EP1368674A1 - Procede de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un ravonnement ionisant susceptible de creer du rayonnement cerenkov - Google Patents

Procede de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un ravonnement ionisant susceptible de creer du rayonnement cerenkov

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EP1368674A1
EP1368674A1 EP02716900A EP02716900A EP1368674A1 EP 1368674 A1 EP1368674 A1 EP 1368674A1 EP 02716900 A EP02716900 A EP 02716900A EP 02716900 A EP02716900 A EP 02716900A EP 1368674 A1 EP1368674 A1 EP 1368674A1
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EP
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light
scintillator
radiation
dose
measuring
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Withdrawn
Application number
EP02716900A
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German (de)
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Inventor
Jean-Marc Fontbonne
Bernard Tamain
Jo[L Tillier
Gilles Iltis
Christian Le Brun
Gilles Ban
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/20—Measuring radiation intensity with scintillation detectors
    • G01T1/201—Measuring radiation intensity with scintillation detectors using scintillating fibres
    • G—PHYSICS
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    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/22—Measuring radiation intensity with Cerenkov detectors

Definitions

  • the invention relates to the field of radiation dose measurements by an ionizing radiation beam.
  • This type of process is, for example, used for monitoring patient irradiation for therapeutic purposes.
  • the irradiations are carried out on the patient, after prior positioning of the patient and adequate delimitation of the irradiation beam.
  • the latter generally comes from an electron accelerator used to generate a beam of braking radiation photons. If the patient moves during irradiation, sensitive organs may be damaged. It is therefore important to have sophisticated means of radiation control. Silicon detectors have often been used to carry out these irradiation checks. But these age very quickly over time and are often bulky.
  • the scintillator is coupled to a device for measuring the light emitted by the scintillator, via an optical fiber, and
  • An object of the invention is in particular to overcome this drawback, to measure the intensity of the light emitted by the scintillator. This object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 3.
  • Cerenkov effect is produced by high energy secondary electrons (greater than 200 KeV). Cerenkov radiation generates a bluish light in transparent media. This light covers the entire light spectrum. The amount of light produced in the scintillator and in the optical fiber follows a law of the type:
  • FIG. 1 shows schematically in longitudinal section an optical fiber and a scintillator to equip a device for measuring radiation dose according to the invention
  • FIG. 2 schematically shows an example of a radiation dose measuring device according to the invention
  • FIG. 3 schematically shows a variant of the detection part of the measuring device shown in Figure 2;
  • FIG. 4 is a diagram of the sensitivity of the photodetectors of the detection part shown in Figure 3, as a function of the wavelength ⁇ of the light transmitted by the filter mounted on each photodetector;
  • - Figure 5 is a diagram of the light energy emitted by the scintillator of the device shown in Figure 2 and by Cerenkov effect, as a function of the wavelength ⁇ ;
  • - Figure 6 is a diagram of the dose deposited by irradiation and measured using an ionization chamber or using the device shown in Figure 2 (0), depending on the insertion into a phantom for calibrating the device .
  • the invention is illustrated below using an example of a method and device taken in the field of radiotherapy.
  • this example of a device for measuring radiation doses according to the invention comprises a scintillator 1 and an optical fiber 2.
  • the scintillator 1 consists of a cylinder of scintillating fiber 1 mm in diameter and 10 millimeters in length. This length is possibly adjustable.
  • the scintillating fiber is made of plastic special. It may be the fiber referenced BCF60 by the company Bicron ® which markets it.
  • the core of the fiber is made of polystyrene and the sheath is made of polymethylmethacrylate (PMMA). It produces a green light whose intensity is proportional to the dose of radiation deposited on it and its irradiated length.
  • the small size of the scintillator 1 makes it an ideal tool for probing a precise point of the treated patient. It can, moreover, be inserted into a catheter to measure doses deposited in the subject being treated.
  • the scintillator 1 is coupled to the optical fiber 2.
  • the optical fiber 2 is a plastic fiber. It may be the fiber referenced EH4001 by the company
  • the scintillator 1 and part of the optical fiber 2 are stripped before being introduced into a sheath 4.
