WO2018007737A1 - Procédé de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons - Google Patents

Procédé de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons Download PDF

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WO2018007737A1
WO2018007737A1 PCT/FR2017/051794 FR2017051794W WO2018007737A1 WO 2018007737 A1 WO2018007737 A1 WO 2018007737A1 FR 2017051794 W FR2017051794 W FR 2017051794W WO 2018007737 A1 WO2018007737 A1 WO 2018007737A1
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target
difference
predicted
detectors
gamma rays
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2017/051794
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English (en)
Inventor
Denis DAUVERGNE
Jochen KRIMMER
Etienne Testa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1
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Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/29—Measurement performed on radiation beams, e.g. position or section of the beam; Measurement of spatial distribution of radiation

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for detecting a difference between a predicted characteristic and a real characteristic of a hadron beam, the characteristic being chosen from the group consisting of:
  • hadrontherapy was proposed by Robert R. Wilson in 1946 and is based on the energy deposition characteristics of charged ions in the material. In particular, it aims to improve the treatment of cancers through excellent ballistic accuracy and optimal biological efficiency, close to 1 in healthy tissue and in the range of 2 to 3 in tumor volume.
  • the biological effectiveness of a radiation is defined as the ratio of the doses delivered with X-rays and with the radiation considered to obtain the same biological effect, typically a survival rate of a cell population of 10%.
  • Bragg peak a high dose deposition at the end of the course
  • plateau a so-called "plateau” region
  • the depth position of the Bragg peak is also called the end position of the hadron beam path. It is at this position that the maximum of the biological effectiveness of the irradiation occurs. This position depends on the incident energy of the charged hadron beam, the chemical composition of the materials passed through, and the relative position of the target with respect to the hadron beam. The incident energy of the beam and its direction are thus adjusted so as to deposit the maximum energy within a circumscribed zone, corresponding in particular to the location of a tumor, while sparing healthy tissues upstream and downstream. downstream.
  • the ionized hadrons are accelerated by a cyclotron or a synchrotron and the energy of the particle at the output of the accelerator determines the depth of penetration.
  • hadrons light hadrons such as protons or carbon ions are preferably chosen.
  • the carbon ions are particularly advantageous because they have substantially better ballistics than protons, that is to say a less lateral dispersion, and an optimal biological efficiency.
  • hadrons The interaction of the hadrons with the tissues can, when there is an inelastic collision between the projectile and target nuclei, create fragmentation phenomena of the hadrons which produce in particular unstable nuclei, fast gamma rays and neutrons.
  • known methods for detecting a difference between a predicted characteristic and a real characteristic of a hadron beam include:
  • Such a method is for example disclosed in the application WO2015040225A1.
  • this application teaches how to detect a difference between the predicted depth and the actual depth of the Bragg peak of the hadron beam.
  • this application teaches that it is necessary to construct a flight time distribution conventionally called "flight time spectrum" from the readings of each detector.
  • This spectrum comprises, on the abscissa, the flight time interval between a reference instant ti and a time t 2 where prompt gamma rays are detected by the detector.
  • the instant ti corresponds to the moment of emission of the hadron beam which causes the appearance of the detected gamma ray.
  • the interval t 2 - corresponds to the time elapsed between the instant ti where the hadron pulse is emitted and a time t 2 where are detected fast gamma rays generated by this pulse.
  • This elapsed time is called "flight time”.
  • the spectrum comprises the number of detected gamma rays detected or the number of prompt gamma rays detected by incident hadron.
  • the width of a packet of hadrons beam that is to say say its duration of emission, ie less than 5 ns and, preferably, less than 1 ns or less.
  • a packet of hadrons is better known as "bunch". Indeed, this constraint makes it possible to operate the method of the application WO2015040225A1 with prompt gamma ray detectors whose temporal resolution is greater than 200 ⁇ s. Conversely, if the width of the hadron packet is longer, for example greater than 10 ns, the method of application WO2015040225A1 becomes very imprecise and no longer works properly with current technologies.
  • the application WO2015040225A1 also teaches the simultaneous use of multiple fast gamma ray detectors located at different locations around the target.
  • the measurements of each detector are used to construct, for each detector, a respective flight time spectrum.
  • the reference time ti used to construct each of these spectra is the same for all the spectra. Under these conditions, from the different spectra constructed, it is possible to obtain an estimate of the real depth R, inside the target, at which the Bragg peak is located.
  • the method described in WO2015040225A1 application is complex to implement. Indeed, to be reliable and accurate, it requires a very high accuracy on the timing and t 2 .
  • the precise reading of the instant ti requires either having a precise synchronization signal generated each time a packet of hadrons is emitted or of a precise sensor which records the moment of passage of the beam of hadrons through a reference plane.
  • the precise reading of the instant t 2 requires the use of a detector with a very good temporal resolution.
  • the reliability of the method of the application WO2015040225A1 depends on the temporal accuracy with which the instants ti and t 2 are recorded and thus the temporal accuracy of the detectors.
  • it is necessary that the width of the packet of hadrons is of the order of the nanosecond so that it functions correctly.
  • the invention aims to overcome this disadvantage and in particular to provide a method for detecting a difference between a predicted characteristic and a corresponding real characteristic of the hadron beam that can work properly for hadron packet widths. more important. It therefore relates to such a method according to claim 1.
  • the claimed method is the accumulations of the numbers of fast gamma rays received during a time window that are used to determine a difference between the predicted and actual characteristics of the hadron beam.
  • Each accumulation is the area of a flight time spectrum. Imprecisions on the times of reception by the detectors can lengthen, shrink or shift temporally a flight time spectrum. On the other hand, such inaccuracies do not modify its surface and therefore the calculated accumulation. Indeed, cumulation depends solely on the number of prompt gamma rays received and not on the moment at which they are received. The computed accumulations are therefore insensitive to the accuracy of the measurements of the instants of reception of the gamma rays prompted by the detectors.
  • the claimed method operates with a width of the hadron packet greater than 1 ns or 5 ns.
  • the average cumulative computed is sensitive to the energy deposited in the target by the hadron beam and insensitive to the accidental movement of the Bragg peak inside the target.
  • the ratio of calculated computations is sensitive to the accidental displacement of the Bragg peak and insensitive to an accidental modification of the energy deposited inside the target.
  • Embodiments of the detection method may include one or more of the features of the dependent claims. [0020] These embodiments of the detection method also have one or more of the following advantages:
  • the invention also relates to an information recording medium comprising instructions for implementing the claimed detection method, when these instructions are executed by an electronic microprocessor.
  • the invention also relates to a detection device for implementing the claimed method.
  • the invention will be better understood on reading the description which follows, given solely by way of nonlimiting example and with reference to the drawings in which:
  • FIG. 1 is a schematic illustration of the architecture of a radiation system of a target
  • FIGS. 2 and 3 are, respectively, a front view and a side view of a set of sensors of the system of FIG. 1;
  • FIG. 4 is a flowchart of a method for irradiating a target using the system of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a graph illustrating flight time spectra obtained using the system of FIG. 1;
  • FIGS. 6 and 7 are graphs illustrating the evolution of different cumulative ratios of measured numbers of fast gamma rays as a function of the displacement of the target with respect to the hadron beam,
  • Figures 8 and 9 are respectively a front view and a rear view of another possible set of sensors
  • FIGS. 10 to 12 are graphs illustrating the evolution of various cumulative ratios of numbers of fast gamma rays measured using all of FIGS. 8 and 9.
  • FIG. 1 represents a system 2 for irradiating a target 4 with the aid of a beam 6 of hadrons.
  • the system 2 is a target 4 hadrontherapy treatment system.
  • the general architecture of the system 2 is well known and only the details of this architecture necessary for the understanding of the invention are described here. For a more detailed description of the architecture of such a system, the reader can consult the application WO 2015/04 / 02125A1.
  • the target 4 is considered to be a spherical ball filled with homogeneous materials.
  • this spherical ball is a ball of PMMA (polymethyl methacrylate).
  • the hadrons of the beam 6 are 12 C 6+ ions.
  • the system 2 comprises a source 8 which generates the beam 6.
  • the source 8 generates a rectilinear beam 6 along a horizontal axis 10.
  • the source 8 is for example a cyclotron or a synchrotron or any other source capable of generating the beam 6.
  • the beam 6 is usually generated intermittently.
  • the source 8 generates hadron pulses better known by the term “burst” or "bunch".
  • Each hadron pulse corresponds to what has previously been called a "hadron packet”.
  • the terms "hadron pulse” and "hadron packet” are used as interchangeable terms.
  • the duration an impulse corresponds to the width of a packet of hadrons. Between two impulses, no hadron is emitted. For example, these pulses are generated periodically at a frequency between 10 MHz and 200 MHz.
  • the duration of a pulse is typically greater than 1 ns or 2 ns. This duration is usually less than 50 ns or 30 ns.
  • the source 8 here generates a timing signal 12 synchronized temporally with the beginning of each hadron pulse.
  • the signal 12 makes it possible to deduce the instant at which the generated hadron pulse starts.
  • the source 8 also comprises an input 14 which receives instructions able to modify the characteristics of the beam 6 generated by the source 8. For example, this input 14 makes it possible to modify the intensity of the beam 6 and / or the energy of the hadrons of the beam 6.
  • the hadron energy is between 50 MeV and 300 MeV for protons and between 800 MeV and 5000 MeV for carbon ions.
  • the intensity of the beam 6, that is to say the number of hadrons per unit time, is typically between 0.1nA and 5nA.
  • the target 4 is located on the axis 10 so that the hadrons of the beam 6 collides with this target.
  • the predicted position of the Bragg peak resulting from the collision between the beam 6 and the target 4 is represented by a cross.
  • the system comprises a horizontal table 16 and a controllable actuator 18 able to move the table 16 in the three directions X, Y and Z.
  • the actuator 18 comprises an inlet 20 for receiving instructions for controlling the movement of the table 16.
  • the system 2 comprises a central unit 24 which generates and transmits, during the processing of the target 4, instructions to the source 8 and the actuator 18 to automatically direct the progress of the treatment of the target 4.
  • the central unit 24 includes a programmable microprocessor 26 and a memory 28 connected to the microprocessor 26 by a bus 30 for transmitting information.
  • the microprocessor 26 executes instructions stored in the memory 28.
  • the memory 28 comprises the instructions and the data necessary for the execution of the method of FIG. 4. More precisely, the microprocessor 26 is programmed to apply to the target 4 a plan of predetermined treatment.
  • the treatment plan is, for example, prerecorded in the memory 28.
  • the treatment plan defines the different characteristics of the treatment to be applied and, in particular, for each instant, the treatment: the energy to be deposited inside the target 4, and
  • the energy actually deposited inside the target 4 and / or the actual position of the Bragg peak inside the target 4 during the course of the treatment may differ, respectively, from the predicted deposited energy and the predicted position.
  • the actual deposited energy and the actual position of the Bragg peak are named, respectively, "actual deposited energy” and "actual position”.
  • the microprocessor 26 is programmed to automatically correct as the progress of the treatment of the target 4 the differences between the predicted and actual characteristics. For this, it implements a method of detecting differences between the predicted and actual characteristics. This detection method is described with reference to the method of FIG. 4. When a significant difference between the predicted and actual characteristics is detected, the microprocessor 26 automatically generates instructions that it transmits to the source 8 and / or the actuator 18 to correct and decrease the amplitude of this difference or to automatically stop the treatment. For this purpose, the central unit 24 is connected to the input 14 of the source 8 and to the input 20 of the actuator 18.
  • the central unit 24 is connected to a human machine interface 34 which allows a user to follow the course of treatment, and, if necessary, to intervene manually on this course.
  • the man-machine interface 34 comprises a screen, for example, to display the differences detected by the microprocessor 26.
  • the central unit 24 is connected to a set 36 of sensors that measure physical quantities representative of the actual characteristics of the treatment applied to the target 4.
  • This assembly 36 comprises in particular radiation detectors. gamma prompts and, in this embodiment, a hadron counter.
