BE1013614A3

BE1013614A3 - Appareil de determination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantome.

Info

Publication number: BE1013614A3
Application number: BE9800591A
Authority: BE
Inventors: Toru Kan; Hideki Nonaka
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries
Priority date: 1997-08-11
Filing date: 1998-08-06
Publication date: 2002-05-07
Also published as: JPH1164530A; US6207952B1; JP3203211B2

Abstract

Un capteur (46) est inséré dans un réservoir d'eau (52) fermé rempli d'eau à ras bord et le réservoir d'eau fermé est fixé directement à une section d'irradiation (120) d'un faisceau de rayonnement et le capteur (46) se déplace librement par rapport à un cadre (54) monté utilisé pour la fixation. Dès lors, une prévision rapide et précise de la distribution réelle de la dose du faisceau de rayonnement peut être réalisée avant la thérapie par rayonnement, même lorsque la section d'irradiation est attachée à une structure rotative.

Description


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   DESCRIPTION APPAREIL DE DETERMINATION DE LA DISTRIBUTION DANS
L'EAU D'UNE DOSE DE TYPE FANTOME 
 EMI1.1 
 Arrière-plan de l'invention   1.   Domaine de l'invention 
Cette invention concerne un appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme, en particulier un appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme permettant une détermination rapide et précise de la distribution de la dose dans l'eau, qui est utilisé de manière appropriée pour prédire à l'avance la distribution de la dose du faisceau de rayonnement avant que la thérapie par irradiation dépendant de l'utilisation d'un appareil de traitement par irradiation par protons ou similaire ne soit entreprise. 



   2. Description de l'état antérieur de la technique 
La thérapie conventionnelle du cancer basée sur l'irradiation par des rayons actifs fait appel aux rayons X, rayons gamma, faisceaux d'électrons, faisceaux de neutrons rapides, etc. Ces rayons actifs, comme montré à la figure 6, sont les plus puissants à des sites proches de la surface d'un patient, et peuvent donc infliger des dommages aux tissus normaux proches de la surface du corps lorsque ces rayonnements sont dirigés vers un cancer dans une partie plus profonde du corps.

   A ce sujet, un proton ou une particule, qui se 

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 forme lorsqu'on a enlevé son électron à un atome d'hydrogène, a une charge positive et a une masse qui est 1836 fois celle de l'électron, peut être accéléré sous application d'un champ énergétique élevé par un accélérateur pour donner un faisceau de protons. Le faisceau de protons est caractérisé par ce qu'il a un pic de dose maximum ou pic de Bragg P à une certaine profondeur de la surface du corps, pour décliner ensuite rapidement vers zéro. 



   La raison en est que, comme la force électrique qu'un proton exerce sur les électrons est d'autant plus grande qu'il est plus proche de ceux-ci, lorsque le proton a une énergie cinétique élevée et se déplace à vitesse élevée, le temps disponible pour le proton pour interagir avec les électrons avoisinants est court, et l'ionisation est faible en magnitude, mais, lorsqu'il perd son énergie cinétique pour marquer pratiquement un arrêt, le temps d'interaction devient long et l'ionisation augmente rapidement en magnitude. 



   Grâce à cette nature propre aux protons, il est possible d'appliquer des faisceaux de protons à la thérapie du cancer maintenant les cellules normales autres qu'un cancer comparativement exemptes de dommages, même si le cancer réside dans une partie plus profonde du corps. De plus, lorsque l'effet biologique dû au rayonnement (EBR) d'un faisceau de protons est pratiquement égal à celui de rayons X, la thérapie par faisceau de protons est avantageuse en ceci qu'elle peut profiter au maximum des connaissances et de l'expérience accumulées dans le domaine de la thérapie d'irradiation classique par rayons X. Avec ces caractéristiques, l'appareil de thérapie par irradiation avec des protons est introduit comme moyen thérapeutique pour traiter un cancer sans enlever d'organes fonctionnels ni diminuer la qualité de la vie. 



