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Simulation avec un code Monte Carlo dun accélérateur linéaire à usage médical, vers une application de la Radiothérapie de Conformation avec Modulation.

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Présentation au sujet: "Simulation avec un code Monte Carlo dun accélérateur linéaire à usage médical, vers une application de la Radiothérapie de Conformation avec Modulation."— Transcription de la présentation:

1 Simulation avec un code Monte Carlo dun accélérateur linéaire à usage médical, vers une application de la Radiothérapie de Conformation avec Modulation dIntensité B. Serrano*°, A. Hachem*, J. Hérault°, S. Marcié°, A. Costa°, R.J. Bensadoun°, J.P. Gérard° * LPES/CRESA Université de Nice - Sophia Antipolis EA 1174, Parc Valrose, NICE cedex 2 ° Centre Antoine-Lacassagne, Service Radiothérapie, de 33 avenue de Valombrose, Nice Cedex2 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne

2 Pourquoi une simulation Monte Carlo ? Pourquoi une simulation Monte Carlo ? Pour résoudre les problèmes rencontrés dans la mise en œuvre de la R.C.M.I. Pour résoudre les problèmes rencontrés dans la mise en œuvre de la R.C.M.I. Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Plan Quest ce que la R.C.M.I. ? Quest ce que la R.C.M.I. ? Mise en place de la R.C.M.I. Mise en place de la R.C.M.I. - Matériels & Méthodes Problèmes rencontrés & Nécessité dune simulation Monte Carlo Problèmes rencontrés & Nécessité dune simulation Monte Carlo - Matériels & Méthodes Résultats & discussions sur la simulation Monte Carlo Résultats & discussions sur la simulation Monte Carlo Conclusion & Perspectives Conclusion & Perspectives

3 Quest ce que la R.C.M.I. ? Quest ce que la R.C.M.I. ? Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne R.C.M.I. radiothérapie conformationnelle 3D où on module la fluence des faisceaux en cours de séance en déplaçant les lames du collimateur de laccélérateur linéaire. R.C.M.I. au C.A.L. mode statique ou séquentiel dit « step and shoot ». R.C.R.C.M.I.

4 Mise en place de la R.C.M.I. Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Modalité naissante en France. Traitements tumeurs ORL au C.A.L. depuis But thérapeutique : asialie But thérapeutique : asialie Technique balistique 5 incidences des faisceaux 5 incidences des faisceaux contraintes H.D.V. sur volumes cibles & organes à risque contraintes H.D.V. sur volumes cibles & organes à risque Nombre max de segments 10, Niveaux de modulation 10 Nombre max de segments 10, Niveaux de modulation 10 Segmentation spécifique engendrant Multiples segments asymétriques, excentrés, petites tailles

5 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Matériels et méthodes Accélérateur linéaire médical Primus (Siemens) : multi-lames 29 paires de lames Accélérateur linéaire médical Primus (Siemens) : multi-lames 29 paires de lames Chambres dionisation cylindriques : 0.1cc, 0.125cc et 0.015cc (pin point), film radiologique avec lecteur densitométrique Vidar Chambres dionisation cylindriques : 0.1cc, 0.125cc et 0.015cc (pin point), film radiologique EC Kodak avec lecteur densitométrique Vidar

6 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Matériels et méthodes Fantômes homogènes cylindrique et parallélépipédique, anthropomorphe (alderson rando) Fantômes homogènes cylindrique et parallélépipédique, anthropomorphe (alderson rando) - parallélépipédique empreinte de chambre mesures absolues - cylindrique Tient compte des hétérogénéités tissu - air - os.

7 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Matériels et méthodes Matériels et méthodes Logiciel ou système de plan de traitement TPS : Helax-TMS (Nucletron) une station de planification inverse optimise la fluence des faisceaux à partir des contraintes prescrites Logiciel ou système de plan de traitement TPS : Helax-TMS (Nucletron) une station de planification inverse optimise la fluence des faisceaux à partir des contraintes prescrites Algorithme de calcul de dose Algorithme de calcul de dose méthode de "pencil beam" ou de "collapsed cône" méthode de "pencil beam" ou de "collapsed cône" minimisation de la fonction objectif réalisée par la méthode des gradients minimisation de la fonction objectif réalisée par la méthode des gradients Contrôle de la répartition de dose du plan de traitement Contrôle de la répartition de dose du plan de traitement simulation par transfert du schéma dosimétrique sur fantômes simulation par transfert du schéma dosimétrique sur fantômes comparaison des isodoses TPS Film sur coupes transverses, sagittales et frontales des fantômes homogènes et hétérogènes comparaison des isodoses TPS Film sur coupes transverses, sagittales et frontales des fantômes homogènes et hétérogènes vérification dose prescrite avec fantôme homogène parallélépipédique vérification dose prescrite avec fantôme homogène parallélépipédique

8 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I.