  • the optical fiber 2 is arranged so that the scintillator 1 is generally in the center of the area to be treated or controlled 7. It is connected to an electronic device 6.
  • This electronic device 6 comprises photodiodes 8 acting as photodetectors for the measurement of the light possibly transmitted by several optical fibers.
  • the signals produced by the photodiodes 8 are then amplified for their exploitation. They are then transmitted digitally to acquisition electronics 10.
  • acquisition electronics 10 For certain measurements, a longer scintillating fiber 12 is placed around the irradiated zone beyond which nothing is to be deposited. This makes it possible to check that the irradiation does indeed occur in the area to be treated 7, but not beyond. It is coupled to an optical fiber 3, itself connected to photodiodes 8 of the electronic device 6, for processing at the level of the acquisition electronics 10.
  • the irradiation is produced for example by an accelerator which delivers the radiation dose in the form of an X-ray or electron beam, depending on the treatment envisaged.
  • X-ray photons deposit their energy via electrons which are produced, for example, in the patient by photoelectric effect, Compton effect or creation of pairs. In the following, we will only consider the effect of the electrons.
  • the light coming from the optical fiber 2 is filtered through two colored filters A and B.
  • a photodiode 8A or 8B is placed behind each colored filter A or B.
  • each of the two colored filters A, B lets through a different part of the light spectrum.
  • One of these color filters A, B is a blue bandpass filter, while the other is a yellow bandpass filter.
  • the cut-off band of these filters is chosen according to the components of the light coming from the optical fiber 2.
  • the light from the optical fiber 2 has a component from the scintillation produced by the scintillator 1 and a component from the Cerenkov effect.
  • filter A mainly lets through the light emitted by the Cerenkov effect
  • filter B lets through both the light emitted by Cerenkov effect and that emitted by the scintillator 1.
  • the intensity of the light emitted by the scintillator 1 is determined from the intensity of the light by the optical fiber 2. If: - C is the quantity of Cerenkov light produced for a dose D on a fiber length L,
  • kg is the modulation of the Cerenkov light spectrum by the filter B,
  • vector M also being called vector M.
  • the matrix M A is not singular, if the filters A and B are correctly chosen. This is particularly the case if one is a blue bandpass filter and the other is a yellow bandpass filter. In this case, the knowledge of the vector M makes it possible to go back in a one-to-one way to the quantity of scintillation light S and to the quantity of Cerenkov light C and, by calibration, to the deposited dose D.
  • the calibration is carried out by comparing the signal received by the scintillator 1, with the signal produced in a nearby reference ionization chamber.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un rayonnement à haute énergie, dans lequel on dispose sous ce faisceau, un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur (1), on couple le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de la lumière émise par le scintillateur (1), via une fibre optique (2), et on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique (2), on détermine l'intensité de la lumière émise par le scintillateur (1), à partir de l'intensité de la lumière émise par au moins une autre source, après transmission par la même fibre optique (2), de la lumière émise par le scintillateur (1) et de la lumière par chèque autre source. L'invention concerne également un dispositif de mesure de dose d'irradiation pour la mise en oeuvre de ce procédé.

Description

PROCEDE DE MESURE DE DOSE D ' IRRADIATION PAR UN FAISCEAU D ' UN RAYONNEMENT IONISANT SUSCEPTIBLE DE CREER DU RAYONNEMENT CERENKOV
L'invention concerne le domaine des mesures de doses d'irradiations par un faisceau de rayonnement ionisant.
Ce type de procédé est, par exemple, utilisé pour le contrôle d'irradiations de patients à des fins thérapeutiques. Dans ce type d'application, les irradiations sont réalisées sur le patient, après positionnement préalable du patient et délimitation adéquate du faisceau d'irradiation. Ce dernier provient généralement d'un accélérateur d'électrons utilisé pour générer un faisceau de photons de rayonnement de freinage. Si le patient bouge en cours d'irradiation, des organes sensibles peuvent être endommagés. Il est donc important de disposer de moyens de contrôle sophistiqués des irradiations. On a souvent utilisé pour effectuer ces contrôles d'irradiation des détecteurs au silicium. Mais ceux-ci vieillissent très vite dans le temps et sont souvent encombrants.