  • the hadron counter counts the number of hadrons received by the target 4 at a given time.
  • a counter is well known, for example, it is a beam monitor such as an ionization chamber.
  • the gamma ray detectors prompt of the assembly 36 are described with reference to FIGS. 2 and 3.
  • the assembly 36 may also include other detectors or sensors not shown.
  • the assembly 36 comprises five fast gamma ray detectors 40 to 44 structurally identical to each other.
  • Each detector 40 to 44 is capable of detecting the interaction of a prompt gamma ray in the sensitive sensing volume.
  • it immediately generates an electrical pulse that is transmitted to the unit 24.
  • the moment at which the unit 24 receives this pulse corresponds to a time t 3 of reception of the prompt gamma ray by the detector.
  • the unit 24 measures the number of pulses for which the time t 3 is within an interval [t 2 -ti; t 2 -ti + s] of flight time, where:
  • t 2 is the prompt gamma ray detection instant considered
  • - ⁇ is a positive value at least five or ten times lower than t 2 -ti.
  • flight time interval t 2 -ti denotes the interval [t 2 -ti-e; t 2 -ti + e].
  • ⁇ is a constant less than 500 ps or 100 ps or 10 ps. In the numerical simulations carried out and described below, ⁇ is equal to 10 ⁇ s.
  • the detectors 40 to 44 are devoid of collimator.
  • the structure and operation of a fast gamma ray detector is well known and these are not described here in more detail.
  • the reader can refer to the following article: G. Pausch and Al, "Scintillator-Based High-Throughput Fast Timing Spectroscopy for Real-Time Range Verification in Particle Therapy, IEEE Transaction on Nuclear Sciences, vol. 63, 2016, page 664.
  • the detectors 40 to 44 are the detectors marketed by High Technology Detection Systems (HTDS) under the commercial reference “Scintillation Detector Nal”.
  • HTDS High Technology Detection Systems
  • Each detector has an input face for providing an optimum sensitive volume for the rays to be detected that arrive perpendicular to this input face.
  • This input face is facing the region from which are emitted the gamma rays prompt to measure.
  • the line of sight of a detector is defined as being the integral axis of this detector perpendicular to the input face and passing through its center.
  • the sight lines of the detectors 40 to 44 bear, respectively, the numerical references 50 to 54.
  • the detectors 40 to 44 are located exactly at the same distance from the origin O. In other words, they are all located on a sphere 56 which surrounds the target 4 and centered on the origin O. In the figures 2 and 3, this sphere is represented by a continuous line. However, this sphere 56 is most often only virtual and is not materialized by a material envelope.
  • the distance L between the center of the sphere 56 and the detectors 40 to 44 is generally greater than 40 cm or 60 cm and may even be greater than 1 m or 2 m. In general, this distance L is less than 5 m.
  • the input face of each of these detectors is turned towards the origin O.
  • the detectors 40 to 42 are located in the same vertical plane perpendicular to the axis PT passing through the origin O. In this plane PT, the detectors 40 to 42 are uniformly distributed around of the origin O.
  • uniformly distributed is meant the fact that the shortest distance between the geometric center of a detector and the geometric center of the detector which is its nearest neighbor is equal to dmin at plus or minus Nearly 5% or 2% regardless of the detector considered, dmin being a positive constant.
  • the lines of sight 50 to 52 cut the plane PT into angular sectors each having for vertex the origin O and the angles at the apex of each of these angular sectors are all equal. to more or less 1 ° or 5 °.
  • the lines of sight 50 to 52 cut the plane PT into six angular sectors all having an apex angle of 60 °.
  • the detectors 43 and 44 are located in a vertical plane PL parallel to the axis 10 and passing through the origin O. Here, these detectors 43 and 44 are symmetrical to each other with respect to the plane PT . These detectors 43, 44 are located outside the path of the beam 6 so as not to obstruct it. For example, the smallest angle between the Z direction and respectively the lines of sight 53 and 54 is greater, in absolute value, than 10 ° or 20 ° and generally less than 80 ° or 70 °.
  • the association of the central unit 24 and the detectors 40 to 44 forms a device for detecting a difference between the predicted and actual characteristics.
  • the treatment plan is stored in the memory 28.
  • This processing plan defines in particular, for each moment of the treatment, the predicted deposited energy and the predicted position.
  • the microprocessor controls the source 8 and the actuator 18 to deposit the predicted energy at the predicted position inside the target 4. These commands therefore trigger the transmission beam 6 by the source 8.
  • a step 76 in response, the source 8 triggers the emission of the beam 6 and, if necessary, the actuator 18 moves the table 16 and therefore the target 6 to the desired position. At the same time as the emission of the beam 6 is triggered, the synchronization signal 12 is generated.
  • each of the detectors 40 to 44 generates an electrical pulse each time its sensitive volume and touched by a prompt gamma ray and transmits this pulse to the unit 24.
  • the microprocessor 26 measures the number of prompt gamma rays received per flight time interval for each of the detectors 40 to 44.
  • the microprocessor 26 filters the measurements to retain only those representative of the number of prompt gamma rays generated by the collision of the hadrons of the beam 6 with the target 4. For example, for this purpose, the microprocessor 26 determines a time window dt which extends over the entire time interval during which each detector 40 to 44 receives the prompt gamma rays generated by the collision of the beam 6 with the target 4.
  • the microprocessor 26 determines the window width dt depending, in particular, on the duration of the pulse of the beam 6.
  • the width of the window dt is greater than or equal to the duration of a pulse.
  • the width of the window dt is between 1 ns and 15 ns and often between 6 ns and 8 ns.
  • the width of the window dt is also set sufficiently narrow to eliminate the measurements of the fast gamma rays generated by sources other than the collision of the beam 6 with the target 4 and to prevent parasitic particle measurements such as neutrons.
  • the microprocessor 26 determines an average flight time from the different predicted characteristics and the known configuration of the system 2. This average flight time is determined in particular from the emission time ti of the beam 6. by the source 8, the duration of a pulse of the beam 6, the energy of the beam 6, the predicted position and the known distance between each detector and the origin O. The instant ti can be deduced from synchronization signal 12.
  • the microprocessor 26 retains for the following steps only the readings of the detectors 40 to 44 made inside the window dt centered on the determined average flight time.
  • the microprocessor 26 filters the readings to retain only the fast gamma rays whose energy is greater than a threshold E s .
  • the threshold E s is for example greater than or equal to 500 keV and generally less than 5 MeV or 2 MeV. Here, in the simulations described below, the threshold E s is set at 1 MeV.
  • the energy of a prompt gamma ray can be deduced from the amplitude of the electric pulse generated by the fast gamma ray detector.
  • the graph of FIG. 5 represents an example of a spectrum 84 of flight time obtained from the readings of the detector 40 after application of the filtering of step 82.
  • the predicted position and the position real of the Bragg peak are confused.
  • the surface 85 beneath the spectrum 84 is representative, and generally proportional, to the number of prompt gamma rays received throughout the duration of the window dt.
  • the surface 85 is therefore a measure of the number of fast gamma rays generated by the collision of the beam 6 with the target 4. This surface 85 is equal to the accumulation, throughout the window dt, of the measured numbers of gamma rays measured.
  • the fast gamma rays are emitted at a greater distance from the detector 40, which decreases its efficiency.
  • the fast gamma rays must pass through a larger thickness of the target 4 before reaching the detector 40. Because of this, during the same window dt, the number of fast gamma rays detected by the detector 40 is lower. . This results in the fact that the surface 87 of the spectrum 86 is smaller than the surface 85. This shows that the surface of the flight time spectrum, and therefore the accumulation of the measured gamma ray numbers measured, depends on the actual position This accumulation also depends on the actual deposited energy in the target 4. Indeed, the higher the actual deposited energy, the greater the number of fast gamma rays generated.
  • this accumulation also depends on the intensity of the beam 6 and the composition of the materials traversed by the hadrons in the target 4. Finally, some materials pass more or less readily gamma rays during their transport to the detectors. On the other hand, this accumulation is not very sensitive to the temporal precision on the measurement of the time of flight. Indeed, a number K of prompt gamma rays is measured as being received at 23.7 ns after the instant ti of emission or at 24.3 ns after the instant ti changes the shape of the spectrum of the flight time and, possibly, its width. On the other hand, it does not change its surface and therefore the accumulation of the number of fast gamma rays.
  • step 92 the microprocessor 26 proceeds to detect a difference between the predicted and actual characteristics of the beam 6 from the accumulations C 40 to C 44 .
  • step 92 the microprocessor 26 proceeds:
  • the microprocessor 26 After establishing the ratio R z from accumulations C 43 and C 44 , the microprocessor 26 establishes a difference d z between the ratio R z and its predicted value R zp .
  • the value R zp is equal to n 43 / n 4 4 and the difference d z is equal to R z -R zp .
  • it compares the absolute value of this difference d z with a predetermined threshold S z . If this absolute value exceeds this threshold S z , the microprocessor 26 detects a difference between the predicted position and the actual position. It then indicates that the real position has moved in the direction Z and also the direction of this displacement as well as an estimate of the amplitude of this displacement. Indeed, the sign of the difference d z gives the direction of the displacement.
  • the amplitude of the difference d z gives an indication of the magnitude of the displacement of the actual position with respect to the predicted position in the Z direction.
  • the microprocessor 26 detects a difference between the predicted deposited energy and the actual deposited energy from an average of at least two of the calculated accumulations and, preferably, from an average of all cumulations C 40 to C 44 .
  • average means both a weighted average of accumulations and an unweighted average.
  • Weighted average means an average in which different weighting coefficients are assigned to each of the accumulations.
  • unweighted average denotes an average in which the same weighting coefficient is assigned to each of the accumulations. Subsequently, the method of FIG. 4 is described in the particular case of an unweighted average.
  • the microprocessor 26 establishes the value of a physical quantity M m .
  • the physical quantity M m is equal to the unweighted average of all the accumulations C 40 to C 44 .
  • the arithmetic or geometric means are proportional to the actual deposited energy and insensitive to the displacement of the Bragg peak inside the target 4 with respect to its predicted position.
  • the graph of Figure 7 represents the consequences of an accidental displacement of the target 4 in the direction Y with respect to the beam 6.
  • the curves 106 to 108 represent, respectively, the evolution of the accumulations C 4 o, C 4 i and C 42 .
  • the x-axis indicates the magnitude of the displacement of the target 4 along the Y-direction axis.
  • displacements between -2 cm and +2 cm have been simulated.
  • the cumulative C 40 increases because the thickness of the target 4 to be traversed by the fast gamma rays generated to reach the detector 40 decreases. Conversely, this increases the thickness of the target 4 to be traversed by the gamma rays prompt to reach the detectors 41 and 42 and thus reduces the cumulative C 4i and C 42 .
  • This displacement of the target 4 simulates an accidental displacement of the real position in the Y direction.
  • the curve 110 represents the value of the physical quantity M m established for each position of the target 4. In this particular case, the Arithmetic and geometric mean are practically merged. In contrast to the cumulative C 40 to C 4 2 which vary significantly as a function of the displacement of the target 4, the physical quantity M m established is much less sensitive to this displacement in the Y direction.
  • the curve 112 on the graph of FIG. 6 shows the evolution of the physical quantity M m in response to a displacement of the target 4 in the Z direction.
  • this simulation shows that the physical quantity M m is much less sensitive to the displacement in the Z direction than the accumulations C 43 and C 44 also represented on this same graph.
  • the physical quantity M m is a measurement of the real effective energy deposited vis-à-vis the accidental displacements of the real position in each direction containing a pair of detectors.
  • the physical quantity M m is insensitive to the accidental displacement of the target 4 in the three directions X, Y and Z. This therefore makes it possible to have a measurement of the actual deposited energy more accurate.
  • the microprocessor 26 establishes a deviation d m - e between the physical quantity M m established and a predicted value M e for the same physical quantity M m .
  • the difference d m - e is equal to M m -M e .
