Soutenance de thèse de GARNIER Alicia
Titre de thèse
Modélisation Monte Carlo du fantôme RANDO irradié avec des protons de 100 MeV pour l'imagerie des gamma prompts avec le détecteur TIARA
Monte Carlo modeling of the RANDO phantom head irradiated with 100 MeV protons for Prompt Gamma Time Imaging with the TIARA detector
Résumé de la thèse
La protonthérapie est une technique de radiothérapie prometteuse pour le traitement
du cancer grâce à sa capacité à délivrer une dose précise à la tumeur tout en épargnant
les tissus sains environnants. Cependant, l'incertitude existante sur la portée des
protons pendant le traitement peut entrainer des erreurs dans la délivrance de la
dose. Il est donc crucial de développer des méthodes de vérification de la portée en
temps réel pour assurer une administration précise de la dose. En l'absence d'imagerie
directe avec les protons, l'utilisation des émissions secondaires de particules générées
lors des interactions des protons avec la matière est nécessaire. En particulier, les
rayons gamma prompts, émis quasi-instantanément lors des interactions nucléaires,
présentent une voie prometteuse pour de nombreuses techniques d'imagerie. La
technique d'imagerie par temps de vol des rayons gammas prompt (PGTI) utilise
le temps de vol des protons et des gammas prompts pour reconstruire le trajet du
faisceau de protons. Dans ce but, le projet TIARA vise à développer un système de
détection composé d'un moniteur de faisceau et de plusieurs modules de détection
gammas, offrant une excellente résolution temporelle (de l'ordre de 100 ps rms). Le
prototype TIARA, composé de huit modules de détection de gammas, a été testé sur
un faisceau de protons du centre Antoine Lacassagne à Nice. Le but de cette thèse est
de développer une simulation Monte Carlo réaliste du système de détection TIARA se
basant sur le test de faisceau. Cette simulation a été réalisée à l'aide de l'outil Geant4,
qui permet une modélisation détaillée de la géométrie des détecteurs, du fantôme,
mais aussi des processus physiques impliqués dans les interactions des protons et
des rayons gammas avec la matière. La simulation a été étalonnée à l'aide de données
fournies par le Centre Antoine Lacassagne pour modéliser le fantôme et le faisceau de
protons, et par le LPSC pour les caractéristiques de détection du système TIARA. La
validation de la simulation a été réalisée par comparaison des spectres en temps de
vol obtenus par la simulation et des mesures lors de la campagne de test sur faisceau,
en utilisant le test du Chi-deux pour évaluer la qualité de l'accord entre les deux
ensembles de données. Après la validation de la simulation, celle-ci a été utilisée pour
comparer deux configurations potentielles pour le projet TIARA en utilisant la borne
de Cramér-Rao. Celle-ci a permis également d'estimer la qualité d'un algorithme de
reconstruction des positions d'émission des rayons gammas prompts.
Thesis resume
Proton therapy is a promising radiotherapy technique for cancer treatment due to its
ability to deliver a precise dose to the tumor while sparing surrounding healthy tissues.
However, the uncertainty on the range of protons during treatment can lead to errors
in dose delivery. Therefore, it is crucial to develop real-time range verification methods
to ensure accurate dose administration. In the absence of direct imaging with protons,
the use of secondary particle emissions generated during proton interactions with
matter is necessary. In particular, prompt gamma rays, emitted almost instantaneously
during nuclear interactions, present a promising avenue for many imaging techniques.
Prompt Gamma Time Imaging (PGTI) uses the time-of-flight of protons and prompt
gammas to reconstruct the path of the proton beam. To this end, the TIARA project
aims to develop a detection system composed of a beam monitor and several gamma
detection modules, offering excellent time resolution (on the order of 100 ps rms).
The TIARA prototype, consisting of eight gamma detection modules, was tested on
a proton beam at the Centre Antoine Lacassagne in Nice. The goal of this thesis is
to develop a realistic Monte Carlo simulation of the TIARA detection system based
on the performed beam tests. This simulation was carried out using the Geant4
toolkit, allowing detailed modeling of the detector geometry, phantom, as well as the
physical processes involved in proton and gamma ray interactions with matter. The
simulation was calibrated using data provided by the Centre Antoine Lacassagne to
model the phantom and beam, and by LPSC for the detection characteristics of the
TIARA system. The validation of the simulation was performed by comparing the
time-of-flight spectra obtained from the simulation and measurements during the
beam tests, using the Chi-square test to evaluate the quality of agreement between the
two data sets. After validating the simulation, it was used to compare two potential
configurations for the TIARA project using the Cramér-Rao bound. This also allowed
estimating the quality of an algorithm for reconstructing prompt gamma emission
positions.