Validation et optimisation du module vpgTLE pour l'imagerie prompt-γ en hadronthérapie

Thématique 

Physique nucléaire appliquée à l’imagerie médicale

Contexte

Les simulations Monte Carlo restent essentielles pour l'optimisation des systèmes d'imagerie prompt-γ (PG) et le développement de systèmes de contrôle en hadronthérapie. Le module vpgTLE (Track Length Estimator), développé conjointement par les équipes IP2I et CREATIS, permet d'accélérer considérablement ces simulations (gain ~1000 pour la génération des cartes d’émission de PG).

Au cours du cycle de stages 2025-2026, deux travaux majeurs ont été menés en parallèle :

  • l'extension et le portage du module vpgTLE vers GATE 101 (version Python de GATE sortie en 2024), incluant l'intégration des distributions en énergie des PG issus de processus nucléaires inélastiques ;
  • la modélisation avec GATE 10 de l’expérience menée en centre de protonthérapie (CAL de Nice) avec les détecteurs du projet TIARA (Time-of-flight Imaging ARrAy) pour la détermination de la position transversale du faisceau.

À l'issue de ces travaux, plusieurs verrous technologiques subsistent avant une utilisation opérationnelle du module vpgTLE :

  • La version 4D (espace + temps) du module nécessite une validation complète et une finalisation de ses interfaces de production de sources prompt-γ (en particulier temporels).
  • Les bases de données de PG, qui doivent être reconstruites hors ligne à chaque mise à jour de la physique Geant4, vont poser des problèmes de stockage et de gestion lors de l’extension à des particules incidentes plus lourdes que les protons.
  • Dans le cadre du projet TIARA, l’étude de la sensibilité de la technique du calcul du centre de gravité combinée avec le moniteur faisceau pour estimer la direction du faisceau et l’incertitude sur l’angle d’entrée dans le patient.

Description du travail demandé

L'objectif principal du stage est de mener à bien le déploiement opérationnel du module vpgTLE et d'assurer en particulier son applicabilité aux données expérimentales TIARA. Les tâches prévues incluent :

  • Finalisation du module sous GATE 10 : validation complète des sorties temporelles et énergétiques des sources de PG, vérification de la cohérence avec les simulations analogues de référence, et documentation des interfaces utilisateur.
  • Optimisation de la gestion des bases de données PG : étude des stratégies de compression efficaces pour réduire l'empreinte mémoire des bases de données de PG tout en conservant la précision des distributions d'émission.
  • Tests de validation sur dispositifs TIARA : (i) benchmark du module vpgTLE contre les données expérimentales acquises lors des campagnes de test au CAL de Nice et (ii) évaluation des performances en termes de précision sur la position transverse et la direction du faisceau.

Localisation

Centre Léon Bérard (Lyon) — IP2I (Villeurbanne)

Références :

  1. M. Jacquet et al., A time-of-flight-based reconstruction for real-time prompt-gamma imaging in proton therapy, Physics in Medicine and Biology, Vol. 66 (2021) 135003. https://arxiv.org/abs/2012.09275.
  2. W. El Kanawati et al., Monte Carlo simulation of prompt γ-ray emission in proton therapy using a specific track length estimator, Physics in Medicine and Biology 60.20 (2015) 8067-8086. doi:10.1088/0031-9155/60/20/8067.
  3. J. M. Létang et al., Prompt-gamma track-length estimator with time tagging from proton tracking, Physics in Medicine and Biology 69.11 (2024) 115052. doi:10.1088/1361-6560/ad4a01.