   Dans la thérapie du cancer par irradiation, il est idéal de concentrer une dose létale de rayons actifs sur le cancer uniquement, sans infliger de dommages irréversibles aux tissus normaux avoisinants. La thérapie d'irradiation par protons, comme montré à la figure 6, exploite la caractéristique propre aux protons qu'un faisceau 

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 de protons arrivant sur une substance donne la dose maximum ou pic de Bragg P juste avant de cesser de se déplacer. A savoir la thérapie en question vise à atteindre cet idéal en couvrant uniquement la lésion cancéreuse avec ce pic de Bragg. 



   A ce sujet, les protons obtenus à l'aide d'un accélérateur sont sous la forme d'un faisceau élancé, dont l'énergie est constante (la profondeur du pic de Bragg est donc constante). D'un autre côté, les lésions cancéreuses varient en taille et ont des formes complexes et leurs profondeurs dans le corps ne sont pas constantes. De plus, la densité des tissus qu'un faisceau de protons doit traverser n'est pas constante non plus.

   Par conséquent, pour obtenir une énergie de rayonnement efficace, il est nécessaire   (l)   d'élargir le faisceau de protons pour avoir une largeur suffisante pour couvrir entièrement la lésion cancéreuse en une séance d'irradiation ; (2) d'ajuster l'énergie du faisceau en fonction de la profondeur de la lésion ; (3) de donner une distribution en profondeur suffisante d'énergie, de sorte que l'entièreté de la lésion cancéreuse ayant une certaine profondeur puisse subir une irradiation uniforme ; et (4) de faire des corrections en fonction des irrégularités de contour de la lésion et de la densité des tissus que le faisceau de protons doit traverser. 



   Afin de répondre à ces exigences, un dispositif tel que montré à la figure 7 est procuré, pour lequel un champ d'irradiation est formé conformément à la forme de la lésion à irradier. De manière plus spécifique, un faisceau de protons élancé 20 transmis à une section d'irradiation traverse un corps diffuseur 22 en plomb d'une épaisseur de plusieurs millimètres pour être converti un faisceau large 24 s'étendant transversalement. Le faisceau large 24, qui s'élargit suivant un cône ayant son sommet au corps diffuseur 22, comporte une partie, capturée par un collimateur décrit plus bas, qui est proche de l'axe central et comparativement uniforme en ce qui concerne la distribution de la dose.

   Ce faisceau donne un champ d'irradiation d'environ dix plus plusieurs centimètres en diamètre nécessaire pour la thérapie sur une plate-forme thérapeutique située plus bas (non illustrée ici). 

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   Le faisceau élargi 24 arrive sur un dégradateur fin 26, qui ajuste la profondeur maximum accessible en fonction de la profondeur d'une lésion à traiter (par exemple une tumeur 12 dans le corps 10 du patient). Le dégradateur fin 26 est constitué, par exemple, de deux blocs acryliques en forme de coin 26a et 26b placés l'un en face de l'autre et l'ajustement du recouvrement des deux blocs 26a et 26b permet une modification continue de l'épaisseur que le faisceau de protons doit traverser. Le faisceau de protons perd de l'énergie en fonction de l'épaisseur qu'il doit traverser et donc la profondeur qu'il peut atteindre varie en fonction de celle-là. Donc, le réglage au moyen de ce dégradateur fin 26 permet au pic de Bragg P montré à la figure 6 de tomber à la même profondeur que celle où se trouve la tumeur qui rend la thérapie nécessaire. 



   Le faisceau de protons, après avoir traversé le, dégradateur fin 26, arrive sur un filtre réseau 28, qui est introduit pour conférer au faisceau de protons une distribution énergétique en profondeur AP fonction de l'épaisseur de la tumeur 12. Le filtre réseau 28 est constitué de tiges métalliques placées en parallèle comme une série d'échelons ayant chacun une épaisseur différente. Les faisceaux de protons traversant les tiges métalliques de différentes épaisseurs ont des pics de Bragg P à différentes profondeurs. Donc, l'élargissement de la plage de pics ou AP peut être réalisé en ajustant la largeur et la hauteur de ces"échelons"pour donner des recouvrements appropriés. 



