FR2897502A1 - Cible, installation de neutrontherapie et procede de production de neutrons. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une cible de production d'un faisceau émergent de neutrons à partir d'un faisceau incident de particules chargées (p), comportant un matériau neutrogène, un système d'actionnement permettant de faire varier, en réponse à la réception d'un signal de commande, l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident.

Description

La présente invention concerne une cible de production d'un faisceau

émergent de neutrons à partir d'un faisceau incident de particules chargées, notamment des protons, une installation de production de neutrons à des fins notamment de traitement des tumeurs par neutronthérapie ainsi qu'un procédé de production de neutrons à diriger vers un volume cible. L'article concernant la radiothérapie intitulé Du radium aux accélérateurs linéaires et ions lourds dans le traitement du cancer : apport de l' UCL par André Wambersie en mai 2001, donne un aperçu de la neutronthérapie et de la protonthérapie. Dans le domaine de la radiothérapie, il est connu sous le nom d'Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) d'adapter la dose de radiation à la forme tridimensionnelle de la tumeur, en modulant l'intensité du faisceau incident en fonction de l'angle d'incidence dans le but de diriger une plus grande dose de radiation vers la tumeur tout en minimisant l'exposition aux rayons des tissus sains environnants. Les neutrons présentent des propriétés radiobiologiques intéressantes mais sont 15 relativement peu utilisés actuellement, faute de disposer d'installations adaptées à traiter une grande diversité de tumeurs. Les installations de neutronthérapie existantes produisent le flux de neutrons à partir d'un faisceau de protons H+ dirigé vers une cible de béryllium d'épaisseur constante. Un collimateur placé derrière la cible permet de donner au faisceau de neutrons la section 20 souhaitée. L'article MEDICYC: A 60 MeV Proton Cyclotron associated with a new target design for neutron therapy par Pierre Mandrillon et al., divulgue l'utilisation comme matériau neutrogène de deutérure de lithium au lieu de béryllium. Une série de disques de deutérure de lithium sont disposés sur le trajet du faisceau de protons, étant 25 refroidis par une circulation forcée d'hélium. Les protons n'ayant pas réagi sont déviés par un aimant et dirigés vers un collecteur en carbone. Il existe un besoin pour perfectionner encore les installations de neutronthérapie afin de délivrer une dose adéquate au volume cible tout en épargnant au maximum les tissus sains environnants, et ceci dans un laps de temps relativement 30 confortable pour le patient.

L'invention a pour objet, selon l'un de ses aspects, une cible de production d'un faisceau émergent de neutrons à partir d'un faisceau incident de particules chargées, comportant : - un matériau neutrogène, -un système d'actionnement permettant de faire varier, en réponse à la réception d'un signal de commande, l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident. Grâce à l'invention, l'énergie et l'intensité du flux de neutrons du faisceau émergent, qui sont notamment fonction de l'épaisseur de matériau neutrogène traversée par le faisceau incident et de l'énergie et de l'intensité de celui-ci, peuvent être plus facilement modulées afin d'être adaptées au volume cible à traiter et à sa localisation dans le corps. Il devient par exemple possible avec l'invention d'adapter rapidement l'épaisseur de matériau neutrogène à l'intensité et à l'énergie du faisceau incident afin d'optimiser la production de neutrons ayant l'énergie adaptée à la destruction de cellules cancéreuses à une profondeur donnée. L'invention peut permettre de faire varier l'énergie des neutrons en fonction de leur incidence relativement au volume cible et d'effectuer un balayage angulaire autour du volume cible avec une énergie adaptée à chaque angle d'incidence. Les particules chargées du faisceau incident peuvent être des protons ou d'autres particules, par exemple. Le système d'actionnement peut comporter, par exemple, un système hydraulique, pneumatique, électromécanique ou autre, commandable à distance. Le ou les blocs sont par exemple solidaires de vérins qui permettent de les placer ou non sur le trajet du faisceau incident, avec l'orientation voulue, le cas échéant.

