Soutenance de thèse de Cairo PIMENTA CHEBLE CAPLAN

L’hadronthérapie utilise un faisceau de particules chargées (protons ou ions carbone) pour détruire des tumeurs cancéreuses. En comparaison de la radiothérapie conventionnelle, qui est basée sur des photons de haute énergie, l’hadronthérapie représente une technique prometteuse pour traiter le cancer, surtout pour des tumeurs profondes de la tête et du cou, parce que la délivrance de la dose est concentrée dans le pic de Bragg. La surveillance de la délivrance de dose peut ainsi être adressée en vérifiant le parcours des particules du faisceau, qui peut être affecté par les incertitudes du plan de traitement, l’évolution de l’anatomie du patient ou les erreurs de positionnement du patient et ses mouvements. Mesurer le parcours des particules peut ensuite permettre de réduire les marges de sécurité prises pour le plan de traitement. CLaRyS, pour Contrôle en Ligne de l’hadronthérapie par Rayonnements Secondaires, est un projet regroupant plusieurs laboratoires qui vise à améliorer le contrôle de la délivrance de dose dans les sessions de traitement par hadronthérapie en imageant l’émission des gamma prompts issus des collisions inélastiques entre les particules du faisceau et les noyaux cibles. Ceci requiert de détecter les rayons gamma en utilisant soit une collimation mécanique soit une collimation électronique résultant de leurs interactions Compton dans un diffuseur, en combinaison avec un hodoscope de faisceau. Pour cela, le projet CLaRyS développe un dispositif comprenant un hodoscope à fibres scintillantes et une caméra Compton ou collimatée avec soit un diffuseur en silicium soit un collimateur multi-fentes en tungstène suivi d’un absorbeur en BGO. Une électronique back-end (BE) a été développée au CPPM pour acquérir les données des électroniques front-end de l’absorbeur, de l’hodoscope et du diffuseur via 34 liens optiques à 3 Gb/s. Les données sont assemblées et envoyées au PC par une liaison Ethernet à 1 Gb/s, garantissant une bande passante de 300 Mb/s telle que spécifiée pour le dispositif complet de la caméra Compton et de l’hodoscope de faisceau par simulation Monte Carlo pour une intensité de faisceau de 10^8 proton/s. Mon travail de thèse comprenait le développement du firmware du FPGA de l’électronique BE du système d’acquisition de données de CLaRyS, tout en contribuant au développement et à l’évaluation du dispositif de détection de ClaRyS. De même, l’évaluation du système de déclenchement (Trigger) et du système de contrôle-commande (Slow Control) de ClaRyS a également été réalisée. Des mesures avec la caméra collimatée et l’hodoscope de faisceau ont été effectuées sur la ligne de faisceau de protons de 65 MeV de l’Institut Méditerranée de Protonthérapie à Nice.

Hadrontherapy uses a beam of charged particles (protons or carbon ions) to destroy tumour cells. Compared to conventional radiotherapy, which is based on high energy photons, hadrontherapy represents a promising technique to treat cancer, especially for deep-seated tumours in head and neck, because of its concentrated dose delivery within the Bragg peak. Monitoring of dose delivery can thus be addressed by verifying the range of the beam particles, which can be affected by uncertainties in the treatment planning, evolutions of the patient anatomy, or patient positioning errors and movements. Measuring the range of the particles may then allow for reducing security margins set for the treatment planning. CLaRyS, which stands for online control of hadrontherapy by secondary radiation, is a project regrouping several laboratories that aims at improving dose delivery control in hadrontherapy treatment sessions by imaging the emission of prompt-gamma rays issued from inelastic collisions of the beam particles with target nuclei. This requires to detect prompt-gamma rays using either a mechanical collimation or the electronic collimation resulting from the Compton interactions of the gamma rays in a scatterer, in combination with a beam hodoscope. Therefore, the CLaRyS project is developing a setup comprising a scintillating fibre hodoscope and either a Compton or a collimated camera with a silicon scatterer or a multi-slit tungsten collimator followed by a BGO absorber. As part of this development, a high-performance and compact Back-End (BE) electronics was developed at CPPM to perform data acquisition from the absorber, hodoscope and scatterer Front-End electronics through 34 optical links of 3 Gb/s. Data are packed and sent to a PC on a 1 Gb/s Ethernet link, guaranteeing 300 Mb/s throughput as specified for the complete setup of the Compton camera and beam hodoscope by Monte Carlo simulations for a beam intensity of 10^8 proton/s. My thesis work comprised the development of the FPGA firmware for the BE electronics of the CLaRyS DAQ, while contributing to the development and evaluation of the CLaRyS detection system. Also, as part of my work, an evaluation of the Trigger and the Slow-Control of the CLaRyS setup was performed. Measurements with the collimated camera and beam hodoscope were performed on the 65 MeV proton beam line of the Mediterranean Protontherapy Institute in Nice.