   Le faisceau de protons, après avoir traversé le filtre réseau 28, arrive sur un bloc collimateur 30, qui ajuste grossièrement la forme planaire du faisceau de protons. La raison pour laquelle le bloc collimateur 30 est introduit ici pour le réglage de la forme du faisceau en plus du collimateur final décrit plus loin est d'empêcher le rayonnement secondaire dû au bloc collimateur de se produire près du corps du patient. 



   Le faisceau de protons, après avoir traversé le bloc collimateur 30, arrive sur un bol 32 ou un filtre en résine de forme 

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 irrégulière, par exemple, et reçoit des corrections fonction de la forme de la section transversale de la tumeur 12 à la profondeur maximale et des irrégularités des tissus impliqués. La forme du bol 32 est déterminée sur la base des densités d'électrons des tissus avoisinants déterminées à partir du contour de la tumeur 12 et, par exemple, des données de tomographie par ordinateur de rayons X de cette tumeur. 



   Le faisceau de protons, après avoir traversé le bol 32, arrive sur un collimateur final 34, fabriqué en laiton par exemple, et reçoit une correction finale fonction du contour de la forme planaire de la tumeur 12 et atteint le patient 10 en tant que faisceau de protons thérapeutique 36. 



   Avant le traitement, premièrement, afin de contrôler que le champ d'irradiation est formé comme il a été conçu à l'origine, il est nécessaire de prédire la distribution réelle de la dose à l'aide d'un appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme tel que montré à la figure 8, lequel comprend un réservoir d'eau 42 équipé d'un capteur 46 et rempli d'eau 44 afin de simuler l'absorption des rayons actifs par le corps humain. 



   L'appareil conventionnel de thérapie par irradiation à l'aide de protons est basé sur un rayonnement statique horizontal ou vertical et, lorsque le dispositif entier incluant la section d'irradiation 120 est fixé de manière rigide, le positionnement du dispositif est déterminé manuellement chaque fois que l'expérience est effectuée : le réservoir d'eau 42 est ouvert à sa partie supérieure et est placé sur le lit de traitement ou est placé sur un chariot sur roues 48. 



   Avec le dispositif conventionnel, cependant, il est compliqué d'effectuer un positionnement correct et de maintenir correctement le niveau de l'eau 44 et de l'eau peut également être répandue pendant le transport du réservoir d'eau, provoquant une modification du niveau de l'eau. Lorsque le dispositif de thérapie par irradiation est utilisé pour un traitement réel, il sera probablement utilisé à la fréquence d'une fois toutes les 20 minutes. Donc, vérifier 

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 la distribution de la dose au moyen d'un appareil déterminant la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme doit se faire rapidement. De plus, lorsque le dispositif est manipulé par un médecin ou un technicien radiologue au lieu d'un ingénieur, il ne doit pas requérir de technique spéciale et sa manipulation doit être aisée.

   Avec la section d'irradiation 120 telle que montrée à la figure 1 (non révélée publiquement), que la demanderesse a conçue afin d'irradier au moyen un faisceau de protons de forme appropriée, la section d'irradiation 120 est montée sur une chambre d'irradiation tournante (à désigner comme une structure) qui peut tourner autour d'un lit de traitement 200, sur lequel un patient est fixé et la section d'irradiation tourne de 360 autour du patient pendant le fonctionnement. Donc, comme le montre la ligne brisée de la figure 8, l'angle d'incidence   (D   du faisceau de protons par rapport à la surface de l'eau 44 dans le réservoir d'eau 42 varie durant la rotation, mais le dispositif doit être construit de façon à ne pas permettre que ces angles modifiés affectent les résultats des mesures de distribution de la dose. 
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  Résumé de l'invention 
Cette invention vise à procurer un appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme respectant les exigences ci-dessus et appliqué de manière appropriée à un appareil de thérapie par irradiation par protons pour usage médical. 



