Un nouveau moniteur pour la protonthérapie

Comment monitorer en continu mais sans le perturber un faisceau de particules chargées comme ceux utilisés dans la protonthérapie ? En interposant le moins de matière possible ! Ce sont donc des membranes de 1,5 micromètre (0,00015cm) sur lesquelles sont déposées des bandelettes de 50 nanomètres d’or qui forment le nouveau moniteur ultra-mince développé par le groupe « Applications Médicales » du Laboratoire Leprince Ringuet (LLR, une unité mixte de recherche CNRS – École polytechnique). Le brevet d’invention de ce moniteur PEPITES vient d’être publié.

Ultra-mince, notamment grâce à la finesse de ses membranes faites d’un matériau développé pour les voiles solaires, PEPITES peut mesurer en permanence les paramètres du faisceau tout en offrant une perturbation minimale, sans saturation et en restant très tolérant aux radiations. Son signal de mesure provient d’un phénomène très linéaire et de surface : l’émission d’électrons secondaires par la fine couche d’or sur le passage du faisceau. Ce procédé autorise ainsi la construction d’une zone sensible extrêmement fine.

Cette ultra-finesse permet un fonctionnement à des intensités élevées car elle réduit les échauffements dus aux interactions avec le faisceau. Utilisées dans le vide (intégré à la ligne du faisceau), ses membranes supportent ainsi bien mieux les altérations par radiations. Le système est simple à utiliser et trouve des applications bien au-delà du domaine médical initialement envisagé.

Une aventure au sein du Centre de recherche

Contactée en 2014 par le leader européen sur le marché de la protonthérapie afin de réfléchir à de nouveaux moniteurs pour ses nouvelles machines de traitement, l’équipe du LLR a rapidement opté pour l’étude d’un détecteur basé sur le phénomène d’émission d’électrons secondaires.

Grâce à l’aide du Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM, une unité mixte de recherche CNRS – École polytechnique), ils ont construit un premier prototype qu’ils ont pu tester avec des faisceaux de protons de 70 MeV auprès du cyclotron Arronax (St Herblain).

En parallèle, ils ont étudié la tenue aux radiations au Laboratoire des solides irradiés (LSI, une Unité mixte de recherche CNRS – CEA – École polytechnique), puis au Centre de sciences nucléaires et de sciences de la matière.

Des financements de l’ANR et du Labex P2IO ont alors permis de continuer l’aventure, tandis qu’un dépôt d’un brevet était rapidement initié avec l’aide du Service de la recherche partenariale et propriété intellectuelle de l’X.

Les prochaines étapes

La construction d’un prototype fonctionnel est en cours. Il sera installé en 2021 sur une ligne de faisceau d’Arronax puis utilisé en routine afin de bénéficier d'un retour d'expérience sur le comportement in situ du moniteur. Ceci est un point essentiel en vue de l'adoption éventuelle de la technique dans le domaine médical. PEPITES a d’ailleurs reçu un accueil plus que favorable, que ce soit dans l’univers de la recherche médicale ou de la physique des particules, lors de sa présentation à l’occasion de plusieurs conférences internationales.

Dans un futur proche, la technologie devrait être applicable aux très prometteuses thérapies « Flash », où la tumeur est traitée en un temps bref mais avec un débit de dose au moins 100 fois supérieur à celui des traitements actuels.

En savoir plus :

LLR Instrumentation médicale

Site « officiel » PEPITES