Afin d'améliorer l'efficacité et la sécurité des traitements de thérapie par particules, nous avons développé un nouveau détecteur pour le suivi en temps réel, basé sur l'imagerie Prompt Gamma (PG) résolue en temps de vol (TOF) avec une résolution temporelle de 100 ps, nommé TIARA (Tof Imaging ARrAy). Le prototype actuel est composé de 8 modules de détection [1], intégrant des radiateurs Tcherenkov couplés à des SiPMs, et est lu en coïncidence temporelle avec un moniteur de faisceau rapide [2]. Un démonstrateur à l'échelle clinique, composé de 30 modules, sera réalisé d'ici fin 2026. Le temps de vol (TOF) entre le moniteur de faisceau et les modules TIARA, combiné à la position de ces derniers, contraint les coordonnées des vertex PG, permettant une reconstruction 3D du parcours des ions en temps réel avec une précision millimétrique au niveau du pencil beam [3]. L'algorithme de reconstruction dédié que nous avons développé ouvre la voie à une nouvelle technique d'imagerie médicale, le Prompt Gamma Time Imaging (PGTI), qui peut être utilisée aussi bien pour le suivi du parcours des protons que pour la radiographie protonique. Soutenus par des résultats préliminaires encourageants, notre objectif est désormais d'établir le potentiel et les limites de la technique PGTI avec le détecteur TIARA à grande échelle, grâce à des simulations Monte Carlo et à des expériences dédiées menées dans des centres de protonthérapie.

Ce projet multidisciplinaire est financé par la Communauté européenne (bourse ERC PGTI) pour une durée de cinq ans. Des physiciens, ingénieurs, mathématiciens et physiciens médicaux issus de trois instituts français (deux laboratoires du CNRS, LPSC et CPPM , ainsi que le centre de protonthérapie CAL ) collaborent au développement et aux tests du détecteur TIARA et de l'algorithme de reconstruction PGTI afin d'aboutir à leur application clinique.



La thèse est basée à Grenoble, au laboratoire de physique subatomique et cosmologie (LPSC), du CNRS. La personne sélectionnée sera responsable de deux tâches clés : l'intégration des détecteurs et la simulation Monte Carlo (MC).



Intégration des détecteurs. En collaboration avec les départements électronique et détecteurs au LPSC, la personne sélectionnée supervisera l'intégration et les tests du détecteur à l'échelle réelle, en veillant à ce que les différents modules soient pleinement compatibles. Grâce à la simulation MC, elle proposera des expériences pratiques pouvant être reproduites dans des installations de thérapie par protons et carbones pour valider la faisabilité de la technique. Elle contribuera ensuite à leur réalisation lors des campagnes expérimentales dédiées et sera responsable de l'analyse des données.



Simulation MC. La personne sélectionnée concevra et mettra en œuvre des simulations Monte Carlo dédiées pour étudier la qualité de l'image (résolution spatiale, SNR…) atteignable avec cette technique et la dose délivrée au patient dans différents scénarios d'irradiation. En partant de géométries simplifiées, l'étude inclura progressivement tous les paramètres ayant un impact sur l'application expérimentale, y compris la simulation d'anatomies réalistes de patients à partir de fantômes numériques et des images CT des patients.
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In order to improve efficacy and safety of particle therapy treatments, we have developed a novel detector for real-time monitoring, based on TOF-resolved (Time-Of-Flight) Prompt Gamma (PG) imaging with 100 ps time resolution, namely TIARA (Tof Imaging ARrAy). The existing prototype consists in 8 detection modules [1] based on Cherenkov radiators coupled to SiPMs, read in time coincidence with a fast beam monitor [2]. A clinical-scale demonstrator composed of 30 modules will be realized by the end of 2026. The TOF between the beam monitor and the TIARA modules, together with TIARA modules' positions constrain the PG vertex coordinates allowing a 3D reconstruction of the ion range in real-time and with a millimetric precision at pencil beam level [3]. The dedicated reconstruction algorithm developed paves the way to a new medical imaging technique, Prompt Gamma Time Imaging (PGTI) that can be used for both proton range monitoring and proton radiography. Supported by encouraging preliminary results, our aim is now to establish the potential and the limits of the PGTI technique with the full-scale TIARA detector through MC simulation and dedicated experiments at proton therapy facilities.

This multidisciplinary project has been funded by the European Community (ERC grant PGTI) for a duration of five years. Physicists, engineers, mathematicians and clinical medical physicists from three French institutes (two CNRS labs, LPSC and CPPM and the CAL proton therapy centre) are jointly working on the development and test of the TIARA detector and the PGTI reconstruction algorithm in order to reach their clinical applicability.



The current position is based in Grenoble, at the CNRS Laboratory of Subatomic Physics and Cosmology (LPSC). The successful candidate will be responsible of two key tasks: detector integration and MC simulation.



Detector integration. In collaboration with the electronics and detector departments at LPSC, she/he will supervise the integration and test of the full-scale detector, ensuring the different modules are fully compatible. Through MC simulation, the PhD researcher will propose practical experiments that can be reproduced at proton and carbon therapy facilities to validate the feasibility of the technique. She/he will then contribute to their realization during dedicated experimental campaigns and will be in charge of the data analysis.



MC simulation. The candidate will also conceive and implement dedicated Monte Carlo simulations to study the image quality (spatial resolution, SNR…) achievable with this technique and the dose delivered to the patient in different irradiation scenarios. Starting from simplified geometries the study will progressively include all parameters that will have an impact on the experimental application, including the simulation of realistic patient anatomies based on digital phantoms and patient's CT images.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Funding category: Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral