Thèse Optimisation et Caractérisation de Champs de Neutrons Épithermiques pour la Radiothérapie Bnct et la Production de Radioisotopes à Usages Médicaux H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie
Direction de la thèse : Sébastien CHABOD ORCID 0000000321542012
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

La commercialisation de sources intenses de neutrons, suffisamment compactes pour entrer à l'hôpital, relancent l'intérêt de l'utilisation des champs de neutrons en médecine. Parmi les applications figurent : (i) la radiothérapie BNCT, qui utilise des champs de neutrons modérés pour traiter des tumeurs profondes/diffuses ; (ii) la production de radioisotopes à usages médicaux. Le sujet de thèse proposé s'inscrit dans ce contexte. Il comprendra : 1) un volet simulation, au cours duquel les champs de neutrons à utiliser en BNCT seront optimisés. La faisabilité de la production d'isotopes médicaux (Cu-64, Ho-166, etc.) en champ épithermique sera étudiée ; 2) un volet expérimental, au cours duquel des mesures de caractérisation de champs épithermiques seront conduites. Les données obtenues seront intégrées aux modèles d'optimisation pour la BNCT et la production de radioisotopes.

La mise au point de sources de neutrons compactes et intenses basées sur accélérateur (CANS), dont des modèles sont commercialisés et installés/en cours d'installation dans de nombreux pays (Helsinki University Hospital - Finlande, CNAO Italie, National Cancer Center - Japon, Xiamen Hospital - Chine, etc.), relance l'intérêt mondial pour l'utilisation des champs de neutrons, qu'ils soient thermiques (meV-eV) ou épithermiques (0.5 eV - qq 10s keV), à usages thérapeutiques. Parmi les applications possibles, d'intérêt pour cette thèse, figurent la radiothérapie AB-BNCT (Accelerator-Based Neutron Capture Therapy) et la production de radioisotopes à usages médicaux, pour la radiothéranostique.

L'AB-BNCT est une thérapie qui consiste à exposer un patient à un champ de neutrons intense généré par CANS. Avant traitement, le patient reçoit un vecteur de bore-10, qui se fixe préférentiellement sur les cellules cancéreuses. Les captures neutroniques sur le bore-10 génèrent des alphas et Li-7, qui déposent leurs énergies principalement dans les cellules cancéreuses, les détruisant. Le débit de dose (DD) déposé sur la tumeur doit être suffisamment élevé pour que le temps de traitement soit < 1h. Les sources d'intérêt pour l'AB-BNCT, Be(d,n) et Li(p,n), génèrent de tels champs intenses, mais les énergies des neutrons émis atteignent quelques 100s de keV à quelques MeV. À ces énergies, les neutrons causent des dommages excessifs aux tissus sains, et doivent être modérés et « collimatés » avant utilisation. Un des objectifs de cette thèse sera de déterminer les distributions spectrales et angulaires optimales de ces champs pour maximiser les rapports DD tumeur / DD organes sains.

La BNCT entre dans la catégorie des radiothérapies ciblées, au même titre que la radiothéranostique qui combine l'imagerie nucléaire et la RIV (Radiothérapie Interne Vectorisée) e.g. La radiothéranostique, comme d'autres thérapies internes ou techniques d'imagerie permettant de localiser des tumeurs et des métastases pré/post-traitement, développe et utilise un panel large de radioisotopes, sélectionnés pour leurs activités massiques et les caractéristiques des rayonnements émis. On peut e.g. citer l'utilisation du Cu-64 pour traiter des tumeurs neuroendocrines, du Ho-166 pour certains cancers du foie, du Mo-99, précurseur du Tc-99m, l'un des isotopes les plus utilisés en imagerie (SPECT), du Rh-188, du Lu-177 et de l'Y-90, etc. A l'heure actuelle, la plupart de ces radioisotopes sont produits en réacteurs par captures neutroniques ou sur cyclotron par interactions de faisceaux de protons ou d'électrons sur cibles. Un des objectifs de cette thèse sera d'étudier la faisabilité de la production de ces isotopes d'intérêt par captures neutroniques sur CANS.