  • the predicted value M e is determined by simulation or experimentally from the number of prompt gamma rays which should be measured by each of the detectors 40 to 44 in the absence of a difference between the predicted and actual positions and between predicted and actual deposited energies.
  • the difference d m - e is compared with a predetermined threshold S e . If the absolute value of the difference d m - e exceeds this threshold S e , the microprocessor 26 detects a difference between the predicted and actual deposited energies. Otherwise, no difference is detected.
  • the method makes it possible to discriminate between a difference caused by a displacement accidental Bragg peak inside target 4 and a difference caused by accidental modification of the actual deposited energy.
  • a difference between a predicted and actual characteristic if a difference between a predicted and actual characteristic is detected, the microprocessor 26 automatically generates instructions to correct this difference and transmits them to the source 8 and / or the actuator. 18. For example, if an accidental displacement of the Bragg peak in the Z direction is detected, the microprocessor 26 controls the source 8 to modify the energy of the beam 6 and thus the depth to which it enters the interior of this target. 4. If an accidental displacement of the Bragg peak in the X or Y direction is detected, the microprocessor 26 controls the actuator 18 to move the target 4 in the X or Y direction to limit or even cancel this difference. Finally, if the actual deposited energy is different from the predicted deposited energy, the microprocessor 26 controls the source 8 to modify the intensity of the beam 6 so as to reduce this difference.
  • the graph of FIG. 10 illustrates the operation of the system 2 with the assembly 130 in the case of a displacement of the target 4 in the X direction.
  • the abscissa axis of this graph represents the amplitude of the displacement. in millimeter in the X direction relative to the predicted position.
  • the curves 144 to 151 represent the accumulations Ci 32 to Ci 39 calculated for, respectively, the detectors 132 to 139 by the microprocessor 26 for each position of the target 4.
  • the curves 154 to 156 represent, respectively, the arithmetic and geometric means of the cumulative C132 to C139. Each of these averages is a physical quantity M m proportional to the actual deposited energy and very insensitive to the displacement of the target 4 in any of the X, Y and Z directions.
  • the graphs of FIGS. 11 and 12 represent the evolution of these ratios in response to a displacement of the target 4, respectively, in the X and Y directions.
  • the detectors are not uniformly distributed around the origin O.
  • the device is more sensitive to the movement of the Bragg peak in certain directions than in others.
  • the physical quantity representative of the deposited energy must be corrected by multiplying it by a correction coefficient to find the total deposited energy.
  • this correction coefficient is for example determined during the preliminary calibration phase during which a known target situated at a known position is irradiated with a hadron beam of which all the characteristics are known. .
  • the correction coefficient of the physical quantity M m is then determined from the accumulations of the numbers of fast gamma rays measured under these known experimental conditions.
  • the correction coefficient can also be determined using numerical simulations rather than experimental measurements. It is also possible, rather than correcting the physical quantity M m , to correct the predicted value M e , for example, using the correction coefficient determined during the calibration phase.
  • the two previous variants can be combined, that is to say that the detectors are not located on a sphere centered on the target 4 and are not all uniformly distributed in space.
  • the number of detectors of the assembly 36 or 130 can be reduced to two or three detectors or four detectors. In another variant, the number of detectors is greater than five or eight or ten.
  • the assembly 36 may comprise fewer sensors.
  • the hadron counter is omitted.
  • the number of fast gamma rays recorded per flight time interval is not divided by the number of received hadrons. Even though the number of fast gamma rays recorded is not reduced to the number of incident hadrons, everything described here still works.
  • the microprocessor 26 detects only a displacement of the real position with respect to the predicted position or only one difference between the predicted and real energies. In other words, in a variant, the method only implements either operation 94 or operation 96.
  • the physical quantity M m may be equal to the harmonic or quadratic mean of the accumulations.
  • the physical quantity M m is not necessarily obtained from a simple average of the calculated accumulations. It may also be, as mentioned previously, a weighted average but also any other function that makes it possible to obtain a physical quantity proportional to the actual deposited energy from the calculated accumulations.
  • one or more additional detectors whose line of sight is not directed to the target 4 are added. These additional detectors then measure the background noise.
  • the microprocessor calculates an additional accumulation C s of the number of fast gamma rays measured by these additional detectors.
  • the microprocessor 26 proceeds as described for the detectors 40 to 44.
  • This or these additional accumulations C s are then subtracted from the accumulations C 40 to C 44 to reduce the influence of background noise.
  • the physical quantity M m established may be different from a simple average to correct, for example, the consequences of a non-uniform distribution of the detectors around the target.
  • the ratio is a ratio between a first cumulate product on a second cumulate product.
  • the target can not always be approximated by a sphere filled with a homogeneous material in all directions of space.
  • the target may be a flattened part of a human body or a part of the human body that is not homogeneous.
  • the calculation of the predicted values of the ratios and the physical quantity M m may be different. For example, if the material is not homogeneously distributed around the predicted position, the accumulations C 43 and C 44 calculated from the measurements of the detectors 43 and 44 are not necessarily equal even if the predicted and actual positions are confused. The predicted value of the ratio R z is therefore different from 1.
  • This value predicted ratio R z can however be estimated by numerical simulations taking into account the inhomogeneity of the material around the predicted position.
  • the predicted value of the R z ratio can also be obtained experimentally. What has just been explained in the particular case of the ratio R z can be implemented for all the other cumulation ratios and for the physical quantity M m .
  • this determination phase is implemented using one of the aforementioned simulation software.

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Abstract

Ce procédé de détection comporte : ) pour chaque détecteur, le calcul (90) d'un cumul des nombres de rayons gamma prompts mesurés uniquement à partir des relevés de ce détecteur, b1) l'établissement (94) d'au moins un rapport des cumuls calculés et d'un écart entre ce rapport établi et une valeur prédite pour ce rapport et, uniquement si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, la détection d'une différence entre une position prédite et une position réelle du pic de Bragg du faisceau d'hadrons, et/ou b2) l'établissement (96) d'une grandeur physique représentative de l'énergie déposée à l'intérieur de la cible à partir de plusieurs des cumuls calculés, et l'établissement d'un écart entre cette grandeur physique établie et une valeur prédite pour cette grandeur physique, puis, uniquement si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, la détection d'une différence entre une énergie déposée prédite et l'énergie déposée réelle.

Description

PROCÉDÉ DE DÉTECTION D'UNE DIFFÉRENCE ENTRE UNE
CARACTÉRISTIQUE PRÉDITE ET UNE CARACTÉRISTIQUE RÉELLE D'UN
FAISCEAU D'HADRONS [001] La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons, la caractéristique étant choisie dans le groupe composé de :
- la position du pic de Bragg du faisceau d'hadrons à l'intérieur de la cible, et
- l'énergie déposée par ce faisceau d'hadrons à l'intérieur de la cible.
[002] Ces procédés présentent un grand intérêt dans le cadre des traitements de patients par des hadrons, dits hadronthérapie. En effet, ils permettent de contrôler que le traitement se déroule comme cela avait été prédit.
[003] On rappelle que l'hadronthérapie a été proposée par Robert R. Wilson en 1946 et se fonde sur les caractéristiques de dépôt d'énergie des ions chargés dans la matière. Elle vise notamment à améliorer le traitement des cancers grâce à une excellente précision balistique et à une efficacité biologique optimale, proche de 1 dans les tissus sains et de l'ordre de 2 à 3 dans le volume tumoral. L'efficacité biologique d'un rayonnement est définie comme le rapport des doses délivrées avec des rayons X et avec le rayonnement considéré pour obtenir un même effet biologique, typiquement un taux de survie d'une population cellulaire de 10 %. En effet, contrairement aux rayonnements conventionnels, tels que les photons (X ou gamma) ou les électrons, dont le profil de dose délivrée aux tissus diminue progressivement avec la profondeur traversée, celui des ions permet un dépôt de dose élevé en fin de parcours, dénommé « pic de Bragg », alors que la dose déposée en amont, correspondant à une région dite « du plateau », est beaucoup plus faible. La position en profondeur du pic de Bragg est aussi appelée position de la fin du parcours du faisceau d'hadrons. C'est à cette position que se produit le maximum de l'efficacité biologique de l'irradiation. Cette position dépend de l'énergie incidente du faisceau d'hadrons chargés, de la composition chimique des matériaux traversés, et de la position relative de la cible par rapport au faisceau d'hadrons. L'énergie incidente du faisceau et sa direction sont donc réglés de manière à déposer le maximum d'énergie au sein d'une zone circonscrite, correspondant notamment à l'emplacement d'une tumeur, tout en épargnant les tissus sains en amont et en aval.
[004] De manière connue en soi les hadrons ionisés sont accélérés par un cyclotron ou un synchrotron et l'énergie de la particule à la sortie de l'accélérateur détermine la profondeur de pénétration.
[005] Grâce à ces propriétés, alliées à une faible diffusion latérale, la dose déposée dans les tissus par des hadrons chargés peut être confinée avec une précision nettement plus grande qu'en radiothérapie conventionnelle. Parmi les hadrons, on choisit de préférence des hadrons légers tels que les protons ou les ions carbone. Les ions carbone sont particulièrement avantageux car ils présentent une balistique sensiblement meilleure que celle des protons, c'est-à-dire une moindre dispersion latérale, et une efficacité biologique optimale.
[006] L'interaction des hadrons avec les tissus peut, lorsqu'il y a collision inélastique entre les noyaux projectile et cible, créer des phénomènes de fragmentation des hadrons qui produisent notamment des noyaux instables, des rayonnements gamma prompts et des neutrons.
[007] Ainsi, des procédés connus de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons, comporte :
a) la mesure d'un nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol à partir des relevés d'au moins deux détecteurs, ces détecteurs étant situés à des emplacements différents autour de la cible, et
b) la détection de cette différence à partir desdites mesures.
[008] Un tel procédé est par exemple divulgué dans la demande WO2015040225A1. Plus précisément, cette demande enseigne comment détecter une différence entre la profondeur prédite et la profondeur réelle du pic de Bragg du faisceau d'hadrons. Pour cela, cette demande enseigne qu'il faut construire une distribution des temps de vol classiquement appelée « spectre de temps de vol » à partir des relevés de chaque détecteur. Ce spectre comporte, en abscisse, l'intervalle de temps de vol entre un instant ti de référence et un instant t2 où des rayons gamma prompts sont détectés par le détecteur. L'instant ti correspond à l'instant d'émission du faisceau d'hadrons qui provoque l'apparition du rayon gamma prompt détecté. Ainsi, l'intervalle t2- correspond au temps écoulé entre l'instant ti où est émis l'impulsion d'hadrons et un instant t2 où sont détectés des rayons gamma prompts générés par cette impulsion. Ce temps écoulé est appelé « temps de vol ». En ordonnée, pour chaque valeur de l'intervalle t2-ti, le spectre comporte le nombre de rayons gamma prompts détectés ou le nombre de rayons gamma prompts détectés par hadron incident.
[009] Pour détecter une différence entre la profondeur prédite et la profondeur réelle du pic de Bragg, la demande WO2015040225A1 enseigne qu'il faut comparer à une valeur prédite, dite « de référence » :
- la position tc du centre du spectre construit, ou
- la position du maximum du spectre construit, ou
- la largeur ou la demi-largeur du spectre construit (page 10, ligne 23, à page 11, ligne 3 de la demande WO2015040225A1).
[0010] Une différence de 1 cm entre la profondeur prédite et la profondeur réelle du pic de Bragg se traduit par un décalage temporel d'environ 100 ps (picosecondes) du spectre de temps de vol. Ainsi, pour être capable de détecter un décalage temporel aussi petit, il faut que les instants ti et t2 soient à chaque fois relevés avec un très grande précision. Pour cela, en ce qui concerne l'instant ti, la demande WO2015040225A1 propose :
- soit d'utiliser un signal de synchronisation généré, par la source du faisceau d'hadrons, au moment où le faisceau d'hadrons est émis,
- soit de mesurer, à l'aide d'un capteur indépendant, l'instant auquel le faisceau d'hadrons traverse un plan de référence.
