PROCEDE DE MESURE DE DOSE D'IRRADIATION PAR UN FAISCEAU D'UN RAYONNEMENT IONISANT SUSCEPTIBLE DE CREER DU RAYONNEMENT CERENKOV

METHOD FOR MEASURING A DOSE OF RADIATION BY AN IONIZING BEAM CAPABLE OF CREATING CERENKOV RADIATION

English Abstract

The invention relates to a method for measuring a dose of radiation by a beam of high-power radiation, wherein a scintillate (1) is disposed below said beam in order to emit scintillation light whose intensity is a function of the dose of said beam irradiating said scintillate (1); the scintillate (1) is coupled to a device (8) for measuring the light emitted by the scintillate (1) via an optical fiber (2); the amount of light transmitted by the optical fiber (2) is measured; the intensity of the light emitted by the scintillate (1) is determined on the basis of the light emitted by at least one other source, after said optical fiber (2) is used for transmission of the light emitted by the scintillate (1) and the light emitted by each other source. The invention also relates to a device for measuring the dose of radiation for the implementation of said method.

French Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure de dose d'irradiation par un
faisceau d'un rayonnement à haute énergie, dans lequel on dispose sous ce
faisceau, un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont
l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur
(1), on couple le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de la
lumière émise par le scintillateur (1), via une fibre optique (2), et on
mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique (2), on détermine
l'intensité de la lumière émise par le scintillateur (1), à partir de
l'intensité de la lumière émise par au moins une autre source, après
transmission par la même fibre optique (2), de la lumière émise par le
scintillateur (1) et de la lumière par chèque autre source. L'invention
concerne également un dispositif de mesure de dose d'irradiation pour la mise
en oeuvre de ce procédé.

Claims

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REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un
rayonnement ionisant susceptible de créer du rayonnement Cerenkov, dans
lequel
on dispose sous ce faisceau, un scintillateur (1) pour émettre une
lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce
faisceau
irradiant ce scintillateur (1),
- on couple le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de la
lumière émise par le scintillateur (1), via une fibre optique (2), et
on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique (2),
caractérisé par le fait que l'on filtre, la lumière sortant de l'extrémité la
fibre optique (2), opposée à celle couple au scintillateur (1), avec deux
filtres passe-bande ayant des bandes de coupure sur des parties différentes
du spectre, on mesure l'intensité de la lumière issue de ces deux filtres, on
calcule à partir de ces mesures la quantité de lumière de scintillation, ainsi
que la quantité de rayonnement Cerenkov et on déduit de ces quantités une
mesure de la dose d'irradiation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise
une pluralité de mesures de la quantité de lumière de scintillation et de
mesure de rayonnement Cerenkov pour en déduire une première valeur de
dose d'irradiation.
3. Dispositif de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un
rayonnement à haute énergie, comprenant
un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont
l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur
(1),
et
une fibre optique (2) pour transmettre la lumière émise par !e
scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de l'intensité de cette
lumière,

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caractérisé par le fait qu'il comprend
au moins deux filtres ayant des bandes de coupure sur des parties
différentes du spectre, ainsi que des moyens pour mesurer la lumière de
scintillation et le rayonnement Cerenkov ensemble dans au moins deux
parties différentes du spectre, en sortie de ces deux filtres, et des moyens
pour calculer à partir des mesures ainsi obtenues la quantité de lumière de
scintillation, ainsi que la quantité de rayonnement Cerenkov et des moyens
de traitement pour en déduire la dose d'irradiation.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il
comporte un photodétecteur (8) disposé derrière chaque filtre passe-bande
pour mesurer la lumière issue de la fibre optique (2) et filtrée par chacun
des
filtres passe-bande.