La cible peut comporter au moins deux blocs de matériau neutrogène, qui sont par exemple sélectivement placés sur le trajet du faisceau incident par le système d'actionnement, ou bien un unique bloc de matériau neutrogène présentant une forme permettant, lorsque déplacé par rapport au faisceau incident, par exemple en rotation et/ou en translation, de faire varier l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident. Il peut s'agir d'une forme prismatique, d'une rampe hélicoïdale ou de marches d'escalier, par exemple.

Le ou les blocs de matériau neutrogène peuvent être accolés ou non. La présence de plusieurs blocs non accolés peut faciliter leur refroidissement, par circulation entre eux d'un fluide tel que de l'hélium, par exemple. Le nombre de blocs peut être supérieur ou égal à 5, afin de permettre une 5 modulation suffisamment fine de l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident, mieux supérieur ou égal à 10. Les blocs peuvent être de même épaisseur ou avoir des épaisseurs variant selon une loi non linéaire, afin de permettre d'avoir une variation de l'épaisseur opposée au faisceau incident qui ne dépend pas de façon linéaire du nombre de blocs interposés. 10 Chaque bloc peut luimême présenter une épaisseur non constante, le cas échéant, notamment une épaisseur variant selon une loi linéaire ou par paliers. Cela peut permettre, par exemple en poussant plus ou moins un tel bloc sur le trajet du faisceau, de faire varier l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau. Le matériau neutrogène peut comporter du béryllium, par exemple. 15 La cible peut comporter des moyens de production d'un champ magnétique, par exemple au moins un aimant permanent, agencé pour produire un champ magnétique sur le trajet du faisceau après la traversée du matériau neutrogène, afin de dévier les particules chargées qui auraient traversé le matériau neutrogène sans réagir. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, une installation 20 de production de neutrons, comportant : - une cible telle que définie plus haut, et - un accélérateur de particules agencé pour produire le faisceau incident de particules chargées. Grâce à une telle installation, le flux de neutrons du faisceau émergent peut être 25 modulé en intensité et/ou en énergie en faisant varier l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident. L'installation peut par ailleurs avantageusement comporter un système de contrôle de l'intensité du faisceau incident, afin de permettre de moduler l'intensité et/ou l'énergie de celui-ci. Cela peut permettre de moduler l'intensité et/ou l'énergie du faisceau 30 incident de façon à optimiser la production de neutrons avec une énergie prédéfinie, pour une épaisseur donnée de matériau neutrogène.

La modulation de l'intensité et/ou de l'énergie du faisceau incident peut s'effectuer par exemple en fonction de l'angle d'incidence du faisceau émergent de neutrons relativement au volume cible.La cible peut être agencée pour recevoir le signal de commande précité du système de contrôle de l'intensité du faisceau incident. Ainsi, l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident peut être asservie à l'intensité et/ou à l'énergie de celui-ci. Le système de contrôle de l'intensité du faisceau incident peut comporter par exemple au moins : - un actionneur pour agir sur les particules chargées avant leur accélération dans l'accélérateur, - un capteur agencé pour délivrer une information représentative de l'intensité du faisceau de particules accélérées par l'accélérateur, et - un dispositif de contrôle programmable agencé pour agir sur l'actionneur en fonction de l'information délivrée par le capteur et d'une loi de commande programmée de l'intensité du faisceau de particules accélérées dans le temps, de manière à ce que l'intensité du faisceau incident délivré par l'accélérateur respecte la loi de commande programmée. Le système de contrôle de l'intensité peut être par exemple tel que décrit dans la demande internationale WO 03/092340.

L'installation peut comporter un support de réception d'un patient à traiter et un système d'orientation du faisceau émergent de neutrons par rapport au patient. L'installation peut par exemple comporter une tête isocentrique portant la cible. La tête isocentrique peut être configurée pour orienter le faisceau émergent vers le patient selon différents angles d'incidence, relativement au volume cible à traiter.

