Published November 28, 2008 | Version v1
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Contribution to the study of nuclear processes in hadrontherapy and of their impact on dose deposition delocalization

Description

Hadrontherapy consists of the use of heavy particles (hadrons) for treatment of radio-resistant or/and inoperable cancerous tumors. The aim is to deposit the necessary dose, in the tumor volume, to sterilize the cancerous cells while spearing the surrounding volumes. Dose deposition is mainly due to the electromagnetic interactions between the incoming beam particles and the target material leading principally to ionizations of the target molecular or atomic constituents. However, light nuclear fragments, issued from the nuclear interactions between the projectile and the target nuclei, do also contribute to the dose deposition. Even thought the amount of the later is small (few % of the total dose), its quantification is crucial since it is the main contribution to the dose delocalization out of the aimed target volume. This quantification is difficult because of the lack of experimental cross-sections at the energies used in hadrontherapy: a few tens or hundreds of MeV per nucleon of the projectile. The principal aim of this work is to develop a method in order to predict the dose distribution effectively delivered in the real conditions of therapeutic irradiation. Two complementary approaches were followed for this work. The first, phenomenological, consists of the study and the compilation of the existing experimental data available in the literature and the improvement of an empirical nuclear fragmentation cross-sections model. The second approach is purely experimental and consisted in two campaigns of data acquisition, measurement of β+ emitters profile in a water target irradiated by carbon ions at GANIL (Caen) using techniques of positron emission tomography, and acquisition of longitudinal and transversal dose distributions in carbon and water equivalent (PMMA) targets irradiated by protons at the PSI (Villigen) facility. Then a method of data analysis to compare the predictions of the Monte Carlo simulations to the measurements were developed. (author)

Abstract (French)

L'hadrontherapie consiste en l'utilisation des particules lourdes dans le but de soigner certains cancers inoperables et/ou resistants aux radiotherapies conventionnelles.. L'objectif est de deposer la dose necessaire dans la tumeur afin de la steriliser, tout en limitant le depot de dose dans les tissus sains environnants. Le depot de dose est du en grande partie a l'ionisation de la cible directement par le faisceau incident, mais aussi dans une moindre mesure aux fragments produits par les interactions nucleaires entre les noyaux des projectiles et les noyaux des atomes de la cible. Ces processus nucleaires et leur contribution a la delocalisation de la distribution volumique du depot de dose sont difficilement quantifiables du fait de la mauvaise connaissance de leurs sections efficaces aux energies utilisees en hadrontherapie. Le sujet principal de la these est de developper une methodologie pour la quantification des incertitudes sur la dose effectivement delivree, etant donnees les conditions d'irradiation. Ce travail s'est articule autour de deux axes: une approche phenomenologique et une approche experimentale. L'approche phenomenologique a consiste en une etude bibliographique et une compilation des donnees experimentales existantes, suite auxquelles le modele empirique developpe par Sihver et al. a ete ameliore, permettant ainsi une meilleure description des sections efficaces de reaction totales et differentielles noyau-noyau pour un nombre de masse inferieur a 26. L'approche experimentale a consiste en deux prises de donnees: tout d'abord la mesure du profil des emetteurs β+ dans une cible d'eau irradiee par des ions carbone en utilisant la technique de tomographie a emission de positons au GANIL, puis la mesure de profils transversaux et longitudinaux de depot de dose dans des cible de graphite et de PMMA irradiees par des protons au PSI. Une methode d'analyse de donnees consistant a comparer les predictions des simulations Monte Carlo aux mesures physiques a ete ensuite developpee. (auteur)

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Original title (French)
Contribution a l'etude des processus nucleaires intervenant en hadrontherapie et de leur impact sur la delocalisation du depot de dose

Publishing Information

Imprint Pagination
116 p.
Report number
FRNC-TH--14169

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Notes
39 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses