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CDD Chercheur en Physique Nucléaire pour des applications médicales (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

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Informations générales

Référence : UMR5822-FLOJAC-009
Lieu de travail : VILLEURBANNE
Date de publication : lundi 6 mai 2019
Type de contrat : CDD Scientifique
Durée du contrat : 24 mois
Date d'embauche prévue : 1 décembre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : entre 2 555 et 2 948 euros selon l'expérience
Niveau d'études souhaité : Doctorat
Expérience souhaitée : 1 à 4 années

Missions

Le Post-doc sera membre de :
- l'équipe de Recherche PRISME de l'IPNL
- Collaboration CLaRyS rassemblant les laboratoires suivants : IPN Lyon, LPSC Grenoble, CPP Marseille et CREATIS Lyon
- le Labex PRIMES qui soutient fortement le projet CLaRyS.
Le poste portera principalement sur la phase finale du projet CLaRyS en particulier le test et la caractérisation des caméras gamma pour le contrôle de l'hadronthérapie et la médecine nucléaire.
Le candidat recruté sera impliqué dans l'encadrement du doctorant qui devrait être recruté à l'automne 2019 ainsi que des stagiaires de Master.
En parallèle, il poursuivra l'étude de la technique PGPI récemment brevetée par la collaboration CLaRyS.
Le but est d'évaluer le potentiel de la technique en conditions cliniques réalistes.

Activités

Les principales activités de la personne recrutée seront :
- Instrumentation
* Test des détecteurs silicium constituant le diffuseur de la caméra Compton
* Caractérisation de l'absorbeur complet des caméras gammas (caméras Compton et collimatée) en laboratoire et sur faisceau
◦ Test et caractérisation des caméras gammas en laboratoire et sur faisceau (particulièrement au CAL, le centre de protonthérapie de Nice) incluant le couplage à l'hodoscope de faisceau
- Études expérimentales
◦ Performance des caméras gamma pour le contrôle du parcours des ions : Mesures « gammas prompts » avec des cibles homogènes et hétérogènes ainsi que des fantômes anthropomorphiques avec différents faisceaux de centres d'hadronthérapie (e.g. CAL, Medaustron)
* Performance de la caméra Compton avec des sources gamma de haute énergie dans le contexte de la médecine nucléaire
- Simulations
◦ Étude de la technique PGPI dans des conditions cliniques réalistes dans le but d'un transfert technologique à court terme : i) Simulations de plans de traitement pour optimiser les dispositifs de détection avec l'outil de simulation rapide de l'émission « gammas prompts » développé au sein de la plateforme GATE [Huisman et al., 2016], ii) Mesures avec le démonstrateur développé au sein du projet GammaDosi (2013-2015)et des fantômes anthropomorphiques sur des faisceaux cliniques de protons (e.g. Centre Antoine Lacassagne).

Compétences

- Formation en physique nucléaire expérimentale, détection de rayons gamma et de particules chargées, acquisition de données
- Analyse de données incluant l'utilisation de ROOT
- Une expérience en simulations Monte Carlo (en particulier avec Geant4 et/ou GATE) serait un atout

Contexte de travail

Les thématiques de recherche du groupe PRISME portent sur des applications médicales de la physique des rayonnements ionisants, notamment l'hadronthérapie qui est une technique émergente de traitement des tumeurs cancéreuses par faisceaux d'ions. Les principales indications thérapeutiques de cette technique sont les traitements des tumeurs radiorésistantes et/ou situées près d'organes à risque et les traitements de tumeurs chez les enfants. L'hadronthérapie permet en effet de traiter les tumeurs tout en épargnant mieux les tissus sains que la radiothérapie conventionnelle utilisant des rayons gamma.

Pour mieux exploiter les avantages de cette technique, de nombreuses recherches sont actuellement menées un peu partout dans le monde pour développer des systèmes de contrôle du parcours des ions et s'assurer que les traitements sont délivrés comme prévu par les systèmes de planification de traitement [Krimmer et al., 2017b]. La détection des rayons gamma prompts émis lors des réactions nucléaires subies par une fraction des ions incidents est l'une des principales techniques étudiées. La distribution des points d'émission de ces gammas prompts est en effet étroitement corrélées au parcours des ions.

Pour détecter de ces gammas, deux caméras gamma sont en cours de développement au sein d'une
collaboration de 4 laboratoires français (IPN Lyon, LPSC Grenoble, CPP Marseille et CREATIS Lyon) : une caméra collimatée et une caméra Compton. L'information sur la direction incidente des gammas est obtenue de manière physique dans le cas de la caméra collimatée et de manière électronique dans le cas de la caméra Compton. Cette dernière caméra est conçue de manière à ce que les gammas subissent une diffusion Compton dans un premier détecteur puis une absorption totale dans un second détecteur. Les positions et les énergies déposées lors de ces interactions déterminent un cône (cône Compton) sur lequel se trouve la trajectoire du gamma incident. La distribution de la source de gammas peut alors être reconstruite avec des algorithmes de reconstruction qui recherche d'une certaine manière l'intersection des différents cônes Compton. La collaboration CLaRyS utilise un algorithme itératif développé par le groupe du CREATIS
[Lojacono et al., 2013]. La caméra Compton est constituée de deux blocs de détection : i) un diffuseur composé de 7 plans de détecteurs silicium de 10 cm de côté et de 2 mm d'épaisseur et placés dans une enceinte de régulation thermique, ii) un absorbeur composé de blocs BGO provenant d'un ancien système TEP commercial Siemens (blocs de 3, 5 × 3, 8 cm2, 3 cm d'épaisseur).