L'installation peut comporter un collimateur, lequel est par exemple configuré pour adapter la section du faisceau émergent de neutrons au volume cible rencontrée par celui-ci. Le collimateur peut par exemple être à lames, de façon connue en soi. Le collimateur peut être agencé pour permettre de modifier l'ouverture d'interception des neutrons de façon programmable et variable en fonction de l'angle d'incidence relativement au volume cible. Le collimateur peut ainsi comporter des moyens d'entraînement individuel de chacune des lames. Un exemple de collimateur à lames est donné dans WO 00/13189. L'installation peut comporter un système de calcul permettant de déterminer l'intensité et/ou l'énergie des neutrons à produire en fonction d'une part d'au moins une information relative au volume cible, notamment sa localisation dans le corps, et d'autre part de l'angle d'incidence sur le volume cible et/ou la profondeur du volume cible dans la direction d'incidence du faisceau de neutrons. Le système de calcul peut par exemple générer des données utiles pour commander la cible et/ou l'accélérateur et/ou le collimateur en fonction au moins de l'angle d'incidence relativement au volume cible et/ou de la profondeur du volume cible. Le système de calcul peut par exemple générer la loi de commande précitée de l'intensité du faisceau de particules chargées délivré par l'accélérateur et/ou générer le signal de commande à destination de la cible. Le système de calcul peut comporter un calculateur tel qu'un micro-ordinateur qui peut constituer tout ou partie du dispositif de contrôle programmable précité. Le système de contrôle peut être agencé pour recevoir de la tête isocentrique des informations relatives à son positionnement par rapport au patient, notamment afin de connaître l'angle d'incidence sur le volume cible et/ou la profondeur de celui-ci. Le déplacement de la tête isocentrique peut être commandé par le système de contrôle. L'installation peut comporter un système d'acquisition de données 3D du volume cible à traiter. Ces données 3D proviennent par exemple d'une imagerie volumique du patient, par RMN ou tomographie par rayons X ou toute autre technique d'imagerie, et sont par exemple stockées sur un support informatique lisible par le système de calcul ou accessible par celui-ci. L'accélérateur de particules peut comporter un cyclotron, par exemple un cyclotron isochrone compact, supraconducteur ou non. L'installation peut comporter un système de détection des mouvements du patient lors d'une séance de traitement, notamment ceux dus à la respiration et pouvant 30 affecter la localisation du volume cible.

Le système de contrôle de l'intensité peut être configuré pour moduler en temps réel l'intensité du faisceau de particules chargées et/ou l'épaisseur de matériau neutrogène en fonction des mouvements détectés. L'installation peut comporter un éplucheur électronique exposé au faisceau de particules dans l'accélérateur, de manière à extraire les particules et former le faisceau incident. L'éplucheur peut se présenter sous forme solide et peut par exemple comporter une mince feuille de carbone. L'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de production de neutrons à diriger vers un volume cible, comportant les étapes consistant à : - générer un faisceau incident de particules chargées accélérées et le diriger vers une cible comportant un matériau neutrogène de façon à générer un faisceau émergent de neutrons, - faire varier l'épaisseur du matériau neutrogène traversée par le faisceau incident en fonction au moins d'un angle d'incidence du faisceau émergent sur le volume cible et/ou de la profondeur de celui-ci, c'est-à-dire de l'épaisseur de matière à traverser avant d'atteindre le volume cible. Cela peut permettre d'adapter la distribution de la dose à la profondeur des cellules à détruire dans le corps. Le procédé peut en outre comporter l'étape consistant à faire varier l'intensité 20 du faisceau incident en fonction de l'angle d'incidence du faisceau émergent sur le volume cible et/ou de la profondeur du volume cible. Le procédé peut encore comporter l'étape consistant à faire varier l'ouverture d'interception du faisceau émergent par un collimateur en fonction de l'angle d'incidence sur le volume cible. 25 Dans un exemple de mise en oeuvre de l'invention, au moins deux faisceaux de neutrons sont générés avec des angles d'incidence séparés d'au moins 10 , mieux d'au moins 60 . Au moins trois, mieux cinq, encore mieux dix, faisceaux émergents de neutrons peuvent être successivement générés avec des angles d'incidence différents. Pour au moins deux de ces faisceaux, les épaisseurs de matériau neutrogène 30 traversées peuvent être différentes, pour tenir compte notamment des distances différentes à parcourir dans les tissus avant d'atteindre le volume cible.