Les objectifs et questions à investiguer pour cette thèse sont nombreux :
- La production par captures neutroniques de radioisotopes médicaux est à ce jour effectuée en réacteurs, cf. e.g. la production de Lu-177 au RHF ILL. Cette production bénéficie des flux de neutrons élevés en périphérie ou en coeur de réacteur. Cependant, les spectres en énergie des neutrons de réacteurs s'étalent sur 9 ordres de grandeurs, du meV au MeV, et présentent des composantes thermiques et rapides reliées par des spectres de ralentissement. Pour viser des résonnances de captures dans le domaine épithermique, un tel étalement n'est pas optimal. A l'inverse, les flux de neutrons pouvant être générés par CANS sont plusieurs ordres de grandeur plus faibles que les flux de réacteurs. Cependant, il est plus facile d'y optimiser la modération des neutrons et de concentrer le spectre dans une zone d'intérêt. Un des objectifs de cette thèse sera donc de calculer les structures optimales de modérateurs qui maximisent la production d'isotopes d'intérêt, e.g. Cu-64, Ho-166, etc., et de vérifier si cette modération optimisée est suffisante pour compenser la faiblesse des flux de neutrons générés par CANS. Une étude de comparaison avec l'efficacité d'autres moyens de production, e.g. sur cyclotron, pourra être effectuée. Ce travail s'appuiera sur des outils récents développés initialement pour la physique des réacteurs, appliqués ici au médical.
- Les principales sources d'intérêt pour la production de champs de neutrons épithermiques sont les sources Li-7(p(2.5-2.8 MeV,n) et Be-9(d(1.45MeV,n). Les sources Li-7 génèrent des flux élevés, mais ont des températures de fusion basses, ce qui pose des contraintes technologiques sur les intensités faisceau utilisables. A l'inverse, les cibles Be-9 ont des températures de fusion élevées, mais une efficacité moindre de production. Utiliser des sources C-13(d(1.5MeV),n) apparaît depuis peu comme un compromis intéressant, car ces sources conjuguent bonne résistance et bonne efficacité de production. Cependant, il n'existe pas de mesures détaillées des distributions spectrales et angulaires des neutrons qu'elles produisent. Dans le cadre de cette thèse, de telles mesures seront effectuées au TANDAR, Argentine, et analysées par le candidat. Les données obtenues seront ensuite intégrées aux simulations des modérateurs BNCT et radioisotopes. Ce travail s'appuiera sur des détecteurs et codes d'analyse initialement développés pour la physique fondamentale (matière noire), appliqués ici au médical.

Pour cette thèse, le candidat devra :
- effectuer des simulations Monte-Carlo du transport des neutrons dans des modérateurs, que ce soit pour la BNCT ou la production de radioisotopes. Pour ces travaux, le candidat s'appuiera sur un développement récent effectué au LPSC, la mise au point d'un algorithme d'optimisation topologique [1-4], pouvant calculer automatiquement la meilleure structure d'un modérateur à partir de la liste des objectifs et contraintes du design. La mise au point de cet algorithme constitue une rupture et a permis e.g. de concevoir en 2024-2025 (i) le modérateur d'une source intense de neutrons épithermiques de qualité métrologique pour l'ASNR [3], (ii) ou un modérateur BNCT augmentant de 30 % la profondeur de traitement par rapport aux meilleurs designs proposés depuis 30 ans par la communauté BNCT mondiale [5].
- utiliser des détecteurs de neutrons innovants, MIMAC et NFM, développés au LPSC, capables d'effectuer une caractérisation spectrale de champs de neutrons épithermiques. Ces détecteurs ont été e.g. utilisés récemment pour effectuer des mesures directionnelles de reculs de protons et de carbone avec des énergies cinétiques de l'ordre du keV dans des champs de neutrons (cf. C. Beaufort et al 2024 JINST 19 P05052).
Le candidat travaillera en étroite collaboration avec le Service de Détection et Instrumentation (SDI) du LPSC sur la caractérisation spectrale et angulaire des champs neutroniques. Le candidat sera intégré à une collaboration avec une équipe du TANDAR (CNEA, Argentine) parmi les plus fortes équipes sur l'AB-BNCT. Cette équipe a par ailleurs construit un accélérateur compact, qui pourra être utilisé pour la production de radioisotopes.