Thèse Vérification en Temps Réel de la Portée des Faisceaux d'Hadronthérapie par Instrumentation Diamant H/F - 38

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : PHYS - Physique
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie
Direction de la thèse : Marie-Laure GALLIN-MARTEL ORCID 0000000282766668
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-20T23:59:59

La vérification en temps réel de la portée des faisceaux constitue l'un des défis majeurs de
l'hadronthérapie. Malgré les progrès de la planification et de l'imagerie guidée, des incertitudes de
plusieurs millimètres persistent entre la position théorique et réelle du pic de Bragg, en particulier pour les ions carbone dont la localisation est plus marquée et l'efficacité biologique accrue. Une méthode robuste de contrôle en ligne permettrait d'améliorer significativement la précision balistique et la sécurité clinique des traitements.
Parmi les approches émergentes, la détection des prompt-gammas (PG) combinée à des mesures de temps de vol (TOF) a démontré un potentiel unique pour une vérification millimétrique de la portée, y compris dans des environnements cliniques complexes. Toutefois, l'exploitation de cette méthode repose sur la disponibilité d'un moniteur de faisceau ultrarapide, capable de fournir simultanément position, intensité et timing avec une précision < 100 ps à des taux de comptage allant jusqu'à 10 ions/s. Aucun dispositif opérationnel ne répond aujourd'hui à ces exigences.

Les détecteurs diamant CVD constituent une solution particulièrement prometteuse : leur rapidité, leur
grande résistance aux radiations et leur capacité à supporter des flux élevés en font des instruments idéaux pour le monitoring de faisceau en conditions cliniques. Le LPSC a récemment développé un prototype d'hodoscope diamant sensible à la position, déjà validé en laboratoire et capable d'atteindre des résolutions temporelles de l'ordre de quelques dizaines de picosecondes. Le projet DIAMOND-RT propose de franchir une étape décisive en visant sa première démonstration en faisceau carbone et son intégration dans une chaîne TOF complète adaptée à l'imagerie PG.

Le projet se déploie en deux temps : un stage pré-doctoral de 6 mois, déjà financé, permettra la mise en service de l'hodoscope, la validation de la chaîne électronique rapide, les premières mesures en faisceau proton et une première caractérisation sous faisceau carbone au GANIL. Ces résultats constitueront la base technique du travail doctoral.

La thèse se structura ensuite en trois axes : (1) optimisation avancée du hodoscope diamant et
démonstration de sa stabilité à intensité clinique ; (2) démonstration de la coïncidence temporelle entre le diamant et des détecteurs PG ultrarapides (Cherenkov/SiPMs, PbWO/PMTs) afin d'extraire une information PG propre et exploitable ; (3) démonstration de la première mesure de portée carbone par un hodoscope diamant position-sensible couplé à des détecteurs PG non collimatés. L'objectif final est d'atteindre une précision millimétrique sur la variation de portée dans un fantôme PMMA, ouvrant la voie à la conception d'un dispositif compact possiblement intégrable en salle de traitement.
DIAMOND-RT positionne le LPSC et l'UGA sur un créneau unique : l'instrumentation diamant ultrarapide appliquée au contrôle en temps réel des faisceaux thérapeutiques. Les retombées attendues sont majeures, tant pour la physique que pour la santé : consolidation de l'expertise nationale en imagerie PG, développement d'un instrument innovant pour les centres de traitement, et préparation d'un futur projet ANR ou transfert technologique.

La vérification en temps réel de la portée des faisceaux reste un verrou majeur en hadronthérapie : malgré les progrès de l'imagerie et de la planification de traitement, des incertitudes de plusieurs millimètres persistent, particulièrement critiques pour les ions carbone, dont le pic de Bragg est très localisé et biologiquement plus efficace. Parmi les approches envisagées, la détection des prompt-gammas (PG) associée à des mesures de temps de vol (TOF) apparaît aujourd'hui comme l'une des plus prometteuses, offrant un suivi millimétrique du faisceau dans des conditions cliniques.
Pour exploiter pleinement ces méthodes, un moniteur de faisceau ultrarapide est indispensable, capable de fournir simultanément position, intensité et prise de temps avec une précision <100 ps en mode particule unique lors du positionnement du patient en début de traitement puis avec des précisions de l'ordre de la ns (lié à la pulsation des faisceaux suivant le type de machine cyclotron, synchro-cyclotron) aux intensités cliniques (~108 ions/s). Aucun dispositif actuel ne répond encore à ces exigences.
Les détecteurs diamant CVD, résistants, rapides, bas bruit, pouvant opérer à température ambiante et par ailleurs adaptés aux très hauts taux de comptage, représentent une solution idéale. Le LPSC a développé un hodoscope diamant nouvelle génération, déjà validé en laboratoire, atteignant des résolutions temporelles de quelques dizaines de picosecondes.
Ce projet vise à franchir une étape décisive : passer de la preuve de concept (démonstrateur de taille réduite 4 cm2) à la démonstration expérimentale d'un dispositif compact, de grande surface active (~16 cm2) pouvant couvrir la taille des faisceaux avec une électronique premier et deuxième niveau associée, possiblement intégrée, pour opérer la vérification de portée en temps réel. L'objectif final est d'ouvrir la voie à une future intégration clinique, en particulier dans le domaine de la thérapie par ions carbone, avec l'ouverture programmée en France du centre CYCLHAD à Caen, où des faisceaux d'ions carbone seront, pour la première fois sur notre territoire, produits à des fins thérapeutiques pour le traitement du cancer.

