Méthodes d’apprentissage pour la reconstruction 3D du dépôt d’énergie en hadronthérapie avec le détecteur TIARA.

L'équipe de recherche imXgam conduit des activités de recherche interdisciplinaire pour les applications d'imagerie des rayonnements ionisants dans le champ de la santé et de l'énergie. Elle participe au projet PGTI (Prompt Gamma Time Imaging) financé par l’ERC, dont l'objectif est de réduire les incertitudes liées au parcours des protons lors de traitements par protonthérapie grâce au développement d'un détecteur pour l'imagerie par temps-de-vol des rayons gammas prompts (GP) créés lors de l'irradiation. Ce projet s’appuie sur le développement du détecteur TIARA (Time-of-flight Imaging Array).

La précision de la protonthérapie est aujourd’hui limitée par les incertitudes liées au parcours des protons, qui résultent de la composition des tissus du patient, des mouvements physiologiques ou des modifications transitoires de l'anatomie, et qui conduisent à utiliser de marges de sécurité importantes (jusqu'à 1 cm) pour éviter l'irradiation des tissus sains. L’imagerie des GP a pour but de permettre de contrôler en temps réel le traitement de la tumeur [1]. Pour exploiter pleinement son potentiel, un détecteur innovant de contrôle des traitements en temps réel, basé sur une imagerie des GP par temps-de-vol avec une résolution temporelle de 100 ps est proposé [2]. Ce détecteur consiste en un ensemble de convertisseurs Tcherenkov en fluorure de plomb d’environ 1 cm3 chacun entourant le volume irradié lus en coïncidence avec un moniteur de faisceau. Le principe consiste à mesurer précisément (à mieux que 100 ps) la différence de temps entre le temps de passage des protons dans le moniteur faisceau basé sur un détecteur en diamant et le temps d’arrivée des GP dans les convertisseurs Tcherenkov, qui correspond au temps-de-vol du proton entre son passage dans le moniteur faisceau jusqu’à son interaction dans les tissus suivi du temps de vol du GP émis lors de cette interaction jusqu’à sa détection par TIARA. Cette différence de temps, connaissant la position des détecteurs, contraint les coordonnés du point d’émission des GP, ce qui permet une reconstruction 3D du parcours des protons en temps réel avec une précision millimétrique [3].

Un algorithme de reconstruction 3D du parcours des protons en temps réel spécifique au détecteur TIARA et à sa physique a été développé et validé sur données analytiques et sur données Monte Carlo. L’objectif de ce stage consiste à développer et étudier les performances des méthodes d’apprentissage (machine et/ou profond) de ce problème. Dans une première partie, il s’agira de construire une base de données conséquente en exploitant la modélisation de l’expérience PGTI/TIARA sur la plateforme de simulation Monte-Carlo GEANT4 qui est déjà réalisée. Ces données devront correspondre à un benchmark réaliste. Dans un second temps, il s’agira d’utiliser cette base de données pour entraîner des réseaux de neurones qui devront être capables d’estimer le dépôt d’énergie dans le patient à partir de temps de vol. La robustesse et la précision de ces sera évaluée et comparée à un algorithme analytique déjà développé.

Ces développements utiliseront principalement les langages Python et GATE/Geant4.

Les candidats sont invités à prendre contact avec le responsable du sujet de stage en lui joignant un CV accompagné d'une lettre de motivation et des derniers relevés de notes (celui de l'année précédente ainsi que celui du semestre actuel, si disponible).

[1] J Krimmer <i>et al.</i>, Prompt-gamma monitoring in hadrontherapy: A review, <i>Nucl. Instrum. Methods A</i> <b>878</b> (2018) 58-73

[2] S. Marcatili <i>et al.</i>, Ultra-fast prompt gamma detection in single proton counting regime for range monitoring in particle therapy, <i>Phys. Med. Biol.</i> <b>65</b> (2020) 45033

[3] M. Jacquet <i>et al.</i>, A time-of-flight-based reconstruction for real-time prompt-gamma imaging in protontherapy, <i>Phys. Med. Biol.</i> <b>66</b> (2021) 135003