Description du sujet de thèse

Le projet de thèse décrit ci-dessous correspond à une collaboration entre les 4 partenaires LPSC (IN2P3), CREATIS (INS2I & INSIS), IP2I (IN2P3) et le CAL (Unicancer). Il est financé par la MITI du CNRS.
Contexte, état de l'art et enjeux.
La mesure des rayonnements gamma-prompts consécutifs aux réactions nucléaires a été proposée il y a maintenant 20 ans pour effectuer un contrôle en ligne et in vivo des traitements par protonthérapie (Stichelbaut and Jongen, 2003). En effet, les lieux d'émission de ces rayonnements secondaires sont corrélés au parcours des protons primaires, et la faible absorption des rayonnements gamma de quelques MeV par les tissus mous permet leur détection externe au patient. Diverses techniques d'imagerie (par caméra collimatée ou Compton), de spectroscopie, de mesure par temps de vol, ou plus simplement de comptage intégral, ont été proposées (Krimmer et al., 2018). Cependant, l'utilisation d'un système de contrôle en conditions de routine clinique se heurte encore à certains verrous, associés en particulier au besoin d'obtenir une information en temps réel, quelles que soient les conditions d'irradiation, avec une sensibilité et une significativité nécessaire pour la détection de déviations par rapport à un plan de traitement à l'échelle du pourcent pour la dose, ou du millimètre pour le positionnement. En d'autres termes, il faut obtenir une information statistiquement significative avec un système de détection ou d'imagerie compatible avec le système d'irradiation clinique.
En particulier, les faisceaux de protons délivrés par l'accélérateur synchro-cyclotron Proteus-One du CAL-Nice ont une structure avec des impulsions de quelques microsecondes toutes les millisecondes, avec un cycle utile très faible, de l'ordre de 1/1000, et donc une intensité crête très élevée. Un premier enjeu consiste donc à acquérir un nombre suffisant de photons gamma-prompts associés à ces impulsions de courte durée, avec un système de détection possédant une dynamique suffisante. Un second enjeu est relié à la capacité de prédire et de modéliser par simulations Monte Carlo les rayonnements émis avec leur distribution temporelle et énergétique (Kanawati et al, 2015). Enfin, un troisième enjeu réside dans la comparaison entre le signal obtenu avec une prédiction issue d'une planification de traitement sur l'irradiateur du CAL-Nice, si possible dans un temps très court afin d'envisager une éventuelle adaptation du traitement en cas de déviation détectée.
Nous proposons d'adapter la méthode dite de Prompt Gamma Peak Integral (Krimmer et al., 2017) qui avait été développée dans un projet commun entre tous les partenaires de ce projet. Cette méthode est basée sur un comptage des photons par un faible nombre de détecteurs positionnés autour du patient, de telle façon que la comparaison des taux de détection de chaque détecteur renseigne à la fois sur la position du parcours du faisceau dans le patient, et la longueur de celui-ci. Une information – indirecte – sur la dose peut donc être extraite.
En début de thèse, la personne devra développer un modèle de faisceau avec structure en temps dans les simulations Monte Carlo Geant4/Gate, modéliser le système de détection et la formation du signal d'acquisition, et effectuer de nombreux tests en laboratoire avec des détecteurs et sources gamma sur les bancs disponibles au LPSC et/ou à l'IP2I. Puis, à partir de la deuxième année, la personne retenue devra être en mesure d'être réactive afin de maximiser les opportunités de temps de faisceau disponible en dehors des horaires de traitement, ce qui imposera une présence sur place au Centre Antoine Lacassagne de Nice. Cette présence sur le site permettra de réaliser des intercomparaisons avec des plans de traitement et d'analyser la carte d'émission des gamma prompts en conditions cliniques.

Contexte de travail

Le laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie de Grenoble (LPSC) (http://lpsc.in2p3.fr) est une unité mixte de recherche associant le CNRS-IN2P3, l'Université Grenoble Alpes (UGA) et l'école Grenoble INP, pour un effectif moyen d'environ 230 personnes. La personne recrutée sera affectée à l'Equipe Physique Nucléaire et Applications médicales composée de 7 chercheurs/ Enseignants-chercheurs, 1 post-doctorant et de 5 doctorants du LPSC.

Des déplacements sont à prévoir sur Lyon et Nice durant la thèse.

Contraintes et risques

La personne devra obtenir une attestation de non contre-indication de travail en présence de rayonnements ionisants

Informations complémentaires

Compétences et/ou motivations requises :
Connaissances (niveau M2) en physique de l'interaction particule matière et détection de rayonnements
Motivation pour la simulation Monte Carlo, l'instrumentation et l'expérimentation en physique nucléaire
Des connaissances en physique médicale seront un atout

Documents requis pour la candidature :
-Notes de licence et master
-(Optionnel) lettres de recommandation