L'objectif global est le développement, la validation en faisceau et la mise en perspective
clinique d'un moniteur diamant nouvelle génération, conçu pour mesurés des paramètres faisceaux et s'intégrer dans un système complet d'imagerie prompt-gamma en temps réel développé en parallèle dans l'équipe PNAM. Les objectifs scientifiques se décomposent en quatre axes :
1. Caractériser en détail les performances temporelles de l'hodoscope diamant
-mesurer la résolution temporelle intrinsèque pour des intensités variant de 1 ion/s à 10 ions/s,
-étudier les effets de saturation, cross-talk, dispersion de temps et bruit électronique,
-optimiser la chaîne électronique de lecture (préamplification, DCF, TDC FPGA).
2. Démontrer la coïncidence temporelle avec des détecteurs prompt-gamma ultrarapides
-basé sur une méthode de reconstruction exclusive par temps de vol nommée PGTI pour Prompt-Gamma Time Imaging, développée dans l'équipe pour une mesure de la portée des ions en mode « particule unique » en début de traitement : Cherenkov + SiPMS)
-basé sur une méthode de calcul de l'énergie intégrale ou PGPI développée dans l'équipe pour mesurer la portée des ions en mode « intensité clinique » : scintillateurs PbWO + PMTs à faible temps de transit,
-étude de la fenêtre de coïncidence, précision TOF, efficacité et taux de faux positifs.
3. Réaliser la première démonstration de mesure de portée carbone avec un hodoscope en technologie diamant sensible à la position
-expérimentations sous faisceaux 95 MeV/u au GANIL ou au CNAO à plus haute énergie (Italie),
-utilisation d'une cible PMMA à géométrie variable,
-reconstruction de décalages de portée de quelques millimètres.
4. Préparer une montée en échelle vers un futur dispositif clinique compact
-étude de faisabilité technologique pour matrices diamant plus larges (choix de diamant polycristallins),
-définition des contraintes d'intégration en salle de traitement (géométrie, compacité, blindages),
-scénarios de couplage avec des détecteurs Prompt Gamma non collimatés (méthodes PGTI/PGPI),
-éléments en vue d'une future candidature ANR ou collaboration industrielle.

Le projet se déploie suivant 3 axes :

Axe 1 - Optimisation avancée de l'hodoscope diamant et montée en intensité (Mois 1 à 12 de doctorat)
Objectifs
-Participer à la première campagne carbone 95 MeV/u au GANIL pour mesurer :
ole comportement du diamant en intensité basse/intermédiaire,
oune première estimation de sa résolution temporelle en conditions quasi cliniques.
- Tirer parti des résultats pour optimiser :
ola résolution temporelle (<100 ps),
ola stabilité en intensité jusqu'à 10 ions/s,
ola reconstruction XY pour les deux géométries.
-Finaliser un mode « timing haute performance » pour usage comme référence TOF.
Méthodologie
-Analyse avancée des données (GANIL, CAL, ARRONAX).
-Nouveaux tests en laboratoire pour optimisation CFD/TDC.
-Validation avec protons haute intensité à ARRONAX.
-Préparation d'un hodoscope v1.1 optimisé pour la suite.
Axe 2 - Coïncidences temporelles diamant-prompt-gamma (Mois 12 à 18)
Cet axe introduit pour la première fois la coïncidence ion entrant Prompt Gamma émis, indispensable pour la reconstruction de portée. Ce travail s'inscrit dans le projet TIARA et ne relève pas directement de la responsabilité du/de la doctorant·e, les développements étant pris en charge par l'équipe. Toutefois, en tant qu'expert·e de l'hodoscope, le/la doctorant·e contribuera à cette partie en apportant un support technique et scientifique.
Objectifs
-Coupler le hodoscope aux systèmes PG rapides :
oPGTI (Cherenkov + SiPMs),
oPGPI haut débit (PbWO + PMTs).
-Optimiser la géométrie, les fenêtres temporelles et le filtrage TOF.
-Démontrer la séparation PG/neutrons en temps réel.
Méthodologie
-Bancs de coïncidence au LPSC.
-Campagne GANIL (Phase 2) : intensité intermédiaire 10-10 ions/s.
-Reconstruction des distributions TOF diamant-PG.
Axe 3 - Démonstration de mesure de portée carbone en temps réel (Mois 18 à 36)
Axe démonstrateur du projet.
Objectifs
-Mesurer des variations de portée de quelques millimètres dans du PMMA.
-Fonctionner à intensité clinique (10 ions/s).
-Évaluer la précision, la robustesse et la reproductibilité du dispositif.
Méthodologie
-GANIL - Phase 3 (intensité clinique) :
ohodoscope optimisé + 1 à 2 détecteurs PG non collimatés ;
ocible PMMA deux parties, déplacement contrôlé ;
oséries systématiques pour plusieurs décalages de Bragg peak.
-Reconstruction de portée via TOF.
-Comparaison GEANT4 / mesures.