonnage des utilisateurs notamment pour le milieu médical.

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 LNE-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.

Contexte et Résultats

Contexte

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 Produit dose-surface

La recherche d’une mesure de dose en un point pour des faisceaux inférieurs à 2 cm de côté devient discutable au vu de la forme des profils de dose. Contrairement aux champs plus larges qui présentent une zone centrale relativement homogène, les profils en petits faisceaux ont une forme très pentue avec des gradients de dose importants. Dès lors peut se poser la question de la définition de la dose « en un point » en petits champs, où la dimension du détecteur utilisé est critique et va conditionner cette définition. L’approche proposée par le LNE-LNHB consiste à utiliser des dosimètres plus grands que la section du faisceau. Cette vision nécessite l’introduction d’une autre grandeur dosimétrique : le Produit Dose-Surface (« Dose Area Product » ou DAP en anglais), s’exprimant en Gy.cm². La surface d’intérêt du DAP est la surface sensible du dosimètre (disque de 30 mm de diamètre). Cette approche est illustrée sur la figure suivante avec des champs d’irradiation de 5 mm et 15 mm de côté.

Illustration PDS
A gauche, approche DAP, en opposition à l’approche classique de dose en un point, à droite.

 Résultats et perspectives

L’enjeu de ce projet était de progresser en direction de l'utilisation en clinique du produit dose-surface en mettant au point une procédure de transfert de cette référence reposant sur la conversion du produit dose-surface en dose en un point.


Pour cela, trois chambres d’ionisation plates de même surface sensible que le calorimètre graphite de grande section du LNE-LNHB ont été construites, et leur coefficient d’étalonnage en terme de produit dose-surface a été établi, à partir de mesures calorimétriques dans le faisceau de photons de 6 MV FFF de l’accélérateur TrueBeam de la plateforme Doseo pour un ensemble de petits champs circulaires et carrés, avec une incertitude-type inférieure à 0.7 %. Les trois chambres présentent le même comportement, leur coefficient d’étalonnage est indépendant de la forme et augmente légèrement avec la taille de champ de façon linéaire, de l’ordre de 1.7 % en moyenne.
 

La conversion du produit dose-surface en dose en un point repose sur la détermination du facteur de correction de profil kprof. Ce facteur peut être calculé à partir de mesures de profils à une dimension ou à partir d’une cartographie à deux dimensions de la distribution de dose absorbée du faisceau. Dans le premier cas, un ensemble de détecteurs couramment utilisés pour la mesure de profils en petits champs (microdiamant et diodes) a été utilisé. Pour le second cas, le LNE-LNHB a développé un nouveau système de lecture des films radiochromiques avec des performances largement supérieures à celles des scanners photographiques utilisés habituellement.


La comparaison des FOC obtenus selon les différentes approches a montré une grande disparité entre l’approche classique et l’approche de dose absorbée en un point déduite du DAP. Les deux approches sont incompatibles, même en tenant compte des incertitudes connues. Cette incompatibilité est essentiellement expliquée par la très grande sensibilité de la correction de profil kprof à la qualité de mesure des profils, aussi bien à une qu’à deux dimensions. Ainsi, l’ensemble des détecteurs ponctuels utilisés pour déterminer ce facteur de correction renvoit une mesure de profils différente, et ce d’autant plus que le champ est très petit, sans qu’il soit possible d’établir la justesse d’un détecteur plutôt qu’un autre. En considérant l’absence de détecteur ponctuel adapté, la variabilité intra/inter-détecteurs et l’approximation résultante de l’information partielle obtenue avec les profils, il semble inadéquat d’utiliser les mesures à une dimension pour le calcul de la correction de profil. Les films radiochromiques, associés au nouveau système de lecture mis au point au cours de ce projet, se présentent comme le dosimètre idéal avec la mesure directe d’une cartographie à deux dimensions permettant de calculer de façon explicite la correction de profil. Néanmoins, la contribution additionnelle du rayonnement diffusé hors de l’axe du faisceau et le comportement mal connu du film aux très faibles doses, largement mises en jeu ici, ont montré les limites d’utilisation de ce dosimètre pour cette application.


Afin de profiter pleinement des références primaires établies en terme de produit dose-surface, la solution est de pouvoir directement intégrer et exploiter cette grandeur dans les TPS pour les FOC. L’incertitude en serait considérablement réduite par rapport à l’approche classique, en supprimant d’une part l’incertitude liée au centrage du détecteur, et en s’affranchissant d’autre part de l’utilisation de facteurs de correction dont la mise en oeuvre est discutable et les incertitudes associées sujettes à caution.

Impacts scientifiques et industriels

Ce projet vise à faire évoluer la chaîne de traçabilité métrologique pour les doses administrées aux patients en radiothérapie externe. 

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.

Jurczak J, Rapp B, Dufreneix S, Gouriou J, Delaunay F, Bordy J-M. 84 Towards a new dosimetry reference quantity for stereotactic radiotherapy: The dose area product. Phys Medica Eur J Med Phys 2019;68:51.

Jurczak J, Rapp B, Delaunay F, Gouriou J, Dufreneix S, Bordy J-M. Dose Area Product primary standards established by grahite calorimetry at the LNE-LNHB for small radiation fields in radiotherapy. Physica Medica. Acceptée.

Jurczak J, Produit dose-surface pour la radiothérapie : application aux protocoles de traitements stéréotaxiques, Thèse de doctorat de l'université Paris-Saclay (2022).

Partenaires

Le CEA a soutenu 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.