[0011] De plus, pour que des différences de moins d'un centimètre entre les profondeurs prédite et réelle soient détectables, avec les technologies actuelles, il faut que la largeur d'un paquet d'hadrons du faisceau, c'est-à-dire sa durée d'émission, soit inférieure à 5 ns et, de préférence, inférieure à 1 ns ou moins. Un paquet d'hadrons est plus connu sous le terme anglais de « bunch ». En effet, cette contrainte permet de faire fonctionner le procédé de la demande WO2015040225A1 avec des détecteurs de rayons gamma prompts dont la résolution temporelle est supérieure à 200 ps. A l'inverse, si la largeur du paquet d'hadrons est plus longue, par exemple supérieure à 10 ns, le procédé de la demande WO2015040225A1 devient très imprécis et ne fonctionne plus correctement avec les technologies actuelles.
[0012] La demande WO2015040225A1 enseigne aussi d'utiliser simultanément plusieurs détecteurs de rayons gamma prompts situés à différents emplacements autour de la cible. Dans ce cas, les mesures de chaque détecteur sont utilisées pour construire, pour chaque détecteur, un spectre de temps de vol respectif. L'instant ti de référence utilisé pour construire chacun de ces spectres est le même pour tous les spectres. Dans ces conditions, à partir des différents spectres construits, il est possible d'obtenir une estimation de la profondeur réelle R, à l'intérieur de la cible, à laquelle se situe le pic de Bragg.
[0013] Le procédé décrit dans la demande WO2015040225A1 est complexe à mettre en œuvre. En effet, pour être fiable et précis, il nécessite une très grande précision sur le relevé des instants et t2. Or le relevé précis de l'instant ti nécessite soit de disposer d'un signal précis de synchronisation généré à chaque fois qu'un paquet d'hadrons est émis soit d'un capteur précis qui relève l'instant de passage du faisceau d'hadrons à travers un plan de référence. Le relevé précis de l'instant t2 nécessite l'usage de détecteur avec une très bonne résolution temporelle. Ainsi, la fiabilité du procédé de la demande WO2015040225A1 dépend de la précision temporelle avec laquelle sont relevés les instants ti et t2 et donc de la précision temporelle des détecteurs. De plus, il faut que la largeur du paquet d'hadrons soit de l'ordre de la nanoseconde pour qu'il fonctionne correctement.
[0014] De l'état de la technique est également connu de :
- Krimmer J. et Al : « Collimated prompt gamma TOF measurements with multi-slit multi-detector configurations », Journal of Instrumentation, Institute of Physics Publishing, Bristol, GB, vol. 10, n°l, 28/01/2015, - Testa E. et Al : « Dose profile monitoring with carbon ions by means of prompt- gamma measurements », Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section B : Beam interactions with amterials ans atoms, Elsevier BV, NL, Vol. 267, n°6, 1/03/2009, pages 993-996,
- George DEDES et Al : « Monte Carlo Simulation of Particle Interactions with Tissue in Carbon Ion Therapy », International Journal of Paricle Therapy, Vol. 2, N°3, 1/12/2015, pages 447-458.
[0015] L'invention vise à remédier à cet inconvénient et notamment à proposer un procédé qui permette de détecter une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle correspondante du faisceau d'hadrons qui puisse fonctionner correctement pour des largeurs de paquets d'hadrons plus importantes. Elle a donc pour objet un tel procédé conforme à la revendication 1.
[0016] Dans le procédé revendiqué, ce sont les cumuls des nombres de rayons gamma prompts reçus pendant une fenêtre temporelle qui sont utilisés pour déterminer une différence entre les caractéristiques prédite et réelle du faisceau d'hadrons. Chaque cumul correspond à la surface d'un spectre de temps de vol. Des imprécisions sur les instants de réception par les détecteurs peuvent allonger, rétrécir ou décaler temporellement un spectre de temps de vol. Par contre, de telles imprécisions ne modifient pas sa surface et donc le cumul calculé. En effet, le cumul dépend uniquement du nombre de rayons gamma prompts reçus et non pas de l'instant auquel ils sont reçus. Les cumuls calculés sont donc peu sensibles à la précision sur les mesures des instants de réception des rayons gamma prompts par les détecteurs. Dès lors, à partir du moment où la précision sur les mesures des instants de réception des rayons gamma prompts est moins importante, la contrainte sur la largeur maximale du paquet d'hadrons peut elle aussi être relâchée. Par exemple, le procédé revendiqué fonctionne avec une largeur du paquet d'hadrons supérieure à 1 ns ou 5 ns.
[0017] De plus, l'utilisation d'une grandeur physique représentative de l'énergie déposée calculée à partir des cumuls calculés ou l'utilisation d'un rapport entre les cumuls calculés permet de faire la distinction entre :
- une différence causée par une modification accidentelle de l'énergie déposée, et
- une différence causée par un déplacement accidentel de la position du pic de Bragg.
[0018] En effet, la moyenne des cumuls calculés est sensible à l'énergie déposée dans la cible par le faisceau d'hadrons et peu sensible au déplacement accidentel du pic de Bragg à l'intérieur de la cible. A l'inverse, le rapport des cumuls calculés est sensible au déplacement accidentel du pic de Bragg et peu sensible à une modification accidentelle de l'énergie déposée à l'intérieur de la cible.
[0019] Les modes de réalisation du procédé de détection peuvent comporter une ou plusieurs des caractéristiques des revendications dépendantes. [0020] Ces modes de réalisation du procédé de détection présentent en outre un ou plusieurs des avantages suivants :
- Utiliser la moyenne de plusieurs cumuls calculés pour établir la grandeur physique représentative de l'énergie déposée permet d'obtenir une estimation de l'énergie déposée plus fiable. En effet, cette moyenne est très peu dépendante de la position du pic de Bragg à l'intérieur de la cible.
- Utiliser un rapport entre les cumuls calculés pour détecter un déplacement accidentel du pic de Bragg accroît la fiabilité de cette détection car ce rapport est très peu dépendant de l'énergie déposée à l'intérieur de la cible.
- L'utilisation de trois détecteurs dont les axes de visée ne sont pas situés dans un même plan permet de détecter un déplacement de la position réelle du pic de Bragg par rapport à la position prédite dans toutes les directions de l'espace. De plus, cela améliore la précision sur la mesure de l'énergie déposée réelle en la rendant moins sensible vis-à-vis d'un déplacement accidentel de la cible par rapport au faisceau d'hadrons dans une direction quelconque de l'espace.
- Placer les détecteurs sur une sphère centrée sur la position prédite du pic de Bragg simplifie la mise en œuvre du procédé. En effet, dans ce cas, il n'est pas nécessaire d'affecter à chaque cumul calculé un coefficient de pondération qui tienne compte du fait que certains détecteurs sont plus éloignés que d'autres de la position prédite du pic de Bragg. Cela simplifie une phase de calibration des valeurs de tels coefficients de pondération.
- Répartir uniformément les détecteurs autour de la position prédite simplifie la mise en œuvre du procédé car, pour établir une grandeur physique représentative de l'énergie déposée, il n'est pas nécessaire de corriger les cumuls pour tenir compte d'une répartition non uniforme des détecteurs autour de la position prédite du pic de Bragg. De plus, cette répartition uniforme rapproche les unes des autres la sensibilité des détecteurs au déplacement accidentel de la cible et cela quelle que soit la direction de ce déplacement dans l'espace ou dans un plan contenant tous les détecteurs. Cela permet aussi d'améliorer encore plus la fiabilité de la détection d'une différence entre les énergies déposées prédite et réelle car le produit ou la somme des cumuls calculés est alors encore moins sensible au déplacement accidentel du pic de Bragg dans ce plan ou dans cet espace contenant tous les détecteurs.
[0021] L'invention a également pour objet un support d'enregistrement d'informations comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé de détection revendiqué, lorsque ces instructions sont exécutées par un microprocesseur électronique.
[0022] L'invention a aussi pour objet un dispositif de détection pour la mise en œuvre du procédé revendiqué. [0023] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
- la figure 1 est une illustration schématique de l'architecture d'un système d'irradiation d'une cible ;
- les figures 2 et 3 sont, respectivement, une vue de face et une vue de côté d'un ensemble de capteurs du système de la figure 1 ;
- la figure 4 est un organigramme d'un procédé d'irradiation d'une cible à l'aide du système de la figure 1 ;
- la figure 5 est un graphe illustrant des spectres de temps de vol obtenus à l'aide du système de la figure 1 ;
- les figures 6 et 7 sont des graphes illustrant l'évolution de différents rapports de cumuls de nombres mesurés de rayons gamma prompts en fonction du déplacement de la cible par rapport au faisceau d'hadrons,
- les figures 8 et 9 sont, respectivement, une vue de devant et une vue de derrière d'un autre ensemble possible de capteurs ;
- les figures 10 à 12 sont des graphes illustrant l'évolution de différents rapports de cumuls de nombres de rayons gamma prompts mesurés à l'aide de l'ensemble des figures 8 et 9.
[0024] Dans ces figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Dans la suite de cette description, les caractéristiques et fonctions bien connues de l'homme du métier ne sont pas décrites en détails.
[0025] La figure 1 représente un système 2 d'irradiation d'une cible 4 à l'aide d'un faisceau 6 d'hadrons. Ici, le système 2 est un système de traitement par hadronthérapie de la cible 4. L'architecture générale du système 2 est bien connue et seuls les détails de cette architecture nécessaires à la compréhension de l'invention sont décrits ici. Pour une description plus détaillée de l'architecture d'un tel système, le lecteur peut consulter la demande WO 2015/04/02125A1.
[0026] Pour simplifier les explications qui suivent, la cible 4 est considérée comme étant une boule sphérique remplie de matières homogènes. Par exemple, cette boule sphérique est une boule de PMMA (Polyméthacrylate de méthyle).
[0027] À titre d'illustration, les hadrons du faisceau 6 sont des ions 12C6+. Le système 2 comporte une source 8 qui génère le faisceau 6. La source 8 génère un faisceau 6 rectiligne le long d'un axe 10 horizontal. La source 8 est par exemple un cyclotron ou un synchrotron ou toutes autres sources capables de générer le faisceau 6.
[0028] Le faisceau 6 est généralement généré par intermittence. Ainsi, la source 8 génère des impulsions d'hadrons plus connues sous le terme anglais de « burst » ou « bunch ». Chaque impulsion d'hadrons correspond à ce qui a précédemment été appelé un « paquet d'hadrons ». Par la suite, les termes « impulsion d'hadrons » et « paquet d'hadrons » sont utilisés comme des termes interchangeables. La durée d'une impulsion correspond à la largeur d'un paquet d'hadrons. Entre deux impulsions, aucun hadron n'est émis. Par exemple, ces impulsions sont générées périodiquement à une fréquence comprise entre 10 MHz et 200 MHz. La durée d'une impulsion est typiquement supérieure à 1 ns ou 2 ns. Cette durée est généralement inférieure à 50 ns ou 30 ns.
[0029] La source 8 génère ici un signal 12 de synchronisation synchronisé temporellement avec le début de chaque impulsion d'hadrons. Le signal 12 permet de déduire l'instant auquel débute l'impulsion d'hadrons générée. La source 8 comporte aussi une entrée 14 qui reçoit des instructions aptes à modifier les caractéristiques du faisceau 6 généré par la source 8. Par exemple, cette entrée 14 permet de modifier l'intensité du faisceau 6 et/ou l'énergie des hadrons du faisceau 6. Typiquement, l'énergie des hadrons est comprise entre 50 MeV et 300 MeV pour les protons et entre 800 MeV et 5000 MeV pour ions carbone. L'intensité du faisceau 6, c'est-à-dire le nombre d'hadrons par unité de temps, est typiquement comprise entre 0,l nA et 5 nA.