Description

CA 02443359 2003-09-22
WO 02/075359 PCT/FR02/00932
PROCEDE DE MESURE DE DOSE D'IRRADIATION PAR UN FAISCEAU D'UN RAYONNEMENT
IONISANT SUSCEPTIBLE DE CREER DU RAYONNEMENT CERENICOV
L'invention concerne le domaine des mesures de doses d'irradiations
par un faisceau de rayonnement ionisant.
Ce type de procédé est, par exemple, utilisé pour le contrôle
d'irradiations de patients à des fins thérapeutiques. Dans ce type
d'application, les irradiations sont réalisées sur le patient, après
positionnement préalable du patient et délimitation adéquate du faisceau
d'irradiation. Ce dernier provient généralement d'un accélérateur d'électrons
utilisé pour générer un faisceau de photons de rayonnement de freinage. Si
le patient bouge en cours d'irradiation, des organes sensibles peuvent être
endommagés. II est donc important de disposer de moyens de contrôle
sophistiqués des irradiations.
On a souvent utilisë pour effectuer ces contrôles d'irradiation des
détecteurs au silicium. Mais ceux-ci vieillissent très vite dans le temps et
sont
souvent encombrants.
Afin de pallier ces inconvénients, on a développé des détecteurs à
fibre scintillante.
On connaît ainsi des procédés d'utilisation de tels détecteurs,
notamment grâce au document « Direct reading measurement of absorbed
dose with plastic scintillators - The general concept and applications to
ophtalmie plaque dosimetry », D. Flühs, M. Heintz, F. Indenk~mpen, C.
Wieczorek, H. Kolanoski et U. Quast, Med. Phys. 23 (3), mars 1996, p. 427.
Selon ce type de procédé, on mesure des doses d'irradiations par un
faisceau de rayonnement à haute énergie de la manière suivante
- on dispose sous ce faisceau, un scintillateur pour émettre une
lumière de scintillation dont !'intensité est fonction de la dose de ce
faisceau
irradiant ce scintillateur,
- on couple le scintillateur à un dispositif de mesure de la lumière
émise par le scintillateur, via une fibre optique, et
- on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique.

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Cependant, ce type de procédé se heurte à une difficulté majeure
- la discrimination entre l'effet Cerenkov (effet parasite) et la
scintillation (signal utile).
Un but de l'invention est en particulier de s'affranchir de cet
inconvénient, pour mesurer l'intensité de la lumière émise par le
scintillateur.
Ce but est atteint grâce à un procédé selon la revendication 1 et un
dispositif selon la revendication 3.
En effet, l'effet Cerenkov est produit par des électrons secondaires à
haute ënergie (supérieure à 200 KeV). Le rayonnement Cerenkov génère
dans les milieux transparents irne lumière d'aspect bleuté. Cette lumière
couvre tout le spectre lumineux. La quantité de lumière produite dans le
scintillateur et dans la fibre optique suit une loi du type:
dQ ~c ~2 d~.dL
où ~, représente la longueur d'onde et L représente la longueur de
fibre irradiée (scintillante ou non).
Donc lors d'une radiothérapie, la lumière produite dans la fibre optique
aura deux origines différentes (voir figure 1)
- la scintillàtion, uniquement proportionnelle à la dose déposée et de
longueur d'onde définie et
- le râyonnement Cerenkov, proportionnel à la dose déposée et à la
longueur de fibre irradiée.
Les lumières produites par le scintillateur et par effet Cerenkov ont des
sources différentes et possèdent des étendues spectrales différentes (voir
figure 5). Elles sont transmises par la même fibre optique. Mais !es lumières
produites par l'effet Cerenkov et la scintillation sont décorrélées entre
elles. II
est alors possible de remonter à chaque contribution de manière biunivoque
en utilisant deux mesures, dans des parties du spectre différentes. On peut
ainsi déterminer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur lorsque
la
lumière émise par une autre source correspond au rayonnement Cerenkov
émis par les électrons secondaires produits par l'irradiation.

