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)
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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
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