Diamond Dosimeter for in Vivo Dosimetry for Synchrotron Radiotherapy

International audienceA significant proportion of cancer patients benefit from radiotherapy . Besides conventional x-ray radiation, synchrotron has proven to offer significant advantages in radiotherapy by using high dose rate coherent x-rays beams. Indeed, High coherence allowing to produce micrometric fields to explore limits of a concept called dose-volume effect. The other important characteristics of synchrotron radiation (high dose rate) permits to take advantage of the so-called flash effect.The first phase I/II clinical study of synchrotron radiotherapy at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) demonstrated the feasibility and safety of this technique. this method requires some development. One of them, in-vivo dosimetry (the real time dose delivered during the treatment), is particularly challenging, because of the high dose rate and low energy flux.A new approach based on pixelised diamond detectors ,already validated for one point dosimetry in synchrotron radiation[1], will be developed.Before the full conception of one dimension dosimeter, first step is to characterize diamond detectors responses in synchrotron radiation (incident photons energy between 30 and 150 keV and an high dose rate which can reach 10 000 Gy/s) and show the project’s viability.For this reason, some preliminary tests was performed on different diamond detectors (two mono-crystalline and one polycrystalline), to show their response for different energy and dose rate, already developed at LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie) and this presentation will focus on these tests.[1]: Livingstone J. et al. Characterization of a synthetic single crystal diamond detector for dosimetry in spatially fractionated synchrotron x-rays fields. 201

DOSIMETRY, DIAMOND DETECTOR, SYNCHROTRON RADIATION

National audienceA significant proportion of cancer patients benefit from radiotherapy. Besides conventional x-ray radiation, synchrotron has proven to offer significant advantages in radiotherapy by using high dose rate coherent x-rays beams. Indeed, High coherence allowing to produce micrometric fields to explore limits of a concept called dose-volume effect. The other important characteristics of synchrotron radiation (high dose rate) permits to take advantage of the so-called flash effect. The first phase I/II clinical study of synchrotron radiotherapy at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) demonstrated the feasibility and safety of this technique. this method requires some development. One of them, in-vivo dosimetry (the real time dose delivered during the treatment), is particularly challenging, because of the high dose rate and low energy flux. A new approach based on pixelised diamond detectors, already validated for one point dosimetry in synchrotron radiation[1], will be developed. Before the full conception of one dimension dosimeter, first step is to characterize diamond detectors responses in synchrotron radiation (incident photons energy between 30 and 150 keV and an high dose rate which can reach 10 000 Gy/s) and show the project's viability. For this reason, some preliminary tests were performed on different diamond detectors (two mono-crystalline and one polycrystalline), to show their response for different energy and dose rate, already developed at LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie) and this presentation will focus on these tests

Dosimètre diamant pour la radiothérapie par rayonnement synchrotron

National audienceLa radiothérapie est la principale méthode de traitement des cancers chez le patient à ce jour. En marge des rayonnements X conventionnels, le rayonnement synchrotron présente des particularités telles qu’un fort débit de dose (possibilité d’atteindre des débits de dose supérieurs à 10 000 Gy/s sur la ligne médicale de l’ESRF (European synchrotron radiation facility)) ou un faisceau très cohérent. Ces caractéristiques permettent un élargissement de la fenêtre thérapeutique (gamme de dose produisant un effet thérapeutique sans effet contraire significatif) dans le traitement de cancers [1].D’un coté la forte cohérence des faisceaux nous permet d’utiliser des champs micrométriques et ainsi d’exploiter l’effet dose-volume (toxicité réduite des tissus sains face à un faisceau fractionné spatialement par rapport à un faisceau large). De l’autre côté, le fort flux de photons permet de prendre avantage de l’effet flash (toxicité réduite à haut début de dose sur les tissus sains).Cette méthode requiert encore des développements pour envisager un transfert vers le stade clinique. L’un d’eux est la dosimétrie in-vivo (mesure en temps réel de la dose délivrée au patient pendant le traitement) qui doit être adaptée par rapport aux méthodes déjà existantes en hôpital. En effet la faible énergie incidente du faisceau synchrotron (photons avec des énergies dans la gamme du keV) impose une mesure dosimétrique qui ne perturbe pas le faisceau, et donc en aval du patient. De plus le fort débit de dose nécessite l’utilisation d’un détecteur possédant une forte résistance aux radiations.Une étude menée par Livingstone et al [2] a montré la faisabilité de l’utilisation d’un dosimètre en diamant dans le cadre d’une mesure ponctuelle de la dose en rayonnement synchrotron.Dans l’objectif de pouvoir déterminer la dose délivrée par chaque micro-faisceau dans le cadre d’une irradiation avec faisceau fractionné spatialement comme en MRT (Microbeam radiation therapy), une nouvelle approche basée sur un détecteur diamant 1D , placé derrière le patient (dosimétrie portale), est en cours d’étude.Plusieurs détecteurs diamants (mono et poli-crystallin), en cours de développement au LPSC (Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie), ont été caractérisés en fonction du débit de dose et de l’énergie à l’ESRF. Les résultats des tests préliminaires seront présentés ici.Références[1] Grotzer M.A. et al , Physica Medica, Volume 31 (issue 6), pages 564-567, 2015[2] Livingstone J. et al, Medical Physics, Volume 43 (issue 7), pages 4283-4293, 2016