   Cette invention résout le problème ci-dessus en procurant un appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme pour la détermination de la distribution de la dose dans l'eau d'un faisceau de rayonnement irradiant à partir de la section d'irradiation d'un faisceau de rayonnement utilisant un capteur placé dans l'eau, lequel comprend : un réservoir d'eau fermé rempli d'eau à ras bord et contenant le capteur en son sein ; un moyen de montage pour attacher le réservoir d'eau fermé à la section d'irradiation du faisceau de rayonnement ; et un moyen de déplacement pour déplacer au moins le capteur par rapport au moyen de montage. 

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   Le moyen de montage peut déplacer le capteur en même temps que le réservoir d'eau fermé dans la direction perpendiculaire à la direction de rayonnement du faisceau de rayonnement, tandis qu'il déplace seulement le capteur dans des directions parallèles à la direction de rayonnement du faisceau de rayonnement. 



   Conformément à cette invention, il est possible de déterminer rapidement et aisément la distribution de la dose du faisceau de rayonnement avant le traitement. En particulier, lorsqu'on emploie le réservoir d'eau fermé rempli d'eau, la distance entre la surface de l'eau et la position du capteur reste constante même lorsque la section d'irradiation du faisceau de rayonnement est montée sur une structure tournante et mise en rotation pour répondre à une condition réelle d'irradiation, et il est donc possible de déterminer avec précision la distribution de la dose conformément à la lésion d'un patient à traiter. De plus, il n'y a pas d'épanchement d'eau lorsqu'on déplace le réservoir d'eau ; le niveau de l'eau reste dès lors constant ; et aucune surveillance de la surface de l'eau n'est nécessaire.

   De plus, l'appareil est avantageux en ceci qu'il est facile à attacher à la section d'irradiation du faisceau de rayonnement et à détacher de celle-ci et il est donc simple à manipuler. 



   Brève description des dessins 
Les formes de réalisation préférées seront décrites cidessous avec référence aux dessins, dans lesquels des éléments similaires portent des chiffres de références semblables dans l'ensemble des figures et dans lesquels : la figure 1 est une vue en perspective illustrant comment la section d'irradiation du faisceau de rayonnement, à laquelle est attaché l'appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme, est montée sur la structure rotative ; 

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 la figure 2 est une vue frontale illustrant comment une forme de réalisation de cette invention est attachée à l'extrémité de la section d'irradiation du faisceau de rayonnement ; la figure 3 est une vue frontale agrandie de l'appareil de détermination de la distribution de la dose de la forme de réalisation ci-dessus ;

   la figure 4 est une vue latérale agrandie du même appareil ; la figure 5 est une vue en coupe transversale du même appareil ; la figure 6 donne des graphiques expliquant le principe sous-jacent à la thérapie par irradiation par protons ; la figure 7 est une vue en perspective illustrant le principe sous-jacent à la formation d'un champ d'irradiation dans la thérapie par irradiation par protons ; la figure 8 est une vue en coupe transversale illustrant la composition d'un appareil classique de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme et les problèmes inhérents à celui-ci. 
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  Description des formes de réalisation préférées 
Des formes de réalisation de cette invention seront détaillées ci-dessous avec référence aux figures qui sont appliquées à un appareil de thérapie par irradiation par protons ayant une structure rotative 100, une section d'irradiation 120 d'un faisceau de protons 36 pouvant tourner autour d'un lit de traitement 200 tel que montré à la figure 1. 

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   A la figure 1, 150 représente une chambre de préparation prévue devant la structure rotative 100 ; et 160 un mécanisme d'entraînement d'un lit afin de déplacer le lit 200 librement suivant six axes (x, y et z et   Ox, Oy   et   Oz)   de la chambre de préparation 150 vers la structure rotative 100. 



