La dosimétrie pour les nuls

Erwann Rault (Physicien médical, PhD)

Centre Oscar Lambret - Lille

Lille, le 5 Mars 2015

Nick Veasey (x-ray running skeletons)

E

Concept de dose

Effets biologiques des rayonnements ionisants

But du concept de dose: relier ce qui se passe

au niveau physique aux effets biologiques.

P 1. La dose: généralités Dépôt de la dose dans la matière

Principales unités de dose / Définitions

2. Faisceaux de particules Mesure physique de la dose

Faisceaux de photons

Faisceaux d’électrons

3. Planification 3D-CRT Les bases

Exemples de plans de traitement

Plan du cours Attention: ce cours

traitera seulement

des photons et

des électrons.

La Dose: Généralités La Dose: Généralités

1 Ionisations Base des effets biologiques

1 Rayonnements ionisants Ionisation directe ou indirecte

Rayonnements

directement ionisants (particules chargées)

Dépôt d’énergie dans la matière

grâce aux interactions

coulombiennes des particules

chargées et des électrons orbitaux

des atomes.

Absorption d’énergie (une grande

partie de l’énergie de la particule

incidente est absorbée localement).

1 Rayonnements ionisants Ionisation directe ou indirecte

Rayonnements

indirectement ionisants (particules non chargées)

Dépôt d’énergie dans la matière en 2

étapes: (1) émission d’une particule

chargée dans le milieu puis (2)

interactions de la particule chargées

avec les électrons orbitaux.

Transfert d’énergie (une partie de

l’énergie de la particule incidente est

transférée à un électron qui va

interagir avec le milieu).

Electrons: la plupart de leur énergie est absorbée localement

Absorption d’énergie

Photons: leur énergie est d’abord transférée à des particules chargées avant d’être absorbée localement

Transfert d’énergie

1 Rayonnements ionisants Absorption / transfert d’énergie

1 Grandeurs dosimétriques Que se passe-t-il localement?

Quantité dosimétrique (J/kg) = Energie transférée/absorbée

Masse

1 Le KERMA Pour les particules non chargées

Le KERMA (Kinetic Energy Released per unit MAss) correspond

à l’énergie moyenne transférée par les particules neutres aux

particules chargées dans un volume unitaire, indépendamment

des interactions qui vont intervenir ensuite.

(Gy)

1 La dose absorbée Finalement…

La dose absorbée (en Gy) dans le volume V est

l’énergie moyenne dans ce volume divisée par la

masse du volume.

1 La dose absorbée Finalement…

Comme les électrons se déplacent dans la matière et déposent

leur énergie le long de leur trajet, l’absorption d’énergie n’a pas

lieu au même endroit que le transfert d’énergie (KERMA).

La dose est donnée par les électrons secondaires!

1 La dose absorbée Conclusion

Faisceaux de particules Faisceaux de particules

2 Mesure physique de la dose En pratique?

2

2 Mesure physique de la dose Etalonnage de

l’accélérateur

S 90 cm

10 cm

10x10 cm2

L’étalonnage de l’accélérateur

a pour but de définir la dose par

UM dans les conditions de

référence.

Tous les traitements sont réalisés

à partir de cet étalonnage.

2 Mesure physique de la dose Etude des faisceaux

Faisceau

de particules

x

y

z

Directions x et y: profils

Direction z: rendements

en profondeur

2 Mesure physique de la dose Rendement en profondeur

x y

z

Rendement en profondeur

zone de build up

maximum

décroissance

z

2 Mesure physique de la dose Profils de dose

x y

z

Profil de dose

plat (cône égalisateur)

pénombre en bord de champ

2 Faisceaux de photons Rendement en profondeur

Dose

Profondeur

100

DE

zmax

Dose à l’entrée: DE

Contributions spécifiques:

- photons primaires

- photons diffusés (collimateur,

filtre égalisateur et air)

- électrons de contamination

produits dans la tête de

l’accélérateur

2 Faisceaux de photons Dose a l’entrée

Dose

Profondeur

100

DE

zmax

Zone de build up: région entre

z=0 et z=zmax

Cette région résulte du parcours

relativement long des particules

chargées secondaires (électrons

éjectés par les interactions des

photons) dans le milieu. A zmax, l’ensemble des particules

chargées sortant d’un petit volume

est le même que le nombre de

particules entrant dans ce volume.

Après le build up, on est dans

les conditions d’équilibre

électronique.

2 Faisceaux de photons Build up

2 Faisceaux de photons Build up

Dose

Profondeur

100

DE

zmax

Zone de décroissance de la dose

deux effets principaux:

1. la loi de l’inverse carré des

distances (faisceau divergent)

2. l’atténuation et la diffusion des

photons dans le patient.

2 Faisceaux de photons Après zmax…

2 Faisceaux de photons Loi de l’inverse carré des distances

2 Faisceaux de photons L’atténuation des photons

2 Faisceaux de photons Influence de l’énergie

2 Faisceaux de photons Taille de champ

2 Faisceaux de photons Influence de la DSP

Région centrale Plate grâce au filtre

égalisateur

Pénombre (région 20%-80%)

Leur taille dépend:

- de la taille de la source

- de la taille de champ

- de l’équilibre électronique

latéral (énergie).