[0030] La cible 4 est située sur l'axe 10 de sorte que les hadrons du faisceau 6 entre en collision avec cette cible. Sur l'exemple de la figure 1, la position prédite du pic de Bragg résultant de la collision entre le faisceau 6 et la cible 4 est représentée par une croix.
[0031] Pour les explications qui suivent, on définit un repère orthogonal XYZ dont l'origine 0 est située sur l'axe 10. Ici, l'origine est en plus confondue avec la position du centre de gravité de la cible 4 avant que cette cible se déplace. La direction Z est parallèle à l'axe 10. La direction Y est la direction verticale.
[0032] Dans ce mode de réalisation, c'est la cible 4 qui se déplace et le faisceau 6 qui est immobile. À cet effet, le système comporte une table horizontale 16 et un actionneur commandable 18 apte à déplacer la table 16 dans les trois directions X, Y et Z. L'actionneur 18 comporte une entrée 20 pour recevoir des instructions de commande du déplacement de la table 16.
[0033] Le système 2 comporte une unité centrale 24 qui génère et transmet, au cours du traitement de la cible 4, des instructions à la source 8 et à l'actionneur 18 pour diriger automatiquement le déroulement du traitement de la cible 4.
[0034] À cet effet, l'unité centrale 24 comporte notamment un microprocesseur programmable 26 et une mémoire 28 raccordée à ce microprocesseur 26 par un bus 30 de transmission d'informations. Le microprocesseur 26 exécute des instructions enregistrées dans la mémoire 28. La mémoire 28 comporte les instructions et les données nécessaires à l'exécution du procédé de la figure 4. Plus précisément, le microprocesseur 26 est programmé pour appliquer à la cible 4 un plan de traitement prédéterminé. Le plan de traitement est, par exemple, préenregistré dans la mémoire 28. Le plan de traitement définit les différentes caractéristiques du traitement à appliquer et, notamment, pour chaque instant, du traitement : - l'énergie à déposer à l'intérieur de la cible 4, et
- l'emplacement où l'énergie doit être principalement déposée, c'est-à-dire la position du pic de Bragg.
[0035] Cette énergie et cette position définies à un instant donné par le plan de traitement sont nommées, respectivement, « énergie déposée prédite » et « position prédite ».
[0036] Suite à une erreur accidentelle, c'est-à-dire non prédite, l'énergie réellement déposée à l'intérieur de la cible 4 et/ou la position réelle du pic de Bragg à l'intérieur de la cible 4, lors du déroulement du traitement, peuvent être différentes, respectivement, de l'énergie déposée prédite et de la position prédite. Par la suite, pour distinguer les caractéristiques réelles du traitement de celles prédites, l'énergie réellement déposée et la position réelle du pic de Bragg sont nommées, respectivement, « énergie déposée réelle » et « position réelle ».
[0037] Le microprocesseur 26 est programmé pour corriger automatiquement au fur et à mesure du déroulement du traitement de la cible 4 les différences entre les caractéristiques prédites et réelles. Pour cela, il implémente un procédé de détection des différences entre les caractéristiques prédites et réelles. Ce procédé de détection est décrit en référence au procédé de la figure 4. Lorsqu'une différence significative entre les caractéristiques prédite et réelle est détectée, le microprocesseur 26 génère automatiquement des instructions qu'il transmet à la source 8 et/ou à l'actionneur 18 pour corriger et diminuer l'amplitude de cette différence ou pour arrêter automatiquement le traitement. À cet effet, l'unité centrale 24 est raccordée à l'entrée 14 de la source 8 et à l'entrée 20 de l'actionneur 18.
[0038] Ici, l'unité centrale 24 est raccordée à une interface homme machine 34 qui permet à un utilisateur de suivre le déroulement du traitement, et, si nécessaire, d'intervenir manuellement sur ce déroulement. Typiquement, l'interface homme machine 34 comprend un écran, par exemple, pour afficher les différences détectées par le microprocesseur 26.
[0039] Pour mesurer les caractéristiques réelles du traitement, l'unité centrale 24 est raccordée à un ensemble 36 de capteurs qui mesurent des grandeurs physiques représentatives des caractéristiques réelles du traitement appliqué à la cible 4. Cet ensemble 36 comporte notamment des détecteurs de rayons gamma prompts et, dans ce mode de réalisation, un compteur d'hadrons. Le compteur d'hadrons dénombre le nombre d'hadrons reçu par la cible 4 à un instant donné. Un tel compteur est bien connu, par exemple, il s'agit d'un moniteur de faisceau tel qu'une chambre à ionisation.
[0040] Les détecteurs de rayons gamma prompts de l'ensemble 36 sont décrits en référence aux figures 2 et 3.
[0041] Pour simplifier les figures 2 et 3, seuls les détecteurs de rayons gamma prompts ont été présentés. L'ensemble 36 peut aussi comporter d'autres détecteurs ou capteurs non représentés. À titre d'illustration, dans ce mode de réalisation, l'ensemble 36 comprend cinq détecteurs de rayons gamma prompts 40 à 44 structurellement identiques les uns aux autres. Chaque détecteur 40 à 44 est capable de relever l'interaction d'un rayon gamma prompt dans le volume sensible de détection. En réponse, il génère immédiatement une impulsion électrique qui est transmise à l'unité 24. L'instant auquel l'unité 24 reçoit cette impulsion correspond à un instant t3 de réception du rayon gamma prompt par le détecteur. Ensuite, l'unité 24 mesure le nombre d'impulsions pour lesquels l'instant t3 est à l'intérieur d'un intervalle [t2-ti-£ ; t2-ti+s] de temps de vol, où :
- t2 est l'instant de détection de rayons gamma prompts considéré, et
- ε est une valeur positive au moins cinq ou dix fois inférieure à t2-ti.
[0042] Par la suite, par intervalle de temps de vol t2-ti on désigne l'intervalle [t2-ti-e ; t2-ti+e]. Par exemple, ε est une constante inférieure à 500 ps ou 100 ps ou 10 ps. Dans les simulations numériques réalisées et décrites plus loin, ε est égal à 10 ps.
[0043] Ici, comme dans la demande WO2015040225A1, les détecteurs 40 à 44 sont dépourvus de collimateur. La structure et le fonctionnement d'un détecteur de rayons gamma prompts sont bien connus et ceux-ci ne sont pas décrits ici plus en détail. Pour une description plus détaillée d'un exemple de détecteur de rayons gamma prompts non collimaté, le lecteur peut se référer à l'article suivant : G. Pausch et Al, « Scintillator-Based High-Throughput Fast Timing Spectroscopy for Real-Time Range Vérification in Particle Therapy », IEEE Transaction on Nuclear Sciences, vol. 63, 2016, page 664.
[0044] Par exemple, ici, les détecteurs 40 à 44 sont les détecteurs commercialisés par la société High Technology Détection Systems (HTDS) sous la référence commerciale « Détecteur à scintillation Nal ».
[0045] Chaque détecteur comporte une face d'entrée permettant d'offrir un volume sensible optimal pour les rayons à détecter qui arrivent perpendiculairement à cette face d'entrée. Cette face d'entrée est tournée vers la région d'où sont émis les rayons gamma prompts à mesurer. On définit ici la ligne de visée d'un détecteur comme étant l'axe solidaire de ce détecteur perpendiculaire à la face d'entrée et passant par son centre. Sur les figures 2 et 3, les lignes de visé des détecteurs 40 à 44 portent, respectivement, les références numériques 50 à 54.
[0046] Ici, les détecteurs 40 à 44 sont situés exactement à la même distance de l'origine O. Autrement dit, ils sont tous situés sur une sphère 56 qui entoure la cible 4 et centrée sur l'origine O. Sur les figures 2 et 3, cette sphère est représentée par un trait continu. Toutefois, cette sphère 56 est le plus souvent seulement virtuelle et n'est pas matérialisée par une enveloppe matérielle. La distance L entre le centre de la sphère 56 et les détecteurs 40 à 44 est généralement supérieure à 40 cm ou 60 cm et peut même être supérieure à 1 m ou 2 m. En général, cette distance L est inférieure à 5 m. [0047] La face d'entrée de chacun de ces détecteurs est tournée vers l'origine O.
[0048] Dans ce mode de réalisation, les détecteurs 40 à 42 sont situés dans un même plan vertical PT perpendiculaire à l'axe 10 et passant par l'origine O. Dans ce plan PT, les détecteurs 40 à 42 sont uniformément répartis autour de l'origine O. Par « uniformément répartis », on désigne le fait que la distance la plus courte entre le centre géométrique d'un détecteur et le centre géométrique du détecteur qui est son plus proche voisin est égale à dmin à plus ou moins 5 % près ou 2 % près quel que soit le détecteur considéré, dmin étant une constante positive. Ici, à cause de cette répartition uniforme des détecteurs 40 à 42, les lignes de visée 50 à 52 découpent le plan PT en secteurs angulaires ayant chacun pour sommet l'origine O et les angles au sommet de chacun de ces secteurs angulaires sont tous égaux à plus ou moins 1° ou 5° près. Ici, les lignes de visée 50 à 52 découpent le plan PT en six secteurs angulaires ayant tous un angle au sommet égal à 60°.
[0049] Les détecteurs 43 et 44 sont situés dans un plan vertical PL parallèle à l'axe 10 et passant par l'origine O. Ici, ces détecteurs 43 et 44 sont symétriques l'un de l'autre par rapport au plan PT. Ces détecteurs 43, 44 sont situés en dehors de la trajectoire du faisceau 6 pour ne pas l'obstruer. Par exemple, le plus petit angle entre la direction Z et, respectivement, les lignes de visée 53 et 54, est supérieur, en valeur absolue, à 10° ou 20° et, généralement, inférieur à 80° ou 70°.
[0050] L'association de l'unité centrale 24 et des détecteurs 40 à 44 forme un dispositif de détection d'une différence entre les caractéristiques prédites et réelles.
[0051] Le fonctionnement du système 2 va maintenant être décrit en référence aux figures 4 et 5.
[0052] Lors d'une phase préparatoire 70, le plan de traitement est enregistré dans la mémoire 28. Ce plan de traitement définit notamment, pour chaque instant du traitement, l'énergie déposée prédite et la position prédite.
[0053] Une fois la phase préparatoire terminée, le procédé se poursuit par une phase 72 de traitement lors de laquelle le plan de traitement est appliqué à la cible 4.
[0054] Pour cela, lors d'une étape 74, le microprocesseur commande la source 8 et l'actionneur 18 pour déposer l'énergie prédite à la position prédite à l'intérieur de la cible 4. Ces commandes déclenchent donc l'émission du faisceau 6 par la source 8.
[0055] Lors d'une étape 76, en réponse, la source 8 déclenche l'émission du faisceau 6 et, si nécessaire, l'actionneur 18 déplace la table 16 et donc la cible 6 vers la position souhaitée. En même temps que l'émission du faisceau 6 est déclenchée, le signal 12 de synchronisation est généré.
[0056] En parallèle, lors d'une étape 80, chacun des détecteurs 40 à 44 génère une impulsion électrique à chaque fois que son volume sensible et touché par un rayon gamma prompt et transmet cette impulsion à l'unité 24. En réponse, le microprocesseur 26 mesure le nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol pour chacun des détecteurs 40 à 44. [0057] Lors d'une étape 82, le microprocesseur 26 filtre les mesures pour ne retenir que celles représentatives du nombre de rayons gamma prompts généré par la collision des hadrons du faisceau 6 avec la cible 4. Par exemple, à cet effet, le microprocesseur 26 détermine une fenêtre temporelle dt qui s'étend sur tout l'intervalle de temps pendant lequel chaque détecteur 40 à 44 reçoit les rayons gamma prompts générés par la collision du faisceau 6 avec la cible 4. Par exemple, le microprocesseur 26 détermine la largeur de la fenêtre dt en fonction, notamment, de la durée de l'impulsion du faisceau 6. La largeur de la fenêtre dt est supérieure ou égale à la durée d'une impulsion. Typiquement, la largeur de la fenêtre dt est comprise entre 1 ns et 15 ns et souvent comprise entre 6 ns et 8 ns.