Afin de pallier ces inconvénients, on a développé des détecteurs à fibre scintillante. On connaît ainsi des procédés d'utilisation de tels détecteurs, notamment grâce au document « Direct reading measurement of absorbed dose with plastic scintillators - The gênerai concept and applications to ophtalmie plaque dosimetry », D. Flϋhs, M. Heintz, F. Indenkâmpen, C. Wieczorek, H. Kolanoski et U. Quast, Med. Phys. 23 (3), mars 1996, p. 427. Selon ce type de procédé, on mesure des doses d'irradiations par un faisceau de rayonnement à haute énergie de la manière suivante :
- on dispose sous ce faisceau, un scintillateur pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur, - on couple le scintillateur à un dispositif de mesure de la lumière émise par le scintillateur, via une fibre optique, et
- on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique. Cependant, ce type de procédé se heurte à une difficulté majeure :
- la discrimination entre l'effet Cerenkov (effet parasite) et la scintillation (signal utile).
Un but de l'invention est en particulier de s'affranchir de cet inconvénient, pour mesurer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur. Ce but est atteint grâce à un procédé selon la revendication 1 et un dispositif selon la revendication 3.
En effet, l'effet Cerenkov est produit par des électrons secondaires à haute énergie (supérieure à 200 KeV). Le rayonnement Cerenkov génère dans les milieux transparents une lumière d'aspect bleuté. Cette lumière couvre tout le spectre lumineux. La quantité de lumière produite dans le scintillateur et dans la fibre optique suit une loi du type:
dQ oc — - dλdL λ2 où λ représente la longueur d'onde et L représente la longueur de fibre irradiée (scintillante ou non).
Donc lors d'une radiothérapie, la lumière produite dans la fibre optique aura deux origines différentes (voir figure 1) :
- la scintillation, uniquement proportionnelle à la dose déposée et de longueur d'onde définie et - le rayonnement Cerenkov, proportionnel à la dose déposée et à la longueur de fibre irradiée.
Les lumières produites par le scintillateur et par effet Cerenkov ont des sources différentes et possèdent des étendues spectrales différentes (voir figure 5). Elles sont transmises par la même fibre optique. Mais les lumières produites par l'effet Cerenkov et la scintillation sont décorrélées entre elles. Il est alors possible de remonter à chaque contribution de manière biunivoque en utilisant deux mesures, dans des parties du spectre différentes. On peut ainsi déterminer l'intensité de la lumière émise par le scintillateur lorsque la lumière émise par une autre source correspond au rayonnement Cerenkov émis par les électrons secondaires produits par l'irradiation. D'autres aspects buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention et d'un exemple de mode de réalisation du dispositif selon l'invention. L'invention sera également mieux comprise à l'aide des références au dessins sur lesquels :
- la figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale une fibre optique et un scintillateur pour équiper un dispositif de mesure de dose d'irradiation selon l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un exemple de dispositif de mesure de dose d'irradiation selon l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement une variante de la partie détection du dispositif de mesure représenté sur la figure 2 ;
- la figure 4 est un diagramme de la sensibilité des photodétecteurs de la partie détection représentée sur la figure 3, en fonction de la longueur d'onde λ de la lumière transmise par le filtre monté sur chaque photodétecteur ;
- la figure 5 est un diagramme de l'énergie lumineuse émise par le scintillateur du dispositif représenté sur la figure 2 et par effet Cerenkov, en fonction de la longueur d'onde λ ; - la figure 6 est un diagramme de la dose déposée par irradiation et mesurée grâce à une chambre d'ionisation ou grâce au dispositif représenté sur la figure 2 (0), en fonction de l'enfoncement dans un fantôme permettant d'étalonner le dispositif.
L'invention est illustrée ci-dessous à l'aide d'un exemple de procédé et de dispositif pris dans le domaine de la radiothérapie.
Comme représenté sur la figure 1, cet exemple de dispositif de mesure de doses d'irradiations selon invention comporte un scintillateur 1 et une fibre optique 2.
