Les cancers sont des cellules cancéreuses anormales malignes qui limitent le fonctionnement humain normal et peuvent entraîner un handicap permanent ou la mort. La plupart des cancers sont environnementaux (pollution, choix de mode de vie, infections) tandis que certains sont dus à une prédisposition héréditaire (International Agency for Research on Cancer, 2014). Avec l’âge, divers facteurs de risque s’accumulent, ce qui explique l’incidence plus élevée de cancer chez les personnes âgées. Avec les progrès continus dans les soins de santé, le cancer est de plus en plus la principale cause de décès. Des mesures préventives peuvent arrêter ou ralentir le développement de certains types de cancers. Si un cancer parvient à se développer, divers types de contre-mesures existent pour le combattre. Les traitements les plus courants comprennent la chirurgie, les produits chimiques anticancéreux ou les médicaments, éventuellement aidés par des biomarqueurs, et la radiothérapie (RT). Souvent, diversesmodalités sont combinées pour améliorer les chances de récupération. Dans la RT, les dépôts de rayonnements ionisants se déposent dans des tissus, où la dose quantifie le dommage au tissu. Le rayonnement peut être appliqué en introduisant des sources radioactives dans le corps, par ingestion, injection ou placement par chirurgie. La radiothérapie par faisceau externe (EBRT), la forme de radiothérapie la plus courante, est appliquée en dirigeant des faisceaux de rayonnements ionisants à travers le corps. Les cancers localisés sont communément appelés tumeurs (malignes), et l’EBRT exige que le cancer soit localisé, car il cible les régions spatiales. Environ la moitié de toutes les tumeurs impliquent un traitement par EBRT. Différents types de rayonnements ionisants sont ou ont été utilisés, mais de loin le plus commun est le rayon X: les photons avec des énergies dans la gamme de 1 à 20 méga de volt électronique (MeV). Les rayons X ont une autre caractéristique utile: ils peuvent être utilisés pour imaginer le corps car différents tissus atténuent le faisceau différemment. La thérapie par particules est un type d’EBRT plus récent, et il se réfère à l’utilisation médicale d’ions accélérés. Hadron ou ion therapie le différencierait plus correctement de la thérapie par rayons X du point de vue de la physique, mais comme la thérapie implique de multiples disciplines (physique, biologie, médecine), le mot particule Semble être le terme le plus largement compris pour le différencier du traitement par rayons X. En dehors des installations expérimentales, deux espèces d’ion sont utilisées dans la thérapie par particules médicales: les protons (environ 90% des patients traités) et les carbones (10%). Dans le reste de cette thèse, le terme thérapie de particules sera utilisé. La thérapie par particules montre un nombre croissant de patients traités (figure A.1). Les particules sont accélérées dans les cycles synchro ou cyclotrons et ensuite «jetées» dans la tumeur. Cette modalité peut être considérée comme un spin-off de la physique des énergies élevées, qui utilise des faisceaux de particules pour sondage de la matière et des interactions physiques. Les accélérateurs médicaux ne sont conceptuellement pas différents des accélérateurs physiques expérimentaux. Il existe une raison physique très intéressante pour choisir des particules sur des photons dans l’EBRT: ces ions présentent une gamme définie dans la matière, par opposition à une diminution exponentielle de la dose par absorption, comme on le voit avec les rayons X (figure ??) . De plus, juste avant la fin de leur gamme, les pointes de dose déposées: le pic de Bragg (BP). En plaçant cette pointe sur le site de la tumeur, pour un niveau de dose donné dans la tumeur, le tissu environnant reçoit une dose réduite par rapport au traitement par rayons X. EBRT cible une région spatiale, et pour les photons, cela signifie tous les tissus dans le chemin des poutres. Pour déconcentrer la dose dans le tissu sain entourant la tumeur, les traitements par rayons X comportent habituellement des faisceaux à partir de directions multiples, de champs, en faisant tourner un portique ou en déplaçant la table du patient (radiothérapie à modulation d’intensité, IMRT). En thérapie par particules, le nombre de champs peut être réduit à un ou deux, alors que IMRT peut avoir plus de 10. rayons X (fig. A.3). Un inconvénient important à ce moment est le coût du traitement: la thérapie par particules nécessite des accélérateurs de particules coûteux. Une installation de traitement de protons coûtera, aumoment de l’écriture, entre une et deux ordres de grandeur plus qu’une installation de traitement par rayons X et des installations capables d’accélérer encore plus les ions plus lourds comme le carbone. De plus, une importante expansion de l’hôpital lui-même est souvent requise pour héberger l’accélérateur, et il faut également recruter plus de personnel pour faire fonctionner l’accélérateur. Des travaux sont réalisés pour rendre possibles des accélérateurs de particules médicales plus compacts et abordables. Les «solutions de chambre simple», le Varian ProBeam et l’IBA Proteus One sont des exemples de ces conceptions.