[0058] La largeur de la fenêtre dt est aussi fixée de façon suffisamment étroite pour éliminer les mesures des rayons gamma prompts générés par d'autres sources que la collision du faisceau 6 avec la cible 4 et pour empêcher des mesures de particules parasites comme des neutrons.
[0059] Ensuite, le microprocesseur 26 détermine un temps de vol moyen à partir des différentes caractéristiques prédites et de la configuration connue du système 2. Ce temps de vol moyen est notamment déterminé à partir de l'instant ti d'émission du faisceau 6 par la source 8, de la durée d'une impulsion du faisceau 6, de l'énergie du faisceau 6, de la position prédite et de la distance connue entre chaque détecteur et l'origine O. L'instant ti peut être déduit du signal 12 de synchronisation.
[0060] Ensuite, le microprocesseur 26 retient pour les étapes suivantes uniquement les relevés des détecteurs 40 à 44 réalisées à l'intérieur de la fenêtre dt centrée sur le temps de vol moyen déterminé.
[0061] Lors de cette étape 82, de préférence, le microprocesseur 26 filtre les relevés pour ne retenir que les rayons gamma prompts dont l'énergie est supérieure à un seuil Es. Le seuil Es est par exemple supérieur ou égal à 500 keV et généralement inférieur à 5 MeV ou à 2 MeV. Ici, dans les simulations décrites par la suite, le seuil Es est fixé à 1 MeV. L'énergie d'un rayon gamma prompt peut être déduite de l'amplitude de l'impulsion électrique générée par le détecteur de rayons gamma prompts.
[0062] Pour une description plus détaillée d'un tel filtrage des mesures d'un détecteur de rayons gamma prompts, le lecteur peut se référer à la demande WO2009/141570A1.
[0063] Enfin, dans ce mode de réalisation, le nombre de rayons gamma prompts par intervalle t2-ti de temps de vol est ensuite divisé par le nombre d'hadrons détectés par le compteur d'hadrons pendant ce même intervalle de temps de vol. Ainsi, par la suite chaque spectre représente le nombre de rayons gamma prompts reçu par intervalle de temps de vol et par hadron incident.
[0064] Le graphe de la figure 5 représente un exemple d'un spectre 84 de temps de vol obtenu à partir des relevés du détecteur 40 après application du filtrage de l'étape 82. Dans ce premier cas, la position prédite et la position réelle du pic de Bragg sont confondues. Il est intéressant de remarquer que la surface 85 située sous le spectre 84 est représentative, et généralement proportionnelle, au nombre de rayons gamma prompts reçus pendant toute la durée de la fenêtre dt. La surface 85 est donc une mesure du nombre de rayons gamma prompts générés par la collision du faisceau 6 avec la cible 4. Cette surface 85 est égale au cumul, pendant toute la fenêtre dt, des nombres de rayons gamma prompts mesurés.
[0065] Sur le même graphe, un autre spectre 86 de temps de vol est également représenté. Le spectre 86 est aussi obtenu à partir des relevés du détecteur 40 après filtrage mais dans un second cas. Ce second cas est identique au premier cas sauf que la position réelle est décalée de 2 cm vers le bas, c'est-à-dire en s'éloignant du détecteur 40 dans la direction Y. Une telle différence entre la position prédite et la position réelle est par exemple causée par un déplacement accidentel de la cible 4 sur la table 16.
[0066] Dans ce second cas, les rayons gamma prompts sont émis à une distance plus importante du détecteur 40, ce qui diminue son efficacité. De plus, les rayons gamma prompts doivent traverser une épaisseur plus importante de la cible 4 avant d'atteindre le détecteur 40. À cause de cela, pendant la même fenêtre dt, le nombre de rayons gamma prompts relevé par le détecteur 40 est plus faible. Cela se traduit par le fait que la surface 87 du spectre 86 est plus petite que la surface 85. Ceci montre que la surface du spectre de temps de vol, et donc le cumul des nombres de rayon gamma prompts mesurés, dépend de la position réelle du pic de Bragg à l'intérieur de la cible 4. Ce cumul dépend aussi de l'énergie déposée réelle dans la cible 4. En effet, plus l'énergie déposée réelle est importante, plus le nombre de rayons gamma prompts générés est important et plus le cumul est grand. Ce cumul dépend aussi de l'intensité du faisceau 6 et de la composition des matériaux traversés par les hadrons dans la cible 4. Enfin, certains matériaux laissent passer plus ou moins facilement les rayons gamma prompts lors de leur transport vers les détecteurs. Par contre, ce cumul est peu sensible à la précision temporelle sur la mesure du temps de vol. En effet, qu'un nombre K de rayons gamma prompts soit mesuré comme étant reçu à 23,7 ns après l'instant ti d'émission ou à 24,3 ns après l'instant ti change la forme du spectre du temps de vol et, éventuellement sa largeur. Par contre cela ne change pas sa surface et donc le cumul du nombre de rayons gamma prompts.
[0067] Les étapes qui suivent mettent à profit la dépendance de ce cumul vis-à-vis de la position réelle du pic de Bragg et de l'énergie déposée réelle pour détecter des différences entre les caractéristiques prédites et réelles et sans que la fiabilité de cette détection soit affectée par la durée de l'impulsion ou par la précision temporelle des relevés des instants et t2.
[0068] Ainsi, lors d'une étape 90, le microprocesseur 26 calcule pour chaque détecteur le cumul des nombres de rayons gamma prompts mesurés, uniquement par ce détecteur, pendant la fenêtre dt. Ce cumul est calculé à partir des mesures filtrées lors de l'étape 82. Par la suite, les cinq cumuls calculés lors de cette étape pour les détecteurs 40 à 44 sont notés, respectivement, C4o a C44.
[0069] Ensuite, lors d'une étape 92, le microprocesseur 26 procède à la détection d'une différence entre les caractéristiques prédites et réelles du faisceau 6 à partir des cumuls C40 a C44. Dans ce mode de réalisation, lors de l'étape 92, le microprocesseur 26 procède :
- à une opération 94 de détection d'une différence entre la position prédite et la position réelle du pic de Bragg, et
- à une opération 96 de détection d'une différence entre l'énergie déposée prédite et l'énergie déposée réelle.
[0070] Lors de l'opération 94, le microprocesseur 26 détecte une différence entre les positions prédite et réelle à partir des rapports deux à deux des cumuls C40 à C44. Par exemple, pour détecter un déplacement de la position réelle dans la direction Z, le microprocesseur 26 établit le rapport Rz = C43/C44. En effet, les détecteurs 43 et 44 sont symétriques l'un de l'autre par rapport au plan PT. Donc, si la position réelle se déplace de 2 cm dans la direction Z en se rapprochant du détecteur 44, alors, la position réelle est plus proche du détecteur 44 que du détecteur 43. Dans ce cas, d'un côté, le nombre de rayons gamma prompts mesuré par le détecteur 44 croît d'une quantité Δη et, de façon correspondante, le nombre de rayons gamma prompts mesuré par le détecteur 43 diminue de la même quantité Δη. Ainsi, le rapport Rz est égal à (n43 - Δη)/(η44 + Δη), où n43 et n44 sont les valeurs prédites des cumuls, respectivement, C43 et C44 dans le cas où la position réelle était confondue avec la position prédite. Ces valeurs prédites n43 et n44 sont, par exemple, déterminées par simulation numérique lors de la phase 70.
[0071] Il existe de nombreux logiciels qui permettent de calculer les valeurs prédites utilisées pour la mise en œuvre du procédé de la figure 4. A titre d'illustration, les logiciels suivants de simulation peuvent être utilisé à cet effet :
- le logiciel de simulation Monte Carlo Geant4 décrit dans l'article suivant : J. Allison et Al, « Geant4 developments and applications », IEEE Transactions on Nuclear
Science, Volume:53 , Issue: 1, pages 270-278, 27/03/2006, ou
- le logiciel de prédiction analytique développé par IBA et décrit dans l'article suivant : E. Sterpin et Al, « Analytical computation of prompt gamma ray émission and détection for proton range », Physics in médecine & biology, 60 (2015), pages 4915- 4946.
[0072] Les courbes 100 et 102 du graphe de la figure 6 montrent l'évolution, respectivement, des cumuls C43 et C44 au fur et à mesure que la position réelle est déplacée dans la direction Z de -2 cm à +2 cm par rapport à la position prédite. Ces courbes 100 et 102, comme celles de tous les graphes illustrés ici, ont été obtenues par simulation numérique. Comme le montre ces courbes 100, 102, le cumul 43 décroît et le cumul 44 croît quand la position réelle se rapproche du détecteur 44. Inversement, le cumul 43 croît et le cumul 44 décroît quand la position réelle se rapproche du détecteur 43.
[0073] Après avoir établi le rapport Rz à partir des cumuls C43 et C44, le microprocesseur 26 établit un écart dz entre le rapport Rz et sa valeur prédite Rzp. La valeur Rzp est égale à n43/n44 et l'écart dz est égal à Rz-Rzp. Ensuite, il compare la valeur absolue de cet écart dz à un seuil prédéterminé Sz. Si cette valeur absolue dépasse ce seuil Sz, le microprocesseur 26 détecte une différence entre la position prédite et la position réelle. Il indique alors que la position réelle s'est déplacée dans la direction Z et aussi le sens de ce déplacement ainsi qu'une estimation de l'amplitude de ce déplacement. En effet, le signe de l'écart dz donne le sens du déplacement. L'amplitude de l'écart dz donne une indication sur l'amplitude du déplacement de la position réelle par rapport à la position prédite dans la direction Z.
[0074] De façon similaire à ce qui a été décrit ci-dessus pour un déplacement de la position réelle dans la direction Z, lors de l'opération 94, le microprocesseur détecte aussi :
- un déplacement de la position réelle dans la direction X à partir du rapport R x =
- un déplacement de la position réelle dans la direction Y à partir du rapport Ryi = C40/C4i et/ou du rapport Ry2 = C40/C42.
[0075] Lors de l'opération 96, le microprocesseur 26 détecte une différence entre l'énergie déposée prédite et l'énergie déposée réelle à partir d'une moyenne d'au moins deux des cumuls calculés et, de préférence, à partir d'une moyenne de tous les cumuls C40 à C44. Dans cette description, par « moyenne » on désigne aussi bien une moyenne pondérée des cumuls qu'une moyenne non pondérée. Par « moyenne pondérée », on désigne une moyenne dans laquelle des coefficients de pondérations différents sont affectés à chacun des cumuls. A l'inverse, par « moyenne non pondérée » on désigne une moyenne dans laquelle le même coefficient de pondération est affecté à chacun des cumuls. Par la suite, le procédé de la figure 4 est décrit dans le cas particulier d'une moyenne non pondérée.
[0076] Par exemple, lors de l'opération 96, le microprocesseur 26 établit la valeur d'une grandeur physique Mm. Ici, la grandeur physique Mm est égale à la moyenne non pondérée de tous les cumuls C40 à C44. Par exemple, cette grandeur physique Mm est la moyenne arithmétique ou géométrique des cumuls C40 à C44. On rappelle que la moyenne géométrique est définie par la relation suivante : Mm = (C40 x C4i x C42 x C43 x C44)15.