Le scintillateur 1 est constitué d'un cylindre de fibre scintillante de 1 mm de diamètre et de 10 millimètres de longueur. Cette longueur est éventuellement ajustable. La fibre scintillante est en matière plastique spéciale. Il peut s'agir de la fibre référencée BCF60 par la société Bicron® qui la commercialise. Dans ce cas, le cœur de la fibre est en polystyrène et la gaine est en polyméthylmétacrylate (PMMA). Elle produit une lumière verte dont l'intensité est proportionnelle à la dose de radiations déposée dessus et à sa longueur irradiée.
La faible taille du scintillateur 1 en fait un outil idéal pour sonder un point précis du patient traité. Il peut, par ailleurs, être introduit dans un cathéter pour mesurer des doses déposées dans le sujet traité.
Le scintillateur 1 est couplé à la fibre optique 2. La fibre optique 2 est une fibre plastique. Il peut s'agir de la fibre référencée EH4001 par la société
Mitsubishi qui la commercialise. Dans ce cas, il s'agit d'une fibre au PMMA dont le cœur fait 1 mm de diamètre et la gaine fait 2,2 mm de diamètre. Son atténuation est de 0,15 dB/mètre .
Le scintillateur 1 et une partie de la fibre optique 2 sont dénudés avant d'être introduits dans une gaine 4.
Comme représenté sur la figure 2, la fibre optique 2 est disposée de manière à ce que le scintillateur 1 se trouve globalement au centre de la zone à traiter ou à contrôler 7. Elle est reliée à un dispositif électronique 6. Ce dispositif électronique 6 comporte des photodiodes 8 agissant comme photodétecteurs pour la mesure de la lumière transmise éventuellement par plusieurs fibres optiques.
Les signaux produits par les photodiodes 8 sont alors amplifiés en vue de leur exploitation. Il sont ensuite transmis numériquement à une électronique d'acquisition 10. Pour certaines mesures, une fibre scintillante plus longue 12 est disposée autour de la zone irradiée au-delà de laquelle on ne veut rien déposer. Celle-ci permet de contrôler que l'irradiation se produit bien dans la zone à traiter 7, mais pas au-delà. Elle est couplée à une fibre optique 3, elle-même reliée à des photodiodes 8 du dispositif électronique 6, pour un traitement au niveau de l'électronique d'acquisition 10.
L'irradiation est produite par exemple par un accélérateur qui délivre la dose d'irradiation sous forme d'un faisceau de rayons-X ou d'électrons, suivant le traitement envisagé. En tout état de cause, les photons de rayons- X déposent leur énergie par l'intermédiaire des électrons qui sont produit par exemple dans le patient par effet photoélectrique, effet Compton ou création de paires. Dans la suite, nous n'envisagerons que l'effet des électrons.
Comme représenté sur la figure 3, la lumière issue de la fibre optique 2 est filtrée au travers de deux filtres colorés A et B. Une photodiode 8A ou 8B est placée derrière chaque filtre coloré A ou B.
Comme représenté sur la figure 4, chacun des deux filtres colorés A, B laisse passer une partie différente du spectre lumineux. L'un de ces filtres colorés A, B est un filtre passe-bande bleu, tandis que l'autre est un filtre passe-bande jaune. La bande de coupure de ces filtres est choisie en fonction des composantes de la lumière issue de la fibre optique 2.
Comme représenté sur la figure 5, la lumière issue de la fibre optique 2 comporte une composante provenant de la scintillation produite par le scintillateur 1 et une composante provenant de l'effet Cerenkov.
On remarquera en comparant les figures 4 et 5, que le filtre A laisse principalement passer la lumière émise par l'effet Cerenkov, tandis que le filtre B laisse passer à la fois la lumière émise par effet Cerenkov et celle émise par le scintillateur 1.