Développement d’un détecteur diamant pour la radiothérapie par micro-faisceaux synchrotron (MRT)

International audienceEn marge de la radiothérapie X conventionnelle, le rayonnement synchrotron présente des particularités telles qu’un important flux de photons ou encore un faisceau ayant une faible divergence. D’un coté la faible divergence du faisceaunous permet d’utiliser des champs micrométriques et ainsi d’exploiter l’effet dose-volume (toxicité réduite des tissus sains face à un faisceau fractionné spatialement par rapport à un faisceau large). De l’autre côté, le fort flux de photons permet de prendre avantage de l’effet flash (toxicité réduite à hauts flux de photons sur les tissus sains). La combinaison des deux effets mène à la production de matrice de micro-faisceaux de très haut débit et permet un élargissement de la fenêtre thérapeutique ( amélioration de l’effet de l’irradiation sur la tumeur tout en conservant un effet réduit sur les tissus sains).Cette méthode requiert cependant encore des développements pour envisager un transfert vers le stade clinique. L’un d’eux est le développement d’une méthode permettant un contrôle en ligne du traitement .Dans l’objectif de pouvoir contrôler le faisceau dans son intégralité (être capable de mesurer chaque micro-faisceau indépendamment), une nouvelle approche basée sur une matrice de détecteur diamant 1D , placé derrière le patient , esten cours d’étude.Lors de cette présentation, des résultats préliminaires effectués sous rayonnement synchrotron dans le but d’observer la linéarité de la réponse du détecteur en fonction du débit seront présentés. Des résultats de simulation Monte-Carlo ayant pour objectif d’optimiser les paramètres du détecteur et notamment l’épaisseur du diamant seront également montrés

Monocrystalline diamond detector for online monitoring during synchrotron microbeam radiotherapy

International audienceMicrobeam radiation therapy (MRT) is a radiotherapy technique combining spatial fractionation of the dose distribution on a micrometric scale, X-rays in the 50–500 keV range and dose rates up to 16 × 103 Gy s−1. Nowadays, in vivo dosimetry remains a challenge due to the ultra-high radiation fluxes involved and the need for high-spatial-resolution detectors. The aim here was to develop a striped diamond portal detector enabling online microbeam monitoring during synchrotron MRT treatments. The detector, a 550 µm bulk monocrystalline diamond, is an eight-strip device, of height 3 mm, width 178 µm and with 60 µm spaced strips, surrounded by a guard ring. An eight-channel ASIC circuit for charge integration and digitization has been designed and tested. Characterization tests were performed at the ID17 biomedical beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). The detector measured direct and attenuated microbeams as well as interbeam fluxes with a precision level of 1%. Tests on phantoms (RW3 and anthropomorphic head phantoms) were performed and compared with simulations. Synchrotron radiation measurements were performed on an RW3 phantom for strips facing a microbeam and for strips facing an interbeam area. A 2% difference between experiments and simulations was found. In more complex geometries, a preliminary study showed that the absolute differences between simulated and recorded transmitted beams were within 2%. Obtained results showed the feasibility of performing MRT portal monitoring using a microstriped diamond detector. Online dosimetric measurements are currently ongoing during clinical veterinary trials at ESRF, and the next 153-strip detector prototype, covering the entire irradiation field, is being finalized at our institution.</jats:p

Prompt Gamma Energy Integration : a new method for online-range verification in proton therapy with pulsed-beams

International audienceWe propose a method for prompt-gamma verification of proton range during particle therapy. This method, called Prompt-Gamma Energy Integration (PGEI), is based on the measurement of the total energy deposited in a set of detectors located around a patient. It is particularly suited in the case of high-instantaneous beam intensities, like for pulsed beams extracted from a synchro-cyclotron. GATE simulations show that millimetric range shifts can be measured at a beam-spot scale. The sensitivity is slightly degraded as compared to the Prompt-Gamma Peak Integration Method, for which Time-of-Flight can be employed to reduce the background in single-photon detection conditions at cyclotron accelerators. Experimentally, lead tungstate scintillators have shown to cope with the high instantaneous gamma count rates for PGEI at synchro-cyclotrons