THESE DE DOCTORAT M. Anthony Bonfrate

255 Pages·2017·4.19 MB·French

by  Anthony Bonfrate

Développement d’un modèle analytique dédié au calcul
des doses secondaires neutroniques aux organes sains des
patients en protonthérapie
Anthony Bonfrate
To cite this version:
Anthony Bonfrate. Développement d’un modèle analytique dédié au calcul des doses secondaires
neutroniques aux organes sains des patients en protonthérapie. Physique Médicale [physics.med-ph].
Université Paris-Saclay, 2016. Français. ￿NNT: 2016SACLS408￿. ￿tel-01430820￿
HAL Id: tel-01430820
https://theses.hal.science/tel-01430820
Submitted on 10 Jan 2017
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NNT : 2016SACLS408

T
HESE DE DOCTORAT
DE
L’UNIVERSITE PARIS-SACLAY
PREPAREE A
L’UNIVERSITE PARIS-SUD

AU SEIN DE L’INSTITUT DE RADIOPROTECTION ET DE SURETE NUCLEAIRE

ECOLE DOCTORALE N°576
Particules Hadrons Energie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation
PHENIICS

Spécialité de doctorat : Radio et hadron-thérapies

Par

M. Anthony Bonfrate

DEVELOPPEMENT D’UN MODELE ANALYTIQUE DEDIE AU CALCUL DES DOSES SECONDAIRES
NEUTRONIQUES AUX ORGANES SAINS DES PATIENTS EN PROTONTHERAPIE

Thèse présentée et soutenue à Orsay, le 24 novembre 2016.

Composition du Jury :

Mme Irène Buvat, Directrice de recherche, HDR, Service Hospitalier Frédéric Joliot, Orsay, Présidente
M. Denis Dauvergne, Directeur de recherche, HDR, LPSC, Grenoble, Rapporteur
M. Wolfgang Sauerwein, Professeur en médecine, Hôpital d’Essen, Essen, Rapporteur
M. Stefaan Vynckier, Physicien médical chef, UCL, Hôpital St Luc, Bruxelles, Examinateur
M. Joël Hérault, Physicien médical chef, HDR, CAL, Nice, Directeur de thèse
M. Jad Farah, Docteur en physique, IRSN, Fontenay-aux-Roses, Tuteur de thèse
M. Ludovic De Marzi, Physicien médical, CPO, Orsay, Invité

La thèse m’a pris autant qu’elle m’a appris

À ma « vraie » marraine

R
EMERCIEMENTS

Avant de commencer les remerciements, je veux revenir sur la fin de la thèse qui a été
quelque peu éprouvante, principalement en raison de la rédaction. En effet, cette dernière a été
intensive et m’a demandé beaucoup d’énergie mais finalement, une thèse n’en est pas vraiment
une sans les inconvénients de cette étape qui fait naître une dépression chez la quasi-totalité des
doctorants. Les trois mois et demi que j’y ai passés m’ont permis de savoir que je pouvais non
seulement travailler sept jours sur sept mais également arréter presque toute activité sociale.
Autant dire que l’Euro ou The Life Of Pablo (FML correspondait tellement à mon état d’esprit) ont
contribué à maintenir ma santé mentale sur les rails. Bien sûr, des personnes m’ont aussi soutenu
mais je vais revenir à elles un peu plus tard. J’ai quand même fini par terminer la rédaction et je
dois avouer que je suis content, la première partie de la fin de cette thèse était ainsi achevée (la
deuxième étant la soutenance et à l’heure où j’écris ça, elle n’est pas encore passée).
Je profite de ce paragraphe sur la rédaction pour remercier Joël, Isabelle et Jad pour les relectures
du manuscrit et les nombreux échanges pour en améliorer la qualité, tant sur le fond que sur la
forme. Je pense que le résultat final n’est pas trop mal !
Je peux maintenant commencer à remercier les personnes sans qui je n’aurais pas pu finir ces
trois années. Je vais essayer de tous les remercier mais il se peut que j’en oublie… J’en suis désolé !
Tout d’abord, je tiens à remercier Jad pour avoir encadré cette thèse et contribué à ce que je
mène à bien ce projet durant ces trois ans. Un merci également à Joël pour avoir dirigé la thèse et
pour ses précieux conseils. Ensuite, je n’aurais sans doute pas tenu le coup pendant la rédaction
sans mes chers collègues, MC Koni, Marion, Jacques, Laurent et Stefania. Je n’ai jamais autant
apprécié nos discussions à la pause café (souvent en rapport avec le cuir) parce qu’elles ont
contribué à ce que les journées au labo paraissent moins longues. Merci aussi pour avoir reconnu
mes talents d’imitateur, c’est génial (Patrick Sébastien voice) ! Je remercie les derniers arrivés, la
petite, NicoThug, Sylvain et Thomas Bliiiiin avec qui je passais mes journées quand j’avais un peu
moins de travail. Je remercie enfin tous les autres membres du labo qui m’ont aidé à rendre ces
trois années plus sympathiques. Par ailleurs, le labo accueille chaque année de nouveaux stagiaires,
post-docs, presta ou intérim donc merci à tous ceux que j’ai croisés et mentions spéciales à Véro
pour sa gentillesse, à Sara bien que nos accents anglais respectifs ne facilitaient pas nos discussions
et enfin, à ma guapa Marteta pour beaucoup de choses, cœur sur elle.
J’ai eu la chance de réaliser ma thèse en collaboration avec le CPO donc je voulais remercier
Ludovic, Sabine et Edouard (mais également aux autres qui ont travaillé avec moi !!) pour leur
disponibilité, leur bonne volonté et surtout pour les réponses à mes nombreuses questions qui
pouvaient s’apparenter à du harcèlement. Les différentes manips que nous avons réalisées (et qui
nous occupaient des soirées entières) restent pour moi un très bon souvenir. C’est vrai que
l’abondance de nourriture y est pour beaucoup car elle nous permettait de tenir le coup lorsque la
gantry décidait de tomber en panne après seulement un ou deux tirs…
Pendant que je parle des manips, si elles ont été un succès, c’est en partie grâce aux personnes qui
m’ont apporté leur aide et leur expérience. Merci à Marie-Anne et Stefania pour le travail sur les
CR-39 et les différentes explications qu’elles m’ont fournies et merci à Véronique Lacoste pour la
spectrométrie neutron et les nombreux échanges qu’on a pu avoir au moment où je rédigeais !
Je vais maintenant passer aux remerciements plus personnels, QLF.
Mes neuf années d’études après le bac (ça aura été bien long !) n’auraient pas été possibles
sans ma famille et mes amis. Leur présence a vraiment contribué à ma motivation et à ce que je
puisse arriver au bout de ce périple.
Papa, maman, tonton, marraine, grox, épi et mamie, merci d’être là, merci pour tout et sachez que
vous êtes pour beaucoup dans la réussite de ce doctorat. J’ai beaucoup de chance de vous avoir,
votre simplicité, humilité et normalité font que je suis vraiment très bien entouré. J’ai rien de plus
à dire à part que je vous kiffe grave et que vous êtes ce qui a de plus important pour moi.
Un grand merci à ceux qui ont fait le déplacement le jour de la soutenance, Hugo, Dolce, Nelly,
Adri, Djo et Noich !! Ça m’a tellement fait plaisir de vous voir dans la salle et ça m’a surtout permis
de me calmer ! Je vous kiffe aussi, ne changez rien.