Un hodoscope de faisceau à fibres scintillantes est couplé à ces caméras de manière à fournir un étiquetage spatiale et temporel des ions incidents. Cet étiquetage permet tout d'abord d'effectuer une sélection par temps de vol des événements détectés par la caméra gamma. En effet, les réactions nucléaires conduisent à l'émission d'un nombre élevé de neutrons qui génère un bruit important. La mesure de temps de vol permet de réduire sensiblement ce bruit en sélectionnant les événements situés dans une fenêtre de temps de vol de quelques nanosecondes autour de l'instant d'arrivée des rayons gamma prompts. Par ailleurs, l'étiquetage spatiale fournit une information précieuse sur le point d'émission des gammas prompts qui se trouve a priori le long de la trajectoire incidente des ions. L'hodoscope en cours de développement est constitué de deux plans de 128 fibres scintillantes carrées de 1 mm de côté et 140 mm de long. Durant la dernière année, l'absorbeur des caméras gamma et l'hodoscope de faisceau ont été testés et caractérisés en laboratoire et lors d'expériences
sur faisceau [Fontana et al., 2018, Fontana, 2018]. Les premiers tests de la caméra collimatée et de la caméra Compton sont prévus au centre de protonthérapie de Nice (Centre Antoine Lacassagne, CAL) à l'automne 2019 et l'automne 2020, respectivement.
De plus, des études par simulations Monte Carlo ont été effectuées pour comparer les caméras Compton avec des caméras Anger commerciales. Ces études ont montré que l'efficacité de détection des caméras Compton est environ 20 fois supérieure à celle des caméras Anger tout en présentant une résolution spatiale similaire pour des énergies au-delà de 400 keV [Fontana et al., 2017] ce qui pourrait conduire à une tomographie d'émission monophotonique de haute performance avec de nouveaux radioisotopes de haute énergie.

Enfin, une autre approche de détection « gammas prompts » a été proposée et brevetée par la collaboration PRISME-CREATIS. La technique appeleée « Prompt Gamma Peak Integral » (PGPI) consiste à détecter les gammas prompts avec quelques détecteurs (non collimatés) et une sélection des événements par temps de vol. Le nombre total de gammas prompts détectés donne une information sur l'énergie déposée dans le patient tandis que le rapport du nombre de gammas prompts détectés dans les différents détecteurs fournit une information spatiale sur la dose délivrée [Krimmer et al., 2017a, Dauvergne et al., ].

References
[Dauvergne et al., ] Dauvergne, D., Krimmer, J., and Testa, E. Procédé de détection d'une différence entre une caractéristique prédite et une caractéristique réelle d'un faisceau d'hadrons. (Request number: FR1656378).
[Fontana, 2018] Fontana, M. (2018). Tests and characterization of prompt-gamma cameras for medical applications. PhD thesis, University of Lyon.
[Fontana et al., 2017] Fontana, M., Dauvergne, D., Letang, J. M., Ley, J.-L., and Testa, E. (2017). Compton camera study for high efficiency SPECT and benchmark with Anger system. Physics in Medicine and Biology.
[Fontana et al., 2018] Fontana, M., Dauvergne, D., Negra, R. D., Létang, J., Mounier, F., Testa, É., Zanetti, L., and Zoccarato, Y. (2018). Large surface gamma cameras for medical imaging: characterization of the bismuth germanate blocks. Journal of Instrumentation, 13(08):P08018–P08018.
[Huisman et al., 2016] Huisman, B. F. B., Létang, J. M., Testa, É., and Sarrut, D. (2016). Accelerated prompt gamma estimation for clinical proton therapy simulations. Physics in Medicine and Biology, 61(21):7725–7743.
[Krimmer et al., 2017a] Krimmer, J., Angellier, G., Balleyguier, L., Dauvergne, D., Freud, N., Hérault, J., Létang, J. M., Mathez, H., Pinto, M., Testa, E., and Zoccarato, Y. (2017a). A cost-effective monitoring technique in particle therapy via uncollimated prompt gamma peak integration. Applied Physics Letters, 110(15):154102.
[Krimmer et al., 2017b] Krimmer, J., Dauvergne, D., Létang, J., and Testa, É. (2017b). Prompt-gamma monitoring in hadrontherapy: A review. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment.
[Lojacono et al., 2013] Lojacono, X., Richard, M.-H., Ley, J.-L., Testa, E., Ray, C., Freud, N., Letang, J. M., Dauvergne, D., Maxim, V., and Prost, R. (2013). Low Statistics Reconstruction of the Compton Camera Point Spread Function in 3D Prompt-gamma Imaging of Ion Beam Therapy. In IEEE Transactions on Nuclear Science, volume 60, pages 3355–3363.

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