[0077] Les moyennes arithmétique ou géométrique sont proportionnelles à l'énergie déposée réelle et peu sensibles au déplacement du pic de Bragg à l'intérieur de la cible 4 par rapport à sa position prédite. Pour illustrer cette propriété, le graphe de la figure 7 représente les conséquences d'un déplacement accidentel de la cible 4 dans la direction Y par rapport au faisceau 6. Sur ce graphe, les courbes 106 à 108 représentent, respectivement, l'évolution des cumuls C4o, C4i et C42. L'axe des abscisses indique l'amplitude du déplacement de la cible 4 le long de l'axe de direction Y. Ici, des déplacements compris entre -2 cm et +2 cm ont été simulés. Quand la cible 4 s'éloigne du détecteur 40, le cumul C40 augmente car l'épaisseur de la cible 4 qui doit être traversée par les rayons gamma prompts générés pour atteindre le détecteur 40 diminue. À l'inverse, cela accroît l'épaisseur de la cible 4 qui doit être traversée par les rayons gamma prompts pour atteindre les détecteurs 41 et 42 et donc diminue les cumuls C4i et C42. Ce déplacement de la cible 4 simule un déplacement accidentel de la position réelle dans la direction Y. Sur ce graphe, la courbe 110 représente la valeur de la grandeur physique M m établie pour chaque position de la cible 4. Dans ce cas particulier, les moyennes arithmétique et géométrique sont pratiquement confondues. Contrairement aux cum uls C40 a C42 qui varient de façon importante en fonction du déplacement de la cible 4, la grandeur physique Mm établie est beaucoup moins sensible à ce déplacement dans la direction Y.
[0078] La courbe 112 sur le graphe de la figure 6 présente l'évolution de la grandeur physique Mm en réponse à un déplacement de la cible 4 dans la direction Z. Comme précédemment, cette simulation montre que la grandeur physique M m est beaucoup moins sensible au déplacement dans la direction Z que les cumuls C43 et C44 également représentés sur ce même graphe.
[0079] Ainsi, la grandeur physique Mm est une mesure de l'énergie déposée réelle robuste vis-à-vis des déplacements accidentels de la position réelle dans chaque direction contenant une paire de détecteurs. Ici, étant donné qu'il n'existe aucun plan contenant tous les détecteurs 40 et 44, la grandeur physique M m est peu sensible au déplacement accidentel de la cible 4 dans les trois directions X, Y et Z. Cela permet donc d'avoir une mesure de l'énergie déposée réelle plus précise.
[0080] Ensuite, le microprocesseur 26 établit un écart dm-e entre la grandeur physique Mm établie et une valeur prédite Me pour cette même grandeur physique Mm. Typiquement, l'écart dm-e est égal à Mm-Me. Comme pour l'opération 94, la valeur prédite Me est déterminée par simulation ou de façon expérimentale à partir du nombre de rayons gamma prompts qui devrait être mesuré par chacun des détecteurs 40 à 44 en absence de différence entre les positions prédite et réelle et entre les énergies déposées prédite et réelle.
[0081] Enfin, l'écart dm-e est comparé à un seuil prédéterminé Se. Si la valeur absolue de l'écart dm-e dépasse ce seuil Se, le microprocesseur 26 détecte une différence entre les énergies déposées prédite et réelle. Dans le cas contraire, aucune différence n'est détectée.
[0082] On remarque qu'en mettant en œuvre à la fois les opérations 94 et 96, le procédé permet de discriminer entre une différence causée par un déplacement accidentel du pic de Bragg à l'intérieur de la cible 4 et une différence causée par une modification accidentelle de l'énergie déposée réelle.
[0083] Enfin, lors d'une étape 120, si une différence entre une caractéristique prédite et réelle est détectée, le microprocesseur 26 génère automatiquement des instructions destinées à corriger cette différence et les transmet à la source 8 et/ou à l'actionneur 18. Par exemple, si un déplacement accidentel du pic de Bragg dans la direction Z est détecté, le microprocesseur 26 commande la source 8 pour modifier l'énergie du faisceau 6 et donc la profondeur à laquelle il pénètre à l'intérieur de cette cible 4. Si un déplacement accidentel du pic de Bragg dans la direction X ou Y est détecté, le microprocesseur 26 commande l'actionneur 18 pour déplacer la cible 4 dans la direction X ou Y afin de limiter, voire d'annuler, cette différence. Enfin, si l'énergie déposée réelle est différente de l'énergie déposée prédite, le microprocesseur 26 commande la source 8 pour modifier l'intensité du faisceau 6 de manière à diminuer cette différence.
[0084] Les figures 8 et 9 représentent un ensemble 130 de détecteurs susceptibles d'être utilisés à la place de l'ensemble 36. L'ensemble 130 est identique à l'ensemble 36 sauf qu'il comporte huit détecteurs 132 à 139. Les détecteurs 132 à 139 sont identiques aux détecteurs 40 à 44. De façon similaire, ils sont situés sur la sphère 56 et uniformément répartis dans l'espace autour de la cible 4. Ici, à cause de cette répartition uniforme des détecteurs 132 à 139, les lignes de visée, des détecteurs contenus dans cet espace tridimensionnel, découpent cet espace en secteurs angulaires tridimensionnels ayant chacun un sommet sur l'origine O et les angles solides au sommet de chacun de ces secteurs angulaires tridimensionnels sont tous égaux. Ici, chaque secteur angulaire est défini par quatre arêtes qui se coupent au niveau de l'origine O, chacune de ces arêtes s'étendant le long de la ligne de visée d'un détecteur respectif.
[0085] A cet effet, dans l'ensemble 130, chaque détecteur 132 à 139 est situé sur un sommet respectif d'un cube dont le centre est confondu avec l'origine O. Ici, une arête de ce cube est parallèle à la direction X.
[0086] Le fonctionnement du système 2 dans lequel l'ensemble 36 est remplacé par l'ensemble 130 se déduit des explications précédentes. Toutefois, l'augmentation du nombre de détecteurs améliore encore plus la fiabilité du procédé comme l'illustrent les graphes des figures 10 à 12.
[0087] Le graphe de la figure 10 illustre le fonctionnement du système 2 avec l'ensemble 130 dans le cas d'un déplacement de la cible 4 dans la direction X. L'axe des abscisses de ce graphe représente l'amplitude du déplacement en millimètre dans la direction X par rapport à la position prédite. Les courbes 144 à 151 représentent les cumuls Ci32 a Ci39 calculés pour, respectivement, les détecteurs 132 à 139 par le microprocesseur 26 pour chaque position de la cible 4. Les courbes 154 à 156 représentent, respectivement, les moyennes arithmétique et géométrique des cumuls C132 a C139. Chacune de ces moyennes est une grandeur physique Mm proportionnelle à l'énergie déposée réelle et très peu sensible au déplacement de la cible 4 dans l'une quelconque des directions X, Y et Z.
[0088] Les courbes 160, 161 et 162 des graphes des figures 11 et 12 représentent, respectivement, l'évolution des rapports suivants en fonction d'un déplacement de la cible 4 par rapport au faisceau 6 :
- le rapport Rz = (Ci32 + Ci35 + C136 + Ci3g)/(Ci33 + C134 + C137 + Ci3s)(courbe 160),
- le rapport Rx = (Ci32 + Ci33 + C134 + Ci35) (Ci36 + C137 + C138 + Ci3g)(courbe 161), et
- le rapport Ry = (Ci32 + Ci33 + C136 + Ci37) (Ci34 + C135 + C138 + Ci3g)(courbe 162).
[0089] Les graphes des figures 11 et 12 représentent l'évolution de ces rapports en réponse à un déplacement de la cible 4, respectivement, dans les directions X et Y.
[0090] Les courbes 161 et 162 varient quasiment linéairement en fonction de l'amplitude du déplacement, respectivement, dans les directions X et Y. Ceci permet d'estimer précisément l'amplitude du déplacement dans ces directions. Cette propriété est en grande partie due au fait qu'il s'agit de rapport entre des sommes de cumuls. Par exemple, les sommes Ci32 + Ci33 + Ci34 + Ci35 et d36 + Ci37 + Ci38 + Ci39 sont peu sensibles au déplacement dans les directions Y et Z. De plus, il a été vérifié par simulation que la courbe 161 reste quasiment inchangée même lorsque l'énergie des hadrons varient entre 63 MeV et 160 MeV. Dès lors, le rapport de ces deux sommes est surtout fonction du déplacement dans la direction X d'où la bonne linéarité de la courbe 161 dans le graphe de la figure 11.
[0091] De nombreux autres modes de réalisation sont possibles. Par exemple, d'autres types de détecteurs de rayons gamma prompts peuvent être utilisés. Par exemple, le détecteur décrit dans l'article suivant peut être utilisé : Chul-Hee-Min et al. : « prompts gamma measurements for locating the dose falloff in the proton therapy » Applied Physics Lettres 89, 183517 (2006). Il peut aussi s'agir d'un des détecteurs possibles cités dans la demande WO 2015/040225Al.Même si cela n'est pas nécessaire pour la mise en œuvre du procédé de détection décrit ci-dessus, les détecteurs peuvent être pourvus d'un collimateur comme celui décrit dans la demande WO2009141570A2.
[0092] En variante, certains détecteurs peuvent être plus éloignés de l'origine O que d'autres détecteurs. Autrement dit, il n'est pas nécessaire que tous les détecteurs soient situés sur une sphère centrée sur l'origine O. Dans ce cas, les détecteurs les plus éloignés relèvent un nombre de rayons gamma prompts plus petit que les détecteurs les plus proches de l'origine O. Pour compenser ce phénomène qui n'est pas provoqué par une différence entre les caractéristiques prédites et réelles, chaque cumul peut être pondéré par un coefficient de pondération. Ces coefficients de pondération sont déterminés lors d'une phase de calibration préalable. Par exemple, lors de cette phase de calibration, une cible connue située à une position connue par rapport au faisceau d'hadrons est irradiée par un faisceau d'hadrons dont toutes les caractéristiques sont connues. Les valeurs des coefficients de pondération sont alors déterminées à partir des cumuls des mesures des détecteurs réalisées dans ces conditions expérimentales connues. De préférence, la phase de calibration est réitérée pour plusieurs positions différentes connues de la cible par rapport au faisceau d'hadrons afin de déterminer la valeur des coefficients de pondération qui, en moyenne, limitent au maximum l'écart entre les énergies déposées réelles et prédites.
[0093] Les coefficients de pondération peuvent aussi être déterminés à l'aide de simulations numériques plutôt qu'à partir de mesures réelles des détecteurs. Pour ces simulations numériques, la position des détecteurs par rapport au pic de Bragg est un paramètre connu. Plutôt que de pondérer les cumuls établis avec ces coefficients de pondération, il est aussi possible de tenir compte des éloignements différents des détecteurs dans le calcul des valeurs prédites des rapports et de la grandeur physique Mm représentative de l'énergie déposée. Par exemple, les coefficients de pondération déterminés lors de la phase de calibration sont alors utilisés pour corriger ces valeurs prédites plutôt que les cumuls calculés.
[0094] Dans une autre variante, les détecteurs ne sont pas uniformément répartis autour de l'origine O. Dans ce cas, le dispositif est plus sensible au déplacement du pic de Bragg dans certaines directions que dans d'autres. De même, la grandeur physique représentative de l'énergie déposée doit être corrigée en la multipliant par un coefficient de correction pour retrouver l'énergie déposée totale. Comme pour les coefficients de pondération de la variante précédente, ce coefficient de correction est par exemple déterminé lors de la phase de calibration préalable pendant laquelle une cible connue située à une position connue est irradiée avec un faisceau d'hadrons dont toutes les caractéristiques sont connues. Le coefficient de correction de la grandeur physique Mm est ensuite déterminé à partir des cumuls des nombres de rayons gamma prompts mesurés dans ces conditions expérimentales connues. Comme précédemment, le coefficient de correction peut aussi être déterminé à l'aide de simulations numériques plutôt qu'à partir de mesures expérimentales. Il est aussi possible, plutôt que de corriger la grandeur physique M m, de corriger la valeur prédite Me, par exemple, à l'aide du coefficient de correction déterminé lors de la phase calibration.
[0095] Les deux variantes précédentes peuvent être combinées, c'est-à-dire que les détecteurs ne sont pas situés sur une sphère centrée sur la cible 4 et ne sont pas tous uniformément répartis dans l'espace.
[0096] Le nombre de détecteurs de l'ensemble 36 ou 130 peut être réduit à deux ou trois détecteurs ou quatre détecteurs. Dans une autre variante, le nombre de détecteurs est supérieur à cinq ou huit ou dix.