Je vais finir ces remerciements en disant que la thèse fut une expérience très enrichissante,
autant d’un point de vue professionnel que personnel avec toutes les rencontres qu’elle a
engendrées. À la question « tu recommencerais ? », je répondrais oui, sans hésitation.

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T
ABLE DES MATIERES

INTRODUCTION GENERALE 1
CHAPITRE I ETAT DE L’ART 5
I.1 PROTONTHERAPIE ................................................................................... 6
I.1.1 Interactions des protons avec la matière ................................................................ 6
I.1.2 Développement de la protonthérapie .................................................................... 8
I.1.3 Centre Antoine Lacassagne ................................................................................. 9
I.1.4 Institut Curie - Centre de protonthérapie d’Orsay ................................................... 10
I.1.4.1 Equipements .................................................................................................... 10
I.1.4.2 Types histologiques de tumeur intracrânienne et âge des patients .................................... 11
I.1.4.3 Planification de traitement .................................................................................. 12
I.1.4.4 Techniques de mise en forme du faisceau ................................................................. 14
I.1.4.4.a Mise en forme passive ................................................................................ 14
I.1.4.4.b Mise en forme active ................................................................................. 16
I.2 RADIOPROTECTION EN PROTONTHERAPIE........................................................... 17
I.2.1 Activation des éléments de la ligne et de la salle, de l’air et du patient ....................... 17
I.2.2 Rayonnements secondaires en protonthérapie ....................................................... 18
I.2.2.1 Particules chargées légères (A<5) ........................................................................... 19
I.2.2.2 Photons .......................................................................................................... 19
I.2.2.3 Neutrons ........................................................................................................ 20
I.3 DOSES DUES AUX NEUTRONS SECONDAIRES EN PROTONTHERAPIE .................................. 22
I.3.1 Description des moyens expérimentaux ............................................................... 22
I.3.2 Description des simulations numériques Monte Carlo ............................................... 23
I.3.3 Influence des paramètres de traitement sur les doses dues aux neutrons ...................... 25
I.3.4 Comparaison des doses neutroniques entre différentes techniques de mise en forme du
faisceau et de radiothérapie externe ......................................................................... 28
I.3.4.1 Mise en forme passive vs. active............................................................................. 28
I.3.4.2 Protonthérapie vs. Carbonethérapie ........................................................................ 31
I.3.4.3 Protonthérapie vs. RCMI ...................................................................................... 31
I.3.5 Estimation des risques de développer un cancer radio-induit ..................................... 32
I.4 MODELES ANALYTIQUES POUR ESTIMER LES DOSES DUES AUX NEUTRONS ........................... 33
I.4.1 Modèle analytique développé par Anferov (2010) .................................................... 33
I.4.1.1 Description du modèle analytique et résultats ............................................................ 33
I.4.1.2 Limites du modèle analytique ................................................................................ 35
I.4.2 Modèles analytiques de Newhauser et ses collègues ................................................ 36
I.4.2.1 Description des modèles analytiques et résultats ......................................................... 36
I.4.2.2 Limites du modèle analytique de Pérez-Andùjar et al. (2013) .......................................... 38
I.5 PRESENTATION DU TRAVAIL DE THESE .............................................................. 39
I.5.1 Collaboration IRSN – CPO sur les doses dues aux neutrons secondaires en protonthérapie... 39
I.5.2 Objectifs de la thèse ...................................................................................... 40