D50

2 Faisceaux de photons Profils de dose

2 Faisceaux de photons Profils de dose (machines récentes)

Fogliata et al. Definition of parameters for quality assurance of flattening filter free (FFF) photon beams in radiation

therapy Med. Phys. 39(10) October 2012

Paramètres importants sur le

rendement en profondeur:

- Energie: si E ↗

• dose à la peau ↘

• dose en profondeur ↗

- DSP: si DSP ↗

• rendement en profondeur ↗

- Taille de champ: si elle ↘

• dose à la peau ↘

• profondeur du max ↗

Peu d’influence sur profils

et pénombres.

2 Faisceaux de photons Conclusion

Dose

Profondeur

100

DE

R100

50

R85 R50 Rp

Faisceaux d’électrons:

mono-énergétiques

Queue de distribution de

dose due aux photons

bremsstrahlung.

Prescription: le volume

cible irradié à une valeur

de dose supérieure à 85%

de la dose maximale:

parcours thérapeutique.

2 Faisceaux d’électrons Caractéristiques

PDD: Avec l’énergie augmentent

- la dose a la surface

- la profondeur thérapeutique

- la contamination bremsstrahlung

Rqe: zmax ne varie pas relativement

à l’énergie

Profils: La pénombre augmente

avec l’énergie.

2 Faisceaux d’électrons Influence de l’énergie

PDD: Au dessus de 7x7 cm2 peu

d’influence de la taille de champ sur

le PDD.

Profils: Peu de variation avec la

taille de champ

2 Faisceaux d’électrons Influence de la taille de champ

2 Faisceaux d’électrons Influence de la taille de champ

PDD: peu d’influence de la DSP

Profils: peu d’influence de la DSP

2 Faisceaux d’électrons Influence de la DSP

Les électrons sont très

complémentaires des photons.

Ils sont adaptés aux tumeurs

superficielles.

Inconvénients de ces faisceaux:

1. la largeur de pénombre est

beaucoup plus importante qu’avec des

faisceaux de photons.

2. Ils sont très sensibles à l’obliquité et

aux hétérogénéités.

3. Attention aux mini-faisceaux!

2 Faisceaux d’électrons Conclusions

Planification 3D-CRT Planification 3D-CRT

3 Planification 3D-CRT Position du problème

On doit irradier le PTV à une dose

suffisante pour obtenir un effet

thérapeutique tout en limitant la dose

aux organes à risque et aux tissus

sains.

3 Planification 3D-CRT Radiothérapie conformationnelle

La radiothérapie conformationnelle

s’efforce de résoudre ce problème

avec un nombre limité de

faisceaux (typiquement < 6) et en

utilisant le collimateur multi-lames

présent sur la grande majorité des

accélérateurs.

3 Planification 3D-CRT Radiothérapie conformationnelle

La radiothérapie conformationnelle

s’efforce de résoudre ce problème

avec un nombre limité de

faisceaux (typiquement < 6) et en

utilisant le collimateur multi-lames

présent sur la grande majorité des

accélérateurs.

3 Planification 3D-CRT Beam eye view

3 Traitement d’une vertèbre Cas simple, 1 faisceau

3 Traitement d’une vertèbre Influence de l’énergie

20 MV 6 MV

3 Traitement d’une vertèbre Utilisation d’un filtre

Faisceau ouvert Filtre

3 Traitement d’une vertèbre 2 faisceaux, meilleure

homogénéité dans le PTV

Même contribution

des faisceaux

Contribution du

faisceau antérieur

plus faible

3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

3 Masse pulmonaire Lobe supérieur gauche

Annexes Annexes

1 Fluence Caractérisation du flux de particules

La fluence a été introduite pour

déterminer le nombre de particules

passant par un point P.

La fluence Ф est le nombre de

particules entrant dans la sphère

divisé par l’aire de section de la

sphère dA.

1

On distingue deux types de fluence: la fluence

particulaire (Ф) de la fluence énergétique (ψ).

Fluence Caractérisation du flux de particules

1 Le CEMA Pour les particules chargées

Le CEMA (Converted Energy per unit MAss) correspond à

l’énergie moyenne convertie par collision avec des électrons

atomiques par les particules chargées dans un petit volume

indépendamment de ce qu’il se passe après.

CEMA: correspond a

l’énergie perdue par

collision par les électrons

incidents

KERMA: correspond a

l’énergie transférée par les

particules neutres aux

particules chargées

(Gy)

1 Energie impartie Energie déposée localement

L’énergie impartie est la somme des énergies

déposées dans un petit volume par toutes les

interactions qui y ont lieu.

1 Dépôt d’énergie Base de la dosimétrie

Le dépôt d’énergie εi est relatif à une seule

interaction. Il réfère à l’énergie déposée

localement lors de cette interaction.

εi = εin – εout + Q (J)

Où:

εin est l’énergie de la particule ionisante incidente

εout est la somme des énergies de toutes les

particules ionisantes quittant l’interaction.

Q est la somme de toutes les modifications de

l’énergie de masse des noyaux et de toutes les

particules intervenant dans l’interaction.

Dose

Profondeur

DS

100

DE

zmax

Source

Patient

Dose de sortie: DS

La dose en sortie de patient

diminue plus rapidement qu’au

centre de celui-ci. Cette effet

est dû, comme en entrée, au

défaut d’équilibre électronique.

Cet effet est cependant limité et

souvent ignoré.

2 Faisceaux de photons Dose de sortie