Le Projet (Radio)ThomX :des besoins médicaux

à la source XLAL Orsay

SOLEIL Gif/YvetteLOA & ILE Palaiseau

IGR VillejuifCEA Bruyères le châtel

Thales, Corbeville & ColombesCELIA Bordeaux

Présentation Journées Cavités Passives, 03/04/2009

Ph. Balcou

Imagerie médicale X :

• Tubes X standards, très polychromatiques250 kV

• Basse énergie doses superficielles;haute énergie diffusion

• Pas de cohérence spatiale ou longitudinalebasse résolution; images d’absorption

• Possibilité : agents de contraste, photosensibilisateurs

•Thérapie par RX : 6 MeV

Modulation d’intensité (IMRT); cyber-knife; tomothérapieBut : minimiser les doses sur organes sains

Imagerie de Phase

G. Margaritondo

incohérentPénombre

basse résolution

cohérent

spatialement

Franges de Fresnel+ de résolution apparente

Image d’absorption pure

image de « Phase »

Imagerie différentielle Kα

• Introduction d’un agent de contraste de Z élevé : I, Gd, Pt Seuil K de l’iode

à 33.2 keV

Courtesy F. Carroll, MXIsystems

• Soustraction d’images à hν(Kα) + ε et hν(Kα) - ε

Tomographie avec agents de contraste I et Gd :

Thèse S CordeESRF

Angiographie : imagerie dynamique de la perfusion sanguine dans un cerveau de rat

Tissus cérébral sain Large tumeur sur la droite

Combinaison de techniques :Perfusion sanguine d’un gliome de rat par imagerie différentielle sur I :

« Carte » deperméabilité de

la barrière Hémato-encéphalique

RadioThérapie X : état de l’art (vu par un physicien…)

• Radiothérapie X = 1 des 3 outils majeurs contre le cancer (avec chimiothérapie, chirurgie)

• R X très élevés : jusqu’à 6 MV• Doses locales importantes : 60 Gy dans la tumeur• Absorption différentielle faible des tumeurs : < 10%• Forte irradiation des tissus sains effets collatéraux importants

(gêne fonctionelle, cancers radio-induits)• Nouvelle technique : Intensity Modulation RT• Certains cancers toujours incurables par RX (gliomes)• De + en +, choix entre RX , protons, ions carbone

Thérapie par agents radio-sensibles

Excitation sélective des seuils K des agents de Z élevé

Forte probabilitéde ruptures double-brins

Différents mécanismes : substitution ADN, radicaux libres…

X mono- ou pauci-chromatiques : pourquoi?

• Sensibilisateur Dose Enhancement Ratio > 1 • Pas de durcissement dose homogène• Moins d’irradiation superficielle inutile• Précision de l’irradiation : pas de pénombre

Attention!

Système très complexe : physique – chimie – biologie – medecine!

Toutes ces mToutes ces mééthodes sont dthodes sont dééveloppveloppéées sur es sur synchrotron (ESRF)synchrotron (ESRF)

Limitation des synchrotrons :On peut difficilement lesinstaller dans un hôpital!

Unité INSERM :H. Elleaume, J Balosso,N Foray, AM Charvet…

-> Nécessité de réaliser des sources X compactes haut flux « monochromatiques »

pour la radiothérapie

• Industrie : contrôle non destructif • Cristallographie en laboratoire

Intérêt 1) Medical 2) PhysiqueET

marché important.

Autres applications possibles :

Cahier des charges pour la thérapie

• environ 1013 photons X / s• dE/E pas trop petit (dE ~ quelques keV )

• Energie de photons « élevée », pour minimiser le dépôt de doses avant la tumeur

• Compactes• Doit pouvoir se monter sur un bras isocentrique• Stables et fiables (cf scandales de sur-irradiations…)

Quelles sources X?