   La figure 2 montre comment un appareil 50 de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme de cette forme de réalisation comprend un réservoir d'eau cylindrique fermé 52 rempli d'eau à ras bord et recevant un capteur 46 inséré par le fond ; un cadre de montage 54 afin d'attacher le réservoir d'eau fermé 52 à la section d'irradiation 120 ;

   et un mécanisme de déplacement 60 qui déplace le capteur 46 en même temps que le réservoir d'eau fermé 52 par rapport au cadre de montage 54 dans des directions perpendiculaires à la direction de rayonnement du faisceau de protons 36 (directions latérales et directions perpendiculaires à la surface de la figure 2) et déplace uniquement le capteur 46 dans le réservoir d'eau fermé 52 dans des directions parallèles à la direction de rayonnement du faisceau de protons 36 (directions vers le haut et vers le bas de la figure 2). 



   Comme montré en détail à la figure 3, le cadre de montage 54 possède des broches de positionnement 56, qui établissent un positionnement correct en pénétrant dans des trous (non illustrés à la figure 3) prévus sur la surface de montage de la section d'irradiation 120, et des leviers à effleurement 58, par exemple, au nombre de quatre, qui fixent le cadre de montage 54 à la section d'irradiation 120 par serrage au cours d'opérations simples à sens unique. 



   Comme montré en détail aux figures 3 à 5, le mécanisme de déplacement 60 comprend un dispositif 62 de déplacement suivant la direction X afin de transporter un cadre 64 mobile dans la direction X le long de l'axe X (directions latérales de la figure 3) par rapport au cadre de montage 54 ; un dispositif 72 de déplacement suivant la direction Y afin de transporter un cadre 80 mobile dans la direction Y le long de l'axe Y (directions perpendiculaires à la surface de la figure 

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 3) par rapport au cadre 64 mobile dans la direction X et un dispositif 90 de déplacement suivant la direction Z afin de transporter le capteur 46 de la surface du fond du réservoir d'eau fermé 52 attaché au cadre 80 mobile dans la direction Y jusqu'à une profondeur spécifiée (par exemple jusqu'au même niveau que la position de l'isocentre). 



   Comme montré en détail à la figure 3, le dispositif 62 de déplacement suivant la direction X possède un moteur électrique 65 contenant, par exemple, un ralentisseur et, fixé au cadre de montage 54, une vis d'avance 66 qui est entraînée en rotation par le moteur électrique 65 ; et un écrou 68 pour déplacer le long de l'axe X le cadre 64 mobile dans la direction X en l'engageant avec la vis d'avance 66. 



   Comme montré en détail à la figure 4, le dispositif 72 de déplacement suivant la direction Y possède un moteur électrique 74 fixé au cadre 64 mobile dans la direction X et contenant, par exemple, un ralentisseur, une vis d'avance 76 qui est entraînée en rotation par le moteur électrique 74 et un écrou 78 qui déplace le long de l'axe Y le cadre 80 mobile dans la direction Y en l'engageant avec la vis d'avance 76. 



   Comme montré en détail à la figure 4, le dispositif 90 de déplacement suivant la direction Z possède un moteur électrique 92 fixé au cadre 80 mobile dans la direction Y et contenant, par exemple, un ralentisseur, une vis d'avance 94, qui est entraînée en rotation par le moteur électrique 92 ; et un écrou 96 pour déplacer le capteur 46 dans la direction de l'axe Z en l'engageant avec la vis d'avance   94.   



   A la figure 3,98 représente un vérin pour régler le volume d'eau dans le réservoir d'eau fermé 52, qui varie en fonction de la profondeur à laquelle le. réservoir est déplacé le long de l'axe Z. 



   Avant la mesure de distribution de la dose, le cadre de montage 54 est positionné correctement par rapport à la section d'irradiation 120 au moyen des broches de positionnement 56 et 

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 ensuite le cadre de montage 54 est attaché à la section d'irradiation
120 par le travail des leviers à effleurement 58. 