9 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu homogène : Plan de traitement global Plan de traitement global Faisceaux étudiés individuellement Faisceaux étudiés individuellement - en relatif les films montrent des écarts de ± 4 % sur les isodoses et 4mm sur le recalage des isodoses dans les zones de fort gradient. - en absolu à l'isocentre, les écarts sont de 1- 2 % si lisocentre se trouve dans une zone de faible gradient et 4 % si lisocentre se trouve dans une zone de fort gradient - en absolu à l'isocentre, les écarts sont de 1- 2 % si lisocentre se trouve dans une zone de faible gradient et 4 % si lisocentre se trouve dans une zone de fort gradient. Projetés à 0 degré et normalisés à 2 Gray sur lisodose 100 % on observe des écarts de doses mesurées avec film de 2 %. Avec la chambre pin point, des écarts très élevés dans les zones de gradients, jusqu'à + 15 %, ont été mesurés pour certains faisceaux.

10 Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu hétérogène : Plan de traitement global (fantôme anthropomorphe) Plan de traitement global (fantôme anthropomorphe) Les résultats montrent, en relatif, des discordances de +15 à +20 % entre les isodoses obtenues par les films et le TPS. Ces écarts semblent venir de la sur réponse du film en contact avec les hétérogénéités nombreuses dans la sphère O.R.L. Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne La mise en œuvre de la R.C.M.I. repose sur l'utilisation d'un ensemble de matériels et de méthodes de contrôle lourdes en temps et en mise en œuvre. La mise en œuvre de la R.C.M.I. repose sur l'utilisation d'un ensemble de matériels et de méthodes de contrôle lourdes en temps et en mise en œuvre. Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. et nécessité dune simulation Monte Carlo

11 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Matériels et méthodes Matériels et méthodes 6 PC Pentium IV avec comme O.S. Win2K ou/et Linux 6 PC Pentium IV avec comme O.S. Win2K ou/et Linux codes Monte Carlo : MCNP (Monte Carlo N-Particule), Penelope (PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons). codes Monte Carlo : MCNP (Monte Carlo N-Particule), Penelope (PENetration and Energy LOss of Positrons and Electrons). Les mesures effectuées pour la validation des simulations nécessitent lutilisation dune cuve à eau avec déplacement motorisé de chambres dionisation de volume 0.1cc.

12 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Paramètres de la simulation 1) Descriptif géométrie de laccélérateur linéaire Primus Cible (Graphite, Au, H 2 O, Fe, Cr, Ni…) Collimateur primaire (W) Absorbeur (Al) Cône égalisateur (Fe, Cr, Ni…) Chambre photon (Al 2 O 3 ) Miroir (SiO 2, Al) Mâchoire et lames (W) 2) Descriptif géométrie de la cuve à eau à 100cm de la source 54(X) x 60 (Y) x 44(Z) cm 3 (H 2 O) Matériels et méthodes Matériels et méthodes

13 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Paramètres de la simulation 1) Source pour le point dénergie photon 25MV au Primus (données SIEMENS) électrons dénergie moyenne 19.06MeV (B.M.I. 34.5A) électrons dénergie moyenne 19.06MeV (B.M.I. 34.5A) p 2 = (mv) 2 = (B x x e) 2 = 1/c² x T (T + m o c²) B B.M.I. Le rayon du faisceau délectrons est de 1mm, répartition énergétique gaussienne avec une fenêtre en énergie de 14%. Les électrons sont uniformément répartis. 2) Énergie de coupure de 10keV en photon et 300keV en électron, suivi du transport des électrons & photons, tally *F8 pour MCNP4b. Matériels et méthodes Matériels et méthodes B.M.I. : Bending Magnet Intensity T : énergie cinétique : rayon courbure : rayon courbure

14 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Résultats & discussions sur la simulation M.C. Simulation du spectre de photons dans lair obtenu avec 2 codes M.C. : MCNP4b et PENELOPE. lidée était à partir dun code déjà validé expérimentalement (J. Mazurier) de comparer les résultats du spectre en énergie pour une même géométrie. lidée était à partir dun code déjà validé expérimentalement (J. Mazurier) de comparer les résultats du spectre en énergie pour une même géométrie. En ordonnée nous avons normalisé au nombre de photons total. Écart de moins 2 % entre les deux courbes 4 jours de simulation P4 2GHz. 50 Millions histoires 100 Milliards de collision dans univers. Détecteur reçoit photons.

15 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. En ordonnée nous avons normalisé au nombre de photons total. Spectre en énergie pour les photons du 25MV. Pic à 0.511MeV issu de lannihilation du positron de la production paire. On remarque que plus le champ diminue plus le pic augmente par rapport au reste du spectre. Ceci est dû à laugmentation de la surface dinteraction entre les photons et les mâchoires-lames.

16 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Résultats & discussions sur la simulation M.C. Bon accord entre les rendements en profondeur simulés par Monte Carlo et mesurés expérimentalement pour les photons du 25MV. Écart inférieur à 3.5%. Cinq jours de simulation sur P4 2GHz. 50 millions histoires, 1 à 4 millions photons par cellule (sphères de D=5mm). 100 milliards collisions dans univers. Rendement en profondeur en mode photons du 25MV. En abscisse profondeur en cm, en ordonnée % de dose normalisée au maximum. 2x2cm² 5x5cm² 10x10cm² 20x20cm²

17 Un écart