Lors d'un changement de l'angle d'incidence, le faisceau peut être arrêté, par exemple grâce au système de contrôle de l'intensité. L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en oeuvre non limitatifs de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une vue schématique et partielle d'une installation de neutronthérapie selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un détail de la figure 1 relatif à la cible, - la figure 3 illustre de manière schématique la production de neutrons par le matériau neutrogène, - la figure 4 représente de manière schématique le volume cible pour divers angles d'incidence du faisceau émergent sur celui-ci, - les figures 5 et 6 représentent de manière schématique des exemples de 15 formes pour un bloc de matériau neutrogène, et - la figure 7 illustre de manière schématique le fonctionnement de différents éléments de l'installation de la figure 1. On a représenté sur les figures 1, 2 et 7 une installation 1 de neutronthérapie comportant un accélérateur 2 et une tête isocentrique 3 configurée pour orienter un 20 faisceau de particules accélérées vers un volume cible T au sein d'un patient P, selon différents angles d'incidence 0 souhaités relativement à celui-ci. L'installation 1 comporte des dispositifs 4 de déviation et/ou de guidage du faisceau incident de particules chargées issu de l'accélérateur 2 vers la tête isocentrique 3. Dans l'exemple illustré, l'accélérateur 2 est un cyclotron du type isochrone 25 compact, qui peut être supraconducteur ou non. Tout autre type d'accélérateur, par exemple linéaire ou synchrocyclotron, peut être utilisé. L'accélérateur 2 peut être apte à fournir un faisceau incident de particules chargées, par exemple de protons, d'énergie supérieure à 65 MeV. La tête isocentrique 3 porte une cible 5 et un collimateur 6. Ce dernier peut être 30 à plusieurs lames, actionnées individuellement en réponse à un signal de commande w. On peut, grâce à la tête isocentrique 3, modifier l'angle d'incidence 0 du faisceau émergent de neutrons sur le volume cible T, par rapport à la verticale X ou à toute autre direction de référence. L'angle 0 est mesuré autour de l'axe longitudinal du patient, par exemple. A titre d'exemple, on a représenté sur la figure 4 trois angles d'incidence différents 01, 02 et 03 du faisceau de neutrons.

La cible 5 peut comporter un ou plusieurs blocs 11 de matériau neutrogène pouvant se superposer. Le nombre de blocs 11 est par exemple compris entre 1 et 10. Les particules chargées sont par exemple des protons H+ et le matériau neutrogène peut être du béryllium. La cible 5 comporte en outre, comme illustré à la figure 7, un système d'actionnement 12 des blocs 11 afin de déplacer ceux-ci et faire varier le nombre de blocs 11 placés sur le trajet du faisceau incident et donc l'épaisseur de matériau neutrogène qui est traversée par celui-ci, en réponse à la réception d'un signal de commande s. Ce système d'actionnement 12 peut comporter des vérins pneumatiques, hydrauliques ou électriques, non représentés de façon détaillée dans un souci de clarté du dessin. Chacun des blocs 11 peut présenter une forme de disque ou une forme autre, par exemple une forme de plaque ayant un contour non circulaire. Chaque bloc 11 peut présenter une épaisseur constante ou non constante, qui peut varier de façon linéaire ou non.

