Monte Carlo modeling of a RANDO phantom head irradiated with 100 MeV protons for Prompt Gamma Time Imaging with the TIARA detector

par Alicia Garnier

jeudi 12 févr. 2026, 14:00 → 17:00 Europe/Paris

Amphithéâtre (CPPM)

Composition du jury :

José BUSTO, AMU	Président
Loïc GREVILLOT, MedAustron	Rapporteur
Etienne TESTA, Univ Lyon I	Rapporteur
Juliette THARIAT, Univ Caen Normandie	Examinatrice
Yannick BOURSIER, AMU	Co-encadrant
Christian MOREL, AMU	Directeur de thèse

 

Résumé :

La protonthérapie est une technique de radiothérapie prometteuse pour le traitement du cancer grâce à sa capacité à délivrer une dose précise à la tumeur tout en épargnant les tissus sains environnants. Cependant, l’incertitude existante sur la portée des protons pendant le traitement peut entrainer des erreurs dans la délivrance de la dose. Il est donc crucial de développer des méthodes de vérification de la portée en temps réel pour assurer une administration précise de la dose. En l’absence d’imagerie directe avec les protons, l’utilisation des émissions secondaires de particules générées lors des interactions des protons avec la matière est nécessaire. En particulier, les rayons gamma prompts, émis quasi-instantanément lors des interactions nucléaires, présentent une voie prometteuse pour de nombreuses techniques d’imagerie. La technique d’imagerie par temps de vol des rayons gammas prompt (PGTI) utilise le temps de vol des protons et des gammas prompts pour reconstruire le trajet du faisceau de protons. Dans ce but, le projet TIARA vise à développer un système de détection composé d’un moniteur de faisceau et de plusieurs modules de détection gammas, offrant une excellente résolution temporelle (de l’ordre de 100 ps rms). Le prototype TIARA, composé de huit modules de détection de gammas, a été testé sur un faisceau de protons du centre Antoine Lacassagne à Nice. Le but de cette thèse est de développer une simulation Monte Carlo réaliste du système de détection TIARA se basant sur le test de faisceau. Cette simulation a été réalisée à l’aide de l’outil Geant4, qui permet une modélisation détaillée de la géométrie des détecteurs, du fantôme, mais aussi des processus physiques impliqués dans les interactions des protons et des rayons gammas avec la matière. La simulation a été étalonnée à l’aide de données fournies par le Centre Antoine Lacassagne pour modéliser le fantôme et le faisceau de protons, et par le LPSC pour les caractéristiques de détection du système TIARA. La validation de la simulation a été réalisée par comparaison des spectres en temps de vol obtenus par la simulation et des mesures lors de la campagne de test sur faisceau, en utilisant le test du Chi-deux pour évaluer la qualité de l’accord entre les deux ensembles de données. Après la validation de la simulation, celle-ci a été utilisée pour comparer deux configurations potentielles pour le projet TIARA en utilisant la borne de Cramér-Rao. Celle-ci a permis également d’estimer la qualité d’un algorithme de reconstruction des positions d’émission des rayons gammas prompts.

 

Abstract :

Proton therapy is a promising radiotherapy technique for cancer treatment due to its ability to deliver a precise dose to the tumor while sparing surrounding healthy tissues. However, the uncertainty on the range of protons during treatment can lead to errors in dose delivery. Therefore, it is crucial to develop real-time range verification methods to ensure accurate dose administration. In the absence of direct imaging with protons, the use of secondary particle emissions generated during proton interactions with matter is necessary. In particular, prompt gamma rays, emitted almost instantaneously during nuclear interactions, present a promising avenue for many imaging techniques. Prompt Gamma Time Imaging (PGTI) uses the time-of-flight of protons and prompt gammas to reconstruct the path of the proton beam. To this end, the TIARA project aims to develop a detection system composed of a beam monitor and several gamma detection modules, offering excellent time resolution (on the order of 100 ps rms). The TIARA prototype, consisting of eight gamma detection modules, was tested on a proton beam at the Centre Antoine Lacassagne in Nice. The goal of this thesis is to develop a realistic Monte Carlo simulation of the TIARA detection system based on the performed beam tests. This simulation was carried out using the Geant4 toolkit, allowing detailed modeling of the detector geometry, phantom, as well as the physical processes involved in proton and gamma ray interactions with matter. The simulation was calibrated using data provided by the Centre Antoine Lacassagne to model the phantom and beam, and by LPSC for the detection characteristics of the TIARA system. The validation of the simulation was performed by comparing the time-of-flight spectra obtained from the simulation and measurements during the beam tests, using the Chi-square test to evaluate the quality of agreement between the two data sets. After validating the simulation, it was used to compare two potential configurations for the TIARA project using the Cramér-Rao bound. This also allowed estimating the quality of an algorithm for reconstructing prompt gamma emission positions.

Lien Zoom :
https://univ-amu-fr.zoom.us/j/93824507335?pwd=ZiNJQDwQ2GmLFviwWUl1laKOGZ3dXC.1

ID de réunion: 938 2450 7335
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