   Ensuite, les moteurs électriques 64,74 et 92 d'entraînement des dispositifs respectifs 62,72 et 90 de déplacement suivant les axes X, Y et Z sont mis en rotation afin de déplacer le capteur 46 aux positions désirées et la mesure de distribution de la dose est entreprise. 



   Dans cette forme de réalisation, grâce aux broches de positionnement 56, le cadre de montage 54 peut être attaché avec précision à la section d'irradiation 120 et on peut donc obtenir des résultats hautement reproductibles. 



   De plus, comme le cadre de montage 54 est fixé à la section d'irradiation 120 par le travail de leviers à effleurement 58, attacher le cadre de montage 54 à la section d'irradiation 120 et   l'en   détacher est facile à réaliser. 



   De plus encore, comme le capteur 46 peut être déplacé librement jusqu'à une profondeur désirée dans le réservoir d'eau fermé 52 au moyen du dispositif 90 de déplacement suivant l'axe Z, il est assez facile de modifier la distance entre la surface de l'eau et le capteur, ou la distance correspondant à celle-ci depuis la surface du corps d'un patient jusqu'à la lésion à traiter de celui-ci. 



   De plus encore, comme les dispositifs 62 et 72 de déplacement suivant les axes X et Y sont introduits pour déplacer le réservoir d'eau fermé 52 lui-même, la construction des dispositifs d'entraînement suivant les axes X et Y est simple. De plus, il est également possible de déplacer librement le capteur 46 à travers le réservoir d'eau fermé 52 le long des trois axes de coordonnées X, Y et Z. 



   Dans la forme de réalisation décrite ci-dessus, cette invention est appliquée à un système de thérapie par faisceau de 

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 protons incluant une section d'irradiation installée dans une structure rotative 100, mais le champ d'application de cette invention ne se limite pas à ce qui précède, mais peut apparemment être appliqué avec les mêmes bénéfices à une section d'irradiation fixée rigidement à une chambre de rayonnement fixe ou à d'autres systèmes de thérapie par rayonnement basés sur l'utilisation de rayons X, de faisceaux d'électrons ou similaires.

Claims

REVENDICATIONS 1. Appareil de détermination de la distribution dans l'eau d'une dose de type fantôme pour la détermination de la distribution dans l'eau de la dose d'un faisceau de rayonnement irradiant à partir d'une section d'irradiation utilisant un capteur placé dans l'eau, comprenant un réservoir d'eau fermé rempli d'eau à ras bord et le capteur étant inséré dans celui-ci, un moyen de montage pour attacher le réservoir d'eau fermé à la section d'irradiation et un moyen de déplacement pour déplacer au moins le capteur par rapport au moyen de montage.
2. Appareil de détermination de la distribution de la dose tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen de déplacement déplace le capteur en même temps que le réservoir d'eau fermé dans des directions perpendiculaires à la direction de rayonnement du faisceau de rayonnement et déplace le capteur seul dans des directions parallèles à la direction de rayonnement du faisceau de rayonnement.
3. Appareil de détermination de la distribution de la dose tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le réservoir d'eau fermé est attaché à l'extrémité de la section d'irradiation et le capteur est inséré dans le réservoir d'eau fermé par le côté opposé.
4. Appareil de détermination de la distribution de la dose tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le moyen de montage possède un moyen de positionnement.
5. Appareil de détermination de la distribution de la dose tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moyen de montage possède également un mécanisme de serrage possédant des leviers à effleurement. <Desc/Clms Page number 14>
6. Appareil de détermination de la distribution de la dose tel que défini dans l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le moyen de déplacement déplace le réservoir d'eau fermé dans deux directions dimensionnelles perpendiculaires à la direction de rayonnement des faisceaux de rayonnement.
7. Appareil de détermination de la distribution de la dose tel que défini dans l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend en plus un vérin pour ajuster le volume de l'eau, qui varie en fonction de la profondeur d'insertion du capteur.