Chaque bloc 11 présente par exemple une forme de prisme, comme illustré à la figure 5, ou comporte des marches, comme illustré à la figure 6. Lorsqu'un bloc 11 présente une épaisseur non constante, il peut être mis en place sur le trajet du faisceau incident de particules par une translation par exemple, et selon qu'il est poussé plus ou moins, l'épaisseur opposée au faisceau varie.

On peut également obtenir une variation de l'épaisseur de matériau neutrogène traversée avec un bloc 11 unique d'épaisseur constante en faisant pivoter sur lui-même ce bloc. Le cas échéant, on peut réaliser la cible 5 avec plusieurs blocs 11 de matériau neutrogène qui peuvent être placés ou non sur le trajet du faisceau de particules incident par un mouvement de translation, et l'on peut en outre faire pivoter au moins l'un des blocs 11 de façon à modifier encore l'épaisseur du matériau neutrogène interceptant le faisceau incident.

La cible 5 comporte, dans l'exemple illustré, des moyens 15 de production d'un champ magnétique comportant, dans l'exemple illustré, un aimant permanent disposé en aval du matériau neutrogène sur le trajet du faisceau émergent. Cela permet d'éliminer en les dirigeant vers un collecteur en carbone par exemple les particules chargées n'ayant pas réagi avec le matériau neutrogène. L'installation 1 comporte dans l'exemple considéré une source 40 pour générer les ions à accélérer, par exemple des ions if. Un actionneur 30 est installé en amont de l'accélérateur 2 pour agir sur l'intensité du faisceau à accélérer, en réponse à un signal de commande v.

Un éplucheur électronique 7, comportant par exemple une mince feuille de carbone, est disposé sur le trajet du faisceau de particules accélérées à l'intérieur de l'accélérateur 2, de manière à permettre son extraction. L'intensité du faisceau de particules accélérées dans l'accélérateur 2 peut être mesurée grâce à l'éplucheur électronique 7.

L'installation comporte un système de contrôle de son fonctionnement. Ce système de contrôle peut être formé par plusieurs appareils ou par un seul, et être présent entièrement sur le site ou au moins partiellement délocalisé. Il peut inclure un système de calcul comportant un ou plusieurs calculateurs, par exemple un micro-ordinateur. Dans l'exemple illustré, le système de contrôle comporte un dispositif de contrôle programmable 35 agencé pour envoyer le signal de commande v à l'actionneur 30, de manière à ce que l'intensité du faisceau incident délivré par l'accélérateur respecte une loi de commande prédéfinie. L'installation 1 peut comporter un système d'acquisition de données 3D relatives au volume cible T, permettant de calculer pour chaque angle d'incidence 0, la profondeur h du volume cible T dans la direction d'incidence du faisceau, l'intensité du faisceau incident, l'épaisseur de matériau neutrogène et la forme à donner au faisceau de neutrons. Le dispositif de contrôle 35 peut recevoir des informations relatives au volume cible T, notamment la forme 3D de celui-ci et sa localisation dans le corps du patient.

Le dispositif de contrôle 35 peut générer les signaux de commande s et w envoyés respectivement à la cible 5 et au collimateur 6, pour un angle d'incidence 0 donné, en fonction des données 3D relatives au volume cible.

Le déplacement de la tête isocentrique 3 peut être commandé par le dispositif de contrôle 35, lequel est par exemple programmé pour que l'installation délivre plusieurs faisceaux de neutrons à diverses incidences O. Le dispositif de contrôle programmable 35 peut faire varier l'intensité du faisceau incident et l'épaisseur de matériau neutrogène traversée par le faisceau incident de manière correspondante, le flux de neutrons du faisceau émergeant étant fonction à la fois de l'intensité du faisceau incident et de l'épaisseur de matériau neutrogène traversée, afin d'avoir une distribution de dose en fonction de la profondeur optimale pour un angle d'incidence donné O.