Définies par l’ « Institut Gustave Roussy », (Prof Bourhis, Dr Bridier, Dr Pouzoulet)

2 approches basées sur diffusion Thomson (Inverse Compton) :

• Laser / LINACVanderbilt : 1010 ph/tir, cadence faible , laser

haute énergie -> projet en cours Vanderbilt/LLNL pour augmenter la cadence (MXI systems)

• Anneau de stockage / Fabry –Perot couplés.SLAC: projet Ron Ruth(Lyncean Tech , 15 keV)

Diffusion Thomson (Compton Inverse)Diffusion Thomson (Compton Inverse)

RX par décalage Doppler-Fizeau :

Section efficace Thomson : régime Thomson si hν << mec2

Φ = f Ne NL σT G / SFlux : f : cadence; S : section droite; G : facteur de recouvrement

Diffusion Thomson

From N. Artemiev, Palaiseau

Diffusion Thomson

From N. Artemiev, Palaiseau

Diffusion Thomson

From N. Artemiev, Palaiseau

Diffusion Thomson

From N. Artemiev, Palaiseau

Diffusion Thomson

From N. Artemiev, Palaiseau

InconvInconvéénients de la diffusion Thomson X :nients de la diffusion Thomson X :

1- La faible section efficace σThom2- La corrélation énergie / angle

Avantages de la diffusion Thomson X :Avantages de la diffusion Thomson X :

1- Relativement simple d’atteindre les énergies des seuils K de I, Gd, Pt … ou +

2- Se prête bien aux simulations numériques

3- Bénéficie du bond en avant des technologies laser

4- Multiples possibilités de variantes technologiques

5- Interaction Interaction «« proprepropre »»

PossibilitPossibilitéé dd’’augmenter la flux moyen : la recirculationaugmenter la flux moyen : la recirculation

1- Recyclage des électrons dans un anneau de stockage2- et des photons dans un résonateur de haute finesse

Propositions successives :• Sprangle, Esarey, Tang, Mourou : APB 92, brevet 93• posipol• RadioThomX 2004• GE• Ruth : PRL 98 (Stanford)• Lancement d’une société : Lyncean Technologies

http://www.lynceantech.com

•

Système Lyncean technologies :

PhD of Rod Loewen, SLAC report 6321ère application parue dans J. Synch. Res.

Technologies optique et lasers:

• Fabry-Perot impulsionnels de très haute finesse (1 à 15 ps, F ~ 3000 ou plus)– Pincement de mode de 30 à 50 mm– Stabilité du mode / vibrations mécaniques

• Oscillateur picoseconde très bas bruit• Amplificateur de puissance 200 W• Possibilité de doublage, pour atteindre le seuil

K du Pt

• Photo-injecteur et LINAC• Anneau basse énergie

- Dynamique du faisceau- temps de vie du faisceau : Toushek, IBS- focalisation du mode- possibilité d’insertion de la cavité optique : angle de croisement, encombrement…

• Problèmes mixtes : importance du recul des électrons perturbation forte à la dynamique du faisceau

• Extraction des rayons X

Technologies anneau et accélérateur :

Prédictions : Flux spectral ; brillance

10 100

1E12

1E13

1E14

0 20 40 60 80 100

0.00E+000

5.00E+013

1.00E+014

1.50E+014

2.00E+014

2.50E+014

Brill

ianc

e, [p

h/s/

mra

d2 /mm

2 /0.1

%BW

]

Electron energy, [MeV]Brill

ianc

e, [p

h/s/

mra

d2 /mm

2 /0.1

%B

W]

Electron energy, [MeV]

Flux : jusqu’à 1012 photons / s dans 10% BW

Brillance :

Comparaison difficile à effectuerProto Lyncean ~ synchrotron 2ième génération

Code Artemiev, code CAIN

Comparaison ESRF :

La source FPS peut fournir une ligne de lumièreavec des spécifs réellement prochesde celles d’un synchrotron moderne

Rupture technologique pour les rayons X

• Les flux d’X mono-chromatiques ou pauci-chromatiques approchent ceux des aimants de déviations des synchrotrons modernes

• Coût probable ~ 3 à 5 M€• Encombrement réduit (entre 50 et 100 m2)

Remerciements à…

• N. Artemiev, ILE/LOA Palaiseau• Le groupe CELIA : MC Nadeau, S. Montant, E

Cormier, S Petit…• Tout le groupe LAL : Alessandro Variola, Fabian

Zomer, R. Roux, Y. Fedala…• Thales : JP Brasile, S. Muller, Ch Simon-Boisson, R.

Czarny• Dr J. Bourhis, A. Bridier, Dr Pouzoulet (IGR)• …