Simulation Monte Carlo pour la tomographie proton

Stage Master2/Master1 : L’objectif de ce stage est de travailler sur la tomographie proton (pCT) à partir de la simulation Monte Carlo afin d’estimer les performances de cette nouvelle technique d’imagerie médicale pour l’hadronthérapie. Ce travail de recherche a lieu dans le cadre d’une collaboration entre le groupe CAS-PhaBIO de l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon (UCBL-CNRS), et le laboratoire CREATIS (INSERM-UCBL-INSA). Contexte : La tomographie proton (pCT) est actuellement étudiée par différentes équipes internationales dans le but d’améliorer la précision des traitements en hadronthérapie via une caractérisation plus précise des tissus. Elle présente également l’avantage de réduire la dose utilisée en comparaison des méthodes d’imagerie plus classiques comme la tomographie par rayons X. Les limites actuelles de cette technique sont sa faible résolution spatiale, due aux interactions multiples des protons dans la matière, ainsi que son coût élevé. La pCT se base sur la mesure de la perte d’énergie des protons dans la matière, ces pertes dépendant principalement de la densité électronique des matériaux traversés. Une des difficultés principales est l’estimation du parcours exact du proton à cause des diffusions coulombiennes multiples. Cette difficulté est abordée par une estimation statistique du parcours le plus probable basée sur la mesure de la position et de la direction des protons en entrée et en sortie de l’objet étudié. D’autres paramètres liés aux interactions nucléaires inélastiques peuvent cependant être utilisés pour améliorer la caractérisation des matériaux. Méthode : Le stage portera sur l’amélioration des techniques de reconstruction en tomographie proton, ainsi que sur la mise en place d’un cahier des charges pour un futur prototype expérimental. Le travail de l’étudiant consistera en : 1. L’analyse de données de simulation Geant4/GATE pour évaluer les caractéristiques (résolution spatiale, résolution sur le densité d’électrons) de la tomographie proton. 2. L’évaluation des performances requises (résolution spatiale, résolution en énergie) pour le développement du prototype expérimental. Détails : • Compétences : connaissances en physique subatomique, bases en C++/ROOT • Période : liée au Master (entre 3 et 6 mois) • Lieu : Institut de Physique Nucléaire de Lyon (IPNL) 4 rue Enrico Fermi 69622 VILLEURBANNE • Encadrant : Nicolas ARBOR - post-doctorant IPNL/CREATIS - n.arbor@ipnl.in2p3.fr/Nicolas.Arbor@creatis.insa-lyon.fr Bibliographie : - Jan S, Benoit D, Becheva E, Carlier T, Cassol F, Descourt P, Frisson T, Grevillot L, Guigues L, Maigne L, Morel C, Perrot Y, Rehfeld N, Sarrut D, Schaart D R, Stute S, Pietrzyk U, Visvikis D, Zahra N and Buvat I 2011 GATE V6: a major enhancement of the GATE simulation platform enabling modelling of CT and radiotherapy. Physics in medicine and biology 56 881–901 - Schulte, R.; Bashkirov, V.; Klock, M. L.; Li, T.; Wroe, A.; Evseev, I.; Williams, D. & Satogata, T. (2005), 'Density resolution of proton computed tomography', Med Phys 32(4), 1035—1046. - Schulte, R. W.; Penfold, S. N.; Tafas, J. T. & Schubert, K. E. (2008), 'A maximum likelihood proton path formalism for application in proton computed tomography.', Med Phys 35(11), 4849—4856. - Rit S, Dedes G, Freud N, Sarrut D, Létang JM (2013). 'Filtered backprojection proton CT reconstruction along most likely paths', Med Phys 40(3).