Secondary neutron doses received by patients of different ages during intracranial proton therapy treatments
Evaluations des doses dues aux neutrons secondaires reçues par des patients de différents âges traités par protonthérapie pour des tumeurs intracrâniennes
Résumé
Proton therapy is an advanced radiation therapy technique that allows delivering high doses to the tumor while saving the healthy surrounding tissues due to the protons’ ballistic properties. However, secondary particles, especially neutrons, are created during protons’ nuclear reactions in the beam-line and the treatment room components, as well as inside the patient. Those secondary neutrons lead to unwanted dose deposition to the healthy tissues located at distance from the target, which may increase the secondary cancer risks to the patients, especially the pediatric ones. The aim of this work was to calculate the neutron secondary doses received by patients of different ages treated at the Institut Curie-centre de Protonthérapie d’Orsay (ICPO) for intracranial tumors, using a 178 MeV proton beam. The treatments are undertaken at the new ICPO room equipped with an IBA gantry. The treatment room and the beam-line components, as well as the proton source were modeled using the Monte Carlo code MCNPX. The obtained model was then validated by a series of comparisons between model calculations and experimental measurements. The comparisons concerned: a) depth and lateral proton dose distributions in a water phantom, b) neutron spectrometry at one position in the treatment room, c) ambient dose equivalents at different positions in the treatment room and d) secondary absorbed doses inside a physical anthropomorphic phantom. A general good agreement was found between calculations and measurements, thus our model was considered as validated. The University of Florida hybrid voxelized phantoms of different ages were introduced into the MCNPX validated model, and secondary neutron doses were calculated to many of these phantoms’ organs. The calculated doses were found to decrease as the organ’s distance to the treatment field increases and as the patient’s age increases. The secondary doses received by a one year-old patient may be two times higher than the doses received by an adult. A maximum dose of 16.5 mGy for a whole treatment delivering 54 Gy to the tumor was calculated to the salivary glands of a one year-old phantom. The calculated doses for a lateral proton beam incidence (left or right) may be, for some organs, two times higher than doses for an upper incidence (left or right) and four times higher than doses for an antero-superior incidence. Neutron equivalent doses were also calculated for some organs. The neutron weighting factors wR were found to vary between 4 and 10 and the equivalent doses for the considered organs reached at maximum 155 mSv during a whole treatment.
La protonthérapie est une technique avancée de radiothérapie qui permet de délivrer une dose élevée à la tumeur, tout en épargnant au mieux les tissus sains environnants, grâce aux propriétés balistiques des protons. Cependant, des particules secondaires, principalement des neutrons, sont créées par les interactions nucléaires que les protons initient dans les composantes de la ligne et de la salle de traitement, ainsi que dans le patient. Ces neutrons secondaires conduisent à des doses indésirables déposées aux tissus sains situés à distance du volume cible, dont la conséquence pourrait être une augmentation du risque de développement de seconds cancers chez les patients traités et en particulier chez les enfants. Cette thèse a pour objectif d’évaluer par calcul les doses dues aux neutrons secondaires reçues par des patients de différents âges traités à l’Institut Curie- centre de protonthérapie d’Orsay (ICPO) par des faisceaux de protons de 178 MeV pour des tumeurs intracrâniennes. Les traitements sont réalisés dans la nouvelle salle de l’ICPO équipée d’un bras isocentrique IBA. Les composants de la ligne et de la salle de traitement ainsi que la source de protons ont été modélisés à l’aide du code de calcul Monte Carlo MCNPX. Le modèle obtenu a été validé par une série de comparaisons de calculs à des mesures expérimentales. Ces comparaisons ont concerné : a) les distributions de doses latérales et en profondeur du faisceau de protons primaire dans un fantôme d’eau, b) la spectrométrie des neutrons en une point de la salle, c) les équivalents de doses ambiants en différents points de la salle et d) les doses à distance du volume cible au sein d’un fantôme physique anthropomorhe. Des accords satisfaisants ont été obtenus entre les calculs et les mesures, permettant ainsi de considérer le modèle comme validé.Les fantômes hybrides-voxels de différents âges, développés par l’Université de Floride ont été ensuite introduits dans le modèle et des calculs de doses dues aux neutrons secondaires aux différents organes de ces fantômes ont été réalisés. Les doses diminuent lorsque la distance de l’organe au champ de traitement augmente et lorsque l’âge du patient augmente. Un patient de 1 an peut recevoir des doses deux fois plus élevées qu’un adulte. La dose maximale, égale à 16,5 mGy pour un traitement délivrant 54 Gy à la tumeur, est reçue, pour le fantôme de 1 an, par les glandes salivaires. Une incidence latérale (gauche ou droite) du faisceau de protons peut délivrer des doses deux fois plus élevées qu’une incidence supérieure (gauche ou droite), et quatre fois plus élevées qu’une incidence antéro-supérieure pour certains organes. Des doses équivalentes aux organes dues aux neutrons ont été aussi calculées. Les facteurs de pondération wR des neutrons varient entre 4 et 10, et les doses équivalentes atteignent au maximum 155 mSv au cours d’un traitement complet.
Origine : Version validée par le jury (STAR)