Studies of the performance of a detector dedicated to ballistic control during hadrontherapy treatments using Monte-Carlo simulation code

L'utilisation de faisceaux d’ions (protons ou ions légers) permet d'obtenir, lors du traitement, un dépôt d'énergie localisé en fin de parcours dans une zone réduite de l'espace. Les cibles privilégiées pour cette thérapie sont les tumeurs « radiorésistantes » ou les traitements nécessitant une balistique très précise, du fait de la présence d'organes à risques à proximité de la tumeur. Cependant, comme la détermination du parcours des ions et donc de la dose délivrée est dépendante de grandeurs qui restent difficiles à mesurer précisément, d’importantes marges de sécurité doivent être prises lors de la conception du plan de traitement. En conséquence, il est nécessaire de mettre en place un système performant de contrôle balistique afin de garantir la qualité du traitement. Une des possibilités pour le contrôle balistique repose sur la mesure en temps réel de la distribution spatiale des radionucléides émetteurs de positons produits par réaction de fragmentation entre le projectile et la cible et donc sur la détection en coïncidence de deux photons. Pour cela, un premier prototype appelé Détecteur Pixélisé de Grande Acceptance (DPGA) a été conçu puis construit au sein du laboratoire de Physique de Clermont. Dans un premier temps, ce travail a permis de comparer les prédictions de deux modèles hadroniques implémentés dans Geant4 aux mesures expérimentales effectuées par une autre équipe (Dendooven et al.) à 55 MeV. Ensuite, nous nous sommes attachés à caractériser les performances du DPGA et à déterminer son potentiel lors de son utilisation en faisceau clinique. Pour cela nous avons développé une simulation Monte-Carlo dédiée permettant de comprendre la physique associée, le détecteur et les expériences effectuées sur faisceau de protons 65 MeV à l’Institut méditerranéen de Protonthérapie (IMPT) de Nice. Enfin, comme le DPGA sera à terme couplé avec un système d’acquisition à grande bande passante (μTCA) autorisant l’envoi et le traitement des données mesurées en temps réel, nous avons fait une étude des performances attendues sur la ligne PROTEUS ONE de l'IMPT à 120 et 230 MeV.The use of ion beams (protons or light ions) makes it possible to obtain, during treatment, a localised energy deposit at the end of the treatment in a small area of space. The preferred targets for this therapy are "radioresistant" tumours or treatments requiring very precise ballistics, due to the presence of high-risk organs close to the tumour. However, as the determination of the ion path and thus the delivered dose is dependent on quantities that are difficult to measure precisely, large safety margins must be taken into account when designing the treatment plan. Consequently, it is necessary to set up an efficient ballistic control system in order to guarantee the quality of the treatment. One of the possibilities for ballistic control is based on the real-time measurement of the spatial distribution of positron-emitting radionuclides produced by the fragmentation reaction between the projectile and the target and thus on the coincident detection of two photons. For this purpose, a first prototype called Large Area Pixelized Detector (LAPD) was designed and built at the Clermont Physics Laboratory. Initially, this work allowed to compare the predictions of two hadronic models implemented in Geant4 with experimental measurements performed by Dendooven et al. at 55 MeV. We then focused on characterizing the performance of the LAPD and determining its potential when used in a clinical beam. For this purpose, we developed a Monte-Carlo simulation dedicated to understand the associated physics, the detector and the experiments carried out on 65 MeV proton beam at the Institut Mediterranéen de Protonthérapie (IMPT) in Nice. Finally, as the LPAD will eventually be coupled with a high-bandwidth acquisition system (μTCA) allowing the sending and processing of the measured data in real time, we have made a study of the performances expected on the PROTEUS ONE line of the IMPT at 120 and 230 MeV