[0097] L'ensemble 36 peut comporter des capteurs supplémentaires. Par exemple, dans une variante, l'ensemble 36 comporte en plus un détecteur supplémentaire d'hadrons apte à générer une impulsion à chaque fois qu'un hadron est détecté. Typiquement, ce détecteur est placé à proximité du point d'entrée du faisceau 6 à l'intérieur de la cible. L'impulsion générée est alors utilisée pour déduire l'instant ti d'une impulsion d'hadrons. Dans ce cas, le signal de synchronisation peut être omis. Un tel détecteur supplémentaire est aussi nécessaire si l'énergie des hadrons est modifiée entre la source 8 et la cible 4. Par exemple, l'énergie des hadrons est modifiée s'ils traversent un ralentisseur avant d'atteindre la cible 4.
[0098] A l'inverse, l'ensemble 36 peut comporter moins de capteurs. Par exemple, dans une variante simplifiée le compteur d'hadrons est omis. Dans ce cas, dans chaque spectre de temps de vol, le nombre de rayons gamma prompts relevés par intervalle de temps de vol n'est pas divisé par le nombre d'hadrons reçus. Même si le nombre de rayons gamma prompts relevés n'est pas ramené au nombre d'hadrons incidents, tout ce qui est décrit ici fonctionne encore.
[0099] En variante, la cible 4 est immobile et c'est le faisceau 6 qui se déplace. À cet effet, le système 2 comporte alors en plus un dispositif commandable apte à dévier le faisceau 6 et à le diriger dans une direction souhaitée en réponse à une commande.
Par exemple, le faisceau 6 peut être dévié par des champs magnétiques générés par des aimants permanents ou des bobines. Dans ce cas, l'actionneur 18 peut être omis.
Dans un autre mode de réalisation, le système comporte à la fois l'actionneur 18 et le dispositif commandable apte à dévier le faisceau 6. Lorsque le faisceau 6 est dévié, par exemple, l'ensemble 36 ou 130 est déplacé de façon correspondante pour que les détecteurs restent situés sur une sphère centrée sur la position prédite du pic de
Bragg.
[00100] Les valeurs prédites Me de la grandeur physique Mm ou d'un des rapports peuvent aussi être obtenues à partir des précédentes valeurs établies pour cette grandeur physique Mm ou ce rapport. Par exemple, si le plan de traitement indique que l'énergie déposée est constante pendant une période ΔΤ s'étendant d'un instant tx à un instant ty, alors il est possible d'utiliser comme valeur prédite Me pendant cette période ΔΤ, la grandeur physique Mm établie à partir des mesures des détecteurs à l'instant tx. En effet, pendant la période ΔΤ, s'il n'y a aucune dérive des caractéristiques du faisceau 6, la grandeur physique Mm reste constante et donc égale à la grandeur Mm établie à l'instant tx. À l'inverse, si l'énergie déposée réelle dérive, la grandeur physique Mm change au cours de la période ΔΤ par rapport à sa valeur initiale à l'instant tx. Dès lors, l'écart entre la valeur initiale et la valeur courante de la grandeur physique Mm peut dépasser le seuil Se au-delà duquel une différence est détectée. De façon similaire, les valeurs prédites des rapports Rx, Ry et Rz peuvent être estimées à partir des rapports Rx, Ry et Rz établis à l'instant tx.
[00101] Dans une variante simplifiée, le microprocesseur 26 détecte uniquement un déplacement de la position réelle par rapport à la position prédite ou uniquement une différence entre les énergies prédite et réelle. Autrement dit, en variante, le procédé met uniquement en œuvre soit l'opération 94 soit l'opération 96.
[00102] Dans une autre variante simplifiée, le microprocesseur 26 ne détecte qu'un déplacement de la position réelle dans seulement une ou deux directions de l'espace, telles que les directions X et Y, et non pas dans les trois directions comme décrit en référence à la figure 4.
[00103] D'autres méthodes d'établissement de la grandeur physique M m à partir des cumuls calculés peuvent être implémentées à la place ou en plus des méthodes déjà précédemment décrites. Par exemple, la grandeur physique M m peut être égale à la moyenne harmonique ou quadratique des cumuls. De plus, la grandeur physique M m n'est pas nécessairement obtenue à partir d'une simple moyenne des cumuls calculés. I l peut aussi s'agir comme évoqué précédemment d'une moyenne pondérée mais aussi de toute autre fonction qui permet d'obtenir une grandeur physique proportionnelle à l'énergie déposée réelle à partir des cumuls calculés. Par exemple, en variante, un ou plusieurs détecteurs supplémentaires dont les lignes de visée ne sont pas dirigées vers la cible 4 sont ajoutés. Ces détecteurs supplémentaires mesurent alors le bruit de fond. Ensuite, pour chacun de ces détecteurs supplémentaires, le microprocesseur calcule un cumul supplémentaire Cs du nombre de rayons gamma prompts mesuré par ces détecteurs supplémentaires. Pour cela, typiquement, le microprocesseur 26 procède comme décrit pour les détecteurs 40 à 44. Ce ou ces cumuls supplémentaires Cs, éventuellement affectés ou non d'un coefficient de pondération, sont ensuite soustraits aux cumuls C40 à C44 pour réduire l'influence du bruit de fond. De façon similaire, la grandeur physique M m établie peut être différente d'une simple moyenne pour corriger, par exemple, les conséquences d'une répartition non uniforme des détecteurs autour de la cible.
[00104] De même, il existe d'autres méthodes de calcul d'un rapport entre les cumuls que celles précédemment présentées. Par exemple, en variante, le rapport est un rapport entre un premier produit de cumuls sur un second produit de cumuls. Pour illustrer cette variante, dans le cas de l'ensemble 130, le rapport Rz peut aussi être établi à l'aide de la relation suivante : Rz = (Ci32 x Ci35 x Ci36 x Ci39)1/4/(Ci33 x Ci34 x Ci37
[00105] En pratique, la cible ne peut pas toujours être approximée par une sphère remplie d'un matériau homogène dans toutes les directions de l'espace. Par exemple, la cible peut être une partie aplatie d'un corps humain ou une partie du corps humain qui n'est pas homogène. Dans ce cas, pour appliquer le procédé ci-dessus, le calcul des valeurs prédites des rapports et de la grandeur physique M m peut être différent. Par exemple, si la matière n'est pas répartie de façon homogène autour de la position prédite, les cumuls C43 et C44 calculés à partir des mesures des détecteurs 43 et 44 ne sont pas nécessairement égaux même si les positions prédite et réelle sont confondues. La valeur prédite du rapport Rz est donc différente de 1. Cette valeur prédite du rapport Rz peut cependant être estimée par des simulations numériques prenant en compte l'inhomogénéité de la matière autour de la position prédite. La valeur prédite du rapport Rz peut aussi être obtenue de façon expérimentale. Ce qui vient d'être expliqué dans le cas particulier du rapport Rz peut être mis en œuvre pour tous les autres rapports de cumuls et pour la grandeur physique Mm. Ainsi, même dans le cas où la matière n'est pas uniformément répartie autour de la position prédite, il est quand même possible de mettre en œuvre le procédé décrit ci-dessus en procédant préalablement à une phase de détermination des différentes valeurs prédites. Par exemple, cette phase de détermination est mise en œuvre en utilisant l'un des logiciels de simulation précédemment cités.
[00106] Le procédé décrit ci-dessus fonctionne avec tout type d'hadrons, comme par exemple, des protons ou des ions carbone 12C6+.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons, la caractéristique étant choisie dans le groupe composé de :
- la position du pic de Bragg du faisceau d'hadrons à l'intérieur de la cible, et
- l'énergie déposée par ce faisceau d'hadrons à l'intérieur de la cible, ce procédé comportant :
a) la mesure (80) d'un nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol à partir des relevés d'au moins deux détecteurs, ces détecteurs étant situés à des emplacements différents autour de la cible, et
b) la détection (92) de cette différence à partir desdites mesures,
caractérisé en ce que :
1) pour chaque détecteur, le procédé comporte le calcul (90) d'un cumul des nombres de rayons gamma prompts, mesurés uniquement à partir des relevés de ce détecteur, pendant une fenêtre temporelle s'étendant sur tout l'intervalle de temps pendant lequel les rayons gamma prompts générés par les collisions entre les hadrons du faisceau et la cible sont reçus par ce détecteur,
2) l'étape b) comporte :
- bl) l'établissement (94) d'au moins un rapport des cumuls calculés et d'un écart entre ce rapport établi et une valeur prédite pour ce rapport et, uniquement si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, la détection d'une différence entre la position prédite et la position réelle du pic de Bragg du faisceau d'hadrons, et/ou
- b2) l'établissement (96) d'une grandeur physique représentative de l'énergie déposée à l'intérieur de la cible à partir de plusieurs des cumuls calculés, et l'établissement d'un écart entre cette grandeur physique établie et une valeur prédite pour cette grandeur physique, puis, uniquement si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, la détection d'une différence entre l'énergie déposée prédite et l'énergie déposée réelle.
2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l'étape b) comporte au moins l'opération bl).
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape b) comporte au moins l'opération b2).
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape b) comporte à la fois les opérations bl) et b2).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape a) (80) comporte la mesure du nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol à partir des relevés d'au moins trois détecteurs qui ne sont pas situés dans un même plan passant par une position prédite du pic de Bragg à l'intérieur de la cible.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape a) (80) comporte la mesure du nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol uniquement à partir des relevés des détecteurs situés sur une sphère qui entoure la cible.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape a) (80) comporte la mesure du nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol uniquement à partir des détecteurs uniformément répartis, dans un plan ou dans l'espace, autour de la cible.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape a) (80) comporte la mesure des nombres de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol à partir des relevés d'un groupe d'au moins huit détecteurs situés chacun sur un sommet respectif d'un cube qui entoure la cible.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de l'opération b2) (96), la grandeur physique représentative de l'énergie déposée réelle est établie à partir d'une moyenne de plusieurs des cumuls calculés.
10. Support d'enregistrement d'informations, caractérisé en ce qu'il comporte des instructions pour la mise en œuvre d'un procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, lorsque ces instructions sont exécutées par un microprocesseur électronique.
11. Dispositif de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons, la caractéristique étant choisie dans le groupe composé de :
- la position du pic de Bragg du faisceau d'hadrons à l'intérieur de la cible, et
- l'énergie déposée par ce faisceau d'hadrons à l'intérieur de la cible, ce dispositif comportant : - au moins deux détecteurs (40-44 ; 132-139) de rayons gamma prompts situés à des emplacements différents autour de la cible, et
- une unité centrale (24) électronique apte :
• à mesurer un nombre de rayons gamma prompts reçus par intervalle de temps de vol à partir des relevés desdits au moins deux détecteurs, et
• à détecter la différence à partir desdits mesures,
caractérisé en ce que l'unité centrale comporte un microprocesseur (26) programmé pour :
1) calculer, pour chaque détecteur, un cumul des nombres de rayons gamma prompts, mesurés uniquement à partir des relevés de ce détecteur, pendant une fenêtre temporelle s'étendant sur tout l'intervalle de temps pendant lequel les rayons gamma prompts générés par les collisions entre les hadrons du faisceau et la cible sont reçus par ce détecteur,
2) détecter la différence :
- bl) en établissant au moins un rapport des cumuls calculés et un écart entre ce rapport établi et une valeur prédite pour ce rapport et, uniquement si cet écart dépasse un seuil prédéterminé, la détection d'une différence entre la position prédite et la position réelle du pic de Bragg du faisceau d'hadrons, et/ou
- b2) en établissant une grandeur physique représentative de l'énergie déposée à l'intérieur de la cible à partir de plusieurs des cumuls calculés, puis en établissant un écart entre cette grandeur physique établie et une valeur prédite pour cette grandeur physique, puis en détectant une différence entre l'énergie déposée prédite et l'énergie déposée réelle uniquement si cet écart dépasse un seuil prédéterminé.
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