Conformément à l'invention, on détermine l'intensité de la lumière émise par le scintillateur 1, à partir de l'intensité de la lumière par la fibre optique 2. Si : - C est la quantité de lumière Cerenkov produite pour une dose D sur une longueur fibre L,
- S est la quantité de lumière de scintillation produite pour une dose déposée D,
- est la modulation du spectre de la lumière de scintillation par le filtre A,
- kg est la modulation du spectre de la lumière de scintillation par le filtre B,
- % est la modulation dμ spectre de la lumière Cerenkov par le filtre
A, kg est la modulation du spectre de la lumière Cerenkov par le filtre B,
- Λest la quantité de lumière reçue sur la photodiode 8A,
- MB est la quantité de lumière reçue sur la photodiode 8B, on a alors les relations suivantes :
soit sous la forme matricielle :
étant aussi appelée matrice K et
étant aussi appelé vecteur M.
La matrice MA n'est pas singulière, si les filtres A et B sont correctement choisis. C'est le cas notamment, si l'un est un filtre passe- bande bleu et l'autre un filtre passe-bande jaune. Dans ce cas, la connaissance du vecteur M permet de remonter de manière biunivoque à la quantité de lumière de scintillation S et à la quantité de lumière Cerenkov C et, par étalonnage, à la dose déposée D.
L'étalonnage est réalisé en comparant le signal reçu par le scintillateur 1, au signal produit dans une chambre d'ionisation de référence placée à proximité.
Il consiste simplement à faire varier la quantité de rayonnement Cerenkov sur au moins deux points de mesure et à ajuster, au moyen d'une méthode de moindres carrés, les coefficients permettant de remonter à la dose.
On cherche donc une relation du type :
D = aMA + βMB
Pour cela on effectue n mesures et on obtient un système d'observation
et le vecteur d'inconnues a et β est alors
déterminé de la manière suivante :
[Mτ .M) .MT.D ; où Mτ est la matrice transposée de la matrice
M.
Ces coefficients a et β peuvent alors être utilisés par la suite pour faire des calculs de la dose déposée en fonction de la dose mesurée.
Après étalonnage, une série de résultats obtenus avec le scintillateur 1 a été comparée avec une série de mesures obtenues directement à l'aide d'une chambre d'ionisation. Pour cette dernière, les mesures correspondent à un rendement en profondeur dans une cuve à eau de générateur de rayons-X de 15 MV débitant 2Gy.min"1 à l'isocentre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un rayonnement ionisant susceptible de créer du rayonnement Cerenkov, dans lequel on dispose sous ce faisceau, un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur (1),
- on couple le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de la lumière émise par le scintillateur (1), via une fibre optique (2), et
- on mesure la quantité de lumière transmise par la fibre optique (2), caractérisé par le fait que l'on filtre, la lumière sortant de l'extrémité la fibre optique (2), opposée à celle couplée au scintillateur (1), avec deux filtres passe-bande ayant des bandes de coupure sur des parties différentes du spectre, on mesure l'intensité de la lumière issue de ces deux filtres, on calcule à partir de ces mesures la quantité de lumière de scintillation, ainsi que la quantité de rayonnement Cerenkov et on déduit de ces quantités une mesure de la dose d'irradiation.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise une pluralité de mesures de la quantité de lumière de scintillation et de mesure de rayonnement Cerenkov pour en déduire une première valeur de dose d'irradiation.
3. Dispositif de mesure de dose d'irradiation par un faisceau d'un rayonnement à haute énergie, comprenant un scintillateur (1) pour émettre une lumière de scintillation dont l'intensité est fonction de la dose de ce faisceau irradiant ce scintillateur (1), et une fibre optique (2) pour transmettre la lumière émise par le scintillateur (1) à un dispositif de mesure (8) de l'intensité de cette lumière, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins deux filtres ayant des bandes de coupure sur des parties différentes du spectre, ainsi que des moyens pour mesurer la lumière de scintillation et le rayonnement Cerenkov ensemble dans au moins deux parties différentes du spectre, en sortie de ces deux filtres, et des moyens pour calculer à partir des mesures ainsi obtenues la quantité de lumière de scintillation, ainsi que la quantité de rayonnement Cerenkov et des moyens de traitement pour en déduire la dose d'irradiation.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il comporte un photodétecteur (8) disposé derrière chaque filtre passe-bande pour mesurer la lumière issue de la fibre optique (2) et filtrée par chacun des filtres passe-bande.
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