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D'autres aspects buts et avantages de l'invention apparaîtront à la
lecture de la description détaillée d'un exemple de mode de mise en oeuvre
du procédé selon l'invention et d'un exemple de mode de réalisation du
dispositif selon l'invention. L'invention sera également mieux comprise à
l'aide des références au dessins sur lesquels
- la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale une
fibre optique et un scintillateur pour équiper un dispositif de mesure de dose
d'irradiation selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif de
mesure de dose d'irradiation selon l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement une variante ~de la partie
détection du dispositif de mesure représenté sur la figure 2 ;
- la figure 4 est un diagramme de la sensibilité des photodétecteurs de
la partie détection représentée sur la figure 3, en fonction de la longueur
d'onde ~, de la lumière transmise par le filtre monté sur chaque
photodétecteur ;
- la figure 5 est un diagramme de l'énergie lumineuse émise par le
scintillateur du dispositif représenté sur la figure 2 et par effet Cerenkov,
en
fonction de la longueur d'onde ~, ;
- la figure 6 est un diagramme de la dose déposée par irradiation et
mesurée grâce à une chambre d'ionisation ou grâce au dispositif représenté
sur la figure 2 (0), en fonction de l'enfoncement dans un fantôme permettant
d'étalonner le dispositif.
L'invention est illustrée ci-dessous à l'aide d'un exemple de procédé et
de dispositif pris dans fe domaine de fa radiothérapie.
Comme représenté sur la figure 1, cet exemple de dispositif de
mesure de doses d'irradiations selon invention comporte un scintillateur 1 et
une fibre optique 2.
Le scintillateur 1 est constitué d'un cylindre de fibre scintillante de 1
mm de diamètre et de 10 millimètres de longueur. Cette longueur est
éventuellement ajustable. La fibre scintillante est en matière plastique

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spéciale. II peut s'agir de la fibre référencée BCF60 par la société Bicron~
qui
la commercialise. Dans ce cas, le coeur de la fibre est en polystyrène et la
gaine est en polyméthylmétacrylate (PMMA). Elle produit une lumière verte
dont l'intensité est proportionnelle à la dose de radiations déposée dessus et
à sa longueur irradiée.
La faible taille du scintillateur 1 en fait un outil idéal pour sonder un
point précis du patient traité. II peut, par ailleurs, être introduit dans un
cathéter pour mesurer des doses déposées dans le sujet traité.
Le scintillateur 1 est couplé à la fibre optique 2. La fibre optique 2 est
une fibre plastique. II peut s'agir de la fibre référencée EH4001 par la
société
Mitsubishi qui la commercialise. Dans ce cas, il s'agit d'une fibre au PMMA
dont le coeur fait 1 mm de diamètre et la gaine fait 2,2 mm de diamètre. Son
atténuation est de 0,15 dB/mètre .
Le scintillateur 1 et une partie de la fibre optique 2 sont dénudés avant
d'être introduits dans une gaine 4.
Comme représenté sur la figure 2, la fibre optique 2 est disposée de
manière à ce que le scintillateur 1 se trouve globalement au centre de la
zone à traiter ou à contrôler 7. Elle est reliée à un dispositif électronique
6.
Ce dispositif électronique 6 comporte des photodiodes 8 agissant comme
photodétecteurs pour la mesure de la lumière transmise éventuellement par
plusieurs fibres optiques.
Les signaux produits par les photodiodes 8 sont alors amplifiés en vue
de leur exploitation. II sont ensuite transmis numériquement à une
électronique d'acquisition 10.
Pour certaines mesures, une fibre scintillante plus longue 12 est
disposée autour de la zone irradiée au-delà de laquelle on ne veut rien
déposer. Celle-ci permet de contrôler que l'irradiation se produit bien dans
la
zone à traiter 7, mais pas au-delà. Elle est couplée à une fibre optique 3,
elle-même reliée à des photodiodes 8 du dispositif électronique 6, pour un
traitement au niveau de l'électronique d'acquisition 10.
L'irradiation est produite par exemple par un accélérateur qui délivre la