L'installation peut en outre comporter un système de détection, non représenté, des mouvements du patient. Dans ce cas, le dispositif de contrôle 35 peut être également configuré pour moduler l'intensité et/ou l'énergie en fonction des mouvements du volume cible ou pour déclencher l'émission du faisceau seulement lorsque le positionnement du volume cible est correct.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. L'invention a ainsi des applications non médicales, telles que par exemple le contrôle des matériaux. On peut remplacer l'accélérateur 2 par un ensemble d'au moins deux accélérateurs, l'un accélérant les particules pré-accélérées par l'autre. L'expression comportant un doit être comprise comme étant synonyme de comportant au moins un , sauf si le contraire est spécifié.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Cible (5) de production d'un faisceau émergent de neutrons (n) à partir d'un faisceau incident de particules chargées (p), comportant : - un matériau neutrogène (11), - un système d'actionnement (12) permettant de faire varier, en réponse à la réception d'un signal de commande (s), l'épaisseur de matériau neutrogène opposée au faisceau incident.

2. Cible selon la revendication 1, comportant au moins deux blocs (11) de 10 matériau neutrogène.

3. Cible selon la revendication 1, comportant un unique bloc (11) de matériau neutrogène.

4. Cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, le matériau neutrogène comportant du béryllium. 15

5. Cible selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant des moyens (15) de production d'un champ magnétique agencés pour produire un champ magnétique sur le trajet du faisceau émergent après le passage au travers du matériau neutrogène, notamment au moins un aimant permanent.

6. Installation (1) de production de neutrons, comportant : 20 - une cible (5) telle que définie dans l'une quelconque des revendications précédentes, et - un accélérateur (2) agencé pour produire le faisceau incident de particules chargées.

7. Installation selon la revendication 6, comportant un système de contrôle de 25 l'intensité du faisceau incident.

8. Installation selon l'une des revendications 6 et 7, comportant un support de réception d'un patient (P) à traiter et un système d'orientation du faisceau émergent de neutrons par rapport au patient (P).

9. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, comportant 30 une tête isocentrique (3) portant la cible (5).

10. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, comportant un collimateur (6), notamment un collimateur à lames.

11. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, comportant un système de calcul de l'intensité du faisceau incident en fonction au moins de l'angle d'incidence (0) sur le volume cible (T) et/ou de la profondeur (h) du volume cible.

12. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, comportant un système d'acquisition de données 3D relatives à un volume cible à traiter chez le patient.

13. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, l'accélérateur (2) comportant un cyclotron.

14. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, le système 10 de contrôle de l'intensité comportant : - un actionneur (30) pour agir sur les particules avant leur accélération dans l'accélérateur, - au moins un capteur (7) agencé pour délivrer une information représentative de l'intensité du faisceau de particules accélérées par l'accélérateur, et

15 - un dispositif de contrôle programmable (35) apte à agir sur l'actionneur (30) en fonction de l'information délivrée par le capteur et d'une loi de commande programmée de l'intensité du faisceau de particules accélérées dans le temps, de manière à ce que l'intensité du faisceau incident délivré par l'accélérateur respecte la loi de commande programmée. 20 15. Installation selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, comportant un système de détection de mouvements du patient, le système de contrôle de l'intensité étant configuré pour moduler l'intensité en fonction des mouvements du patient affectant le positionnement du volume cible.

16. Procédé de production de neutrons à diriger vers un volume cible (T), 25 comportant les étapes consistant à - générer un faisceau incident de particules chargées accélérées et le diriger vers une cible (5) comportant un matériau neutrogène, de façon à générer un faisceau émergent de neutrons, - faire varier l'épaisseur du matériau neutrogène traversée par le faisceau 30 incident en fonction au moins d'un angle d'incidence (0) du faisceau émergent sur le volume cible et/ou de la profondeur du volume cible (T).

17. Procédé selon la revendication 16, comportant l'étape consistant à faire varier l'intensité du faisceau incident en fonction de l'angle d'incidence (0) du faisceau émergent sur le volume cible et/ou de la profondeur du volume cible (T).