Laboratoire d'accueil: Laboratoire de dosimétrie des rayonnements ionisants (LDRI)

Date de début de thèse: 01/10/2009

Nom du doctorant: Rima Sayah

Lors de traitements par la technique de proton thérapie, les protons incidents induisent des réactions nucléaires dans les matériaux constituant l'accélérateur, la salle et le patient lui-même.
Ces réactions génèrent un champ de radiation secondaire, constitué principalement de neutrons, qui contribue à délivrer une dose additionnelle au patient traité.
Cette technique de radiothérapie est mise en oeuvre pour le traitement de certaines tumeurs ophtalmologiques, intracrâniennes et prostatiques. L'énergie des protons nécessaire au traitement est voisine de 70 MeV dans le premier cas et de 200 MeV dans les autres. Cependant, afin d'uniformiser le dépôt de la dose sur la profondeur de la tumeur, l'énergie des protons incidents doit être modulée. Deux techniques de modulation existent: la modulation dite passive pour laquelle des épaisseurs variables de matière interceptent le faisceau en amont du patient, au moyen d'un modulateur rotatif, et la technique dite active ou spot scanning correspondant à une variation de l'énergie du faisceau en direct, sans introduction de matière.
Les niveaux de doses dus aux neutrons secondaires publiés dans la littérature dépendent principalement de l'énergie de traitement, de la technique de modulation, de la taille de champ, et de la distance à la zone traitée. Pour les traitements ophtalmologiques peu de données existent.
Agosteo et al. (1998) ont évalué un maximum de 0.1 mGy/Gy reçu au niveau du nerf optique du côté traité. Concernant les niveaux de doses secondaires évalués pour des énergies supérieures à 150 MeV (traitements intracrâniens ou prostatiques), les équivalents de dose dus aux neutrons sont compris entre 0.5 et 20 mSv/Gy (Schneider et al., 2002; Polf et al., 2005; Zheng et al., 2007, 2008). Binns et Hough (1997) du National Accelerator Center en Afrique du Sud ont mesuré des équivalents de dose dus aux neutrons pouvant atteindre 80 mSv/Gy.
Dans ce contexte, le Laboratoire de Dosimétrie des Rayonnements Ionisant (LDRI) de l'IRSN, en collaboration avec le Centre de Proton thérapie de l'Institut Curie à Orsay (lCPO), s'intéresse à cette problématique. Depuis l'année 2006 des études sont en cours dans le cadre d'une thèse (M. F. Martinetti) pour le cas des traitements ophtalmologiques.
L'ICPO dispose de deux salles d'irradiation, dites YI et Y2, la première étant réservée aux traitements intracrâniens à 200 MeV et la seconde dédiée à la fois aux traitements intracrâniens à 200 MeV et à ceux du mélanome oculaire à une énergie incidente de 75 MeV. Le travail de thèse en cours est axé sur la problématique des champs de neutrons secondaires générés dans la salle Y2 à 75 MeV. Un modèle Monte Carlo du faisceau de protons, de la ligne d'irradiation et de la salle de traitement a été développé au moyen du code MCNPX (Pelowitz, 2005). Il a été validé expérimentalement par comparaison avec les distributions de la dose déposée par les protons dans un fantôme de référence (Martinetti et al., 2009) et avec les débits de l'équivalent de dose ambiant, W(10), associés aux neutrons en divers points de la salle. Des comparaisons avec des mesures de la dose déposée dans un fantôme anthropomorphe de type RANDO Alderson sont en cours.
Dès l'issue de ces dernières validations, les doses dues au rayonnement secondaire dans divers organes du patient seront évaluées par l'introduction dans le modèle d'un fantôme dit voxel (Zankl el 01., Z007) utilisé comme référence dans la publication 103 de la Commission internationale de protection radiologique (ICRP, Z007).
Pour le sujet de la thèse, il est proposé d'étendre aux traitements intracrâniens les études engagées dans le cas du mélanome oculaire. Les deux salles de traitement Y1 et YZ de l'ICPO utilisent l'énergie de ZOO MeV pour les traitements intracrâniens. Il convient de noter que plus de 30% de ces irradiations sont des traitements pédiatriques, ce qui soulève le problème du risque de développement d'un second cancer radio·induit chez l'enfant à distance de la zone traitée.
Certaines études se sont intéressées à cette problématique et montrent que les doses dues aux neutrons et reçues au niveau des organes sont principalement dépendantes de l'âge et de la taille des patients: plus les patients sont jeunes, plus les doses secondaires additionnelles aux organes sont élevées, ce qui accroît le risque de développement d'un second cancer à long terme (Schneider et 01., Xu et al., Zacharatou et al., Z008). Il convient de noter également que le choix des grandeurs dosimétriques (dose déposée ou équivalent de dose aux organes) adaptées pour évaluer les risques de second cancer dus aux neutrons fait l'objet de controverses (Xu et al., Z008).
Par ailleurs, un nouvel accélérateur, fabriqué par la société IBA, est en cours d'installation à l'ICPO. Il remplacera le synchro·cyclotron actuel pour fournir les faisceaux dans les salles Y1 et YZ, et sera associé à la construction d'une nouvelle salle de traitement à ZOO MeV, conçue par la même société, présentant l'intérêt d'être équipée d'un bras d'irradiation isocentrique. La mise en route de ces nouvelles installations est prévue au début de l'année Z010.
L'objectif principal de la thèse est d'aboutir, pour le cas des traitements intracrâniens à ZOO MeV, à l'estimation des doses dues aux neutrons secondaires reçues par le patient, ainsi qu'à l'évaluation des risques d'incidence de second cancer. L'intérêt se portera plus particulièrement sur les traitements pédiatriques.
Le travail de thèse, qui sera mené en étroite collaboration avec l'Institut Curie, comportera plusieurs étapes:

• Etablir une synthèse bibliographique complète des données existantes sur le sujet;
• Prise en main du code Monte Carlo MCNPX ;
• Extension à ZOO MeV du modèle Monte Carlo de la ligne Y2 développé par F. Martinetti à 75 MeV;
• Exploitation du modèle Monte Carlo de la ligne Y1 (disponible à l'ICPO et utilisé pour la planification des traitements) pour le calcul des doses secondaires;
• Exploitation du modèle de ligne du bras isocentrique (développé par IBA et utilisé pour la planification des traitements) pour le calcul des doses secondaires;
• Définition et réalisation de l'ensemble des mesures nécessaires à la validation de chacun des modèles;
• Inclusion des fantômes numériques voxel dans chacun des modèles;
• Choix et évaluation des grandeurs dosimétriques adaptées pour l'évaluation du risque de développement de second cancer.