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dose d'irradiation sous forme d'un faisceau de rayons-X ou d'électrons,
suivant le traitement envisagé. En tout état de cause, les photons de rayons-
X déposent leur énergie par l'intermédiaire des électrons qui sont produit par
exemple dans le patient par effet photoélectrique, effet Compton ou création
5 de paires. Dans la suite, nous n'envisagerons que l'effet des électrons.
Comme représenté sur la figure 3, la lumière issue de la fibre optique
2 est filtrée au travers de deux filtres colorés A et B. Une photodiode 8A ou
8B est placée derrière chaque filtre coloré A ou B.
Comme représenté sur la figure 4, chacun des deux filtres colorés A,
B laisse passer une partie différente du spectre lumineux. L'un de ces filtres
colorés A, B est un filtre passe-bande bleu, tandis que l'autre est un filtre
passe-bande jaune. La bande de coupure de ces filtres est choisie en
fonction des composantes de la lumière issue dë la fibre optique 2.
Comme représenté sur la figure 5, la lumière issue de la fibre optique
2 comporte une composante provenant de la scintillation produite par le
scintillateur 1 et une composante provenant de l'effet Cerenkov.
On remarquera en comparant les figures 4 et 5, que le filtre A laisse
principalement passer la lumière émise par l'effet Cerenkov, tandis que le
filtre B laisse passer à la fois la lumière émise par effet Cerenkov et celle
émise par le scintillateur 1.
Conformément à l'invention, on détermine l'intensité de la lumière
émise par le scintillateur 1, à partir de l'intensité de la lumière par la
fibre
optique 2.
Si:
- C est la quantité de lumière Cerenkov produite pour une dose D~ sur
une longueur fibre L,
- S est la quantité de lumière de scintillation produite pour une dose
déposée D,
- kä est la modulation du spectre de la lumière de scintillation par le
filtre A,
- kB est la modulation du spectre de la lumière de scintillation par le

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filtre B,
- kä est la modulation du spectre de la lumière Cerenkov par le filtre
A,
- kg est la modulation du spectre de la lumière Cerenkov par le filtre B,
- MA est la quantité de lumière reçue sur la photodiode 8A,
- MB est la quantité de lumière reçue sur la photodiode 8B,
on a alors les relations suivantes
MA = kä . S + kä .C , et
MB =ke.S+ké.C,
soit sous la forme matricielle
MA kä kA S kä kä
M ks k~ ' C ' ks kc étant aussi appelée matrice K et
a e s e
MA
M étant aussi appelé vecteur M.
e
La matrice MA n'est pas singulière, si les filtres A et B sont
correctement choisis. C'est le cas notamment, si l'un est un filtre passe-
bande bleu et l'autre un filtre passe-bande jaune. Dans ce cas, la
connaissance du vecteur M permet de remonter de manière biunivoque à la
quantité de lumière de scintillation S et à la quantité de lumière Cerenkov C
et, par étalonnage, à la dose déposée D.
L'étalonnage est réalisé en comparant le signal reçu par le
scintillateur 1, au signal produit dans une chambre d'ionisation de référence
placée à proximité.
II consiste simplement à faire varier la quantité de rayonnement
Cerenkov sur au moins deux points de mesure et à ajuster, au moyen d'une
méthode de moindres carrés, les coefficients permettant de remonter à la
dose.
On cherche donc une relation du type
D = aMA + /jMB
Pour cela on effectue n mesures et on obtient un système

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d'observation
D' Mâ MB
a
et le vecteur d'inconnues a et ~ est alors
~3
Dn Mn Mn
A B
déterminé de la manière suivante
a = ~MT .M)'.MT .D ; où MT est la matrice transposée de la matrice
M.
Ces coefficients a et ,~ peuvent alors étre utilisés par la suite pour
faire des calculs de la dose déposée en fonction de la dose mesurée.
Après étalonnage, une série de résultats obtenus avec le scintillateur
1 a été comparée avec une série de mesures obtenues directement à l'aide
d'une chambre d'ionisation. Pour cette dernière, les mesures correspondent
à un rendement en profondeur dans une cuve à eau de générateur de
rayons-X de 15 MV débitant 2Gy.min-~ à l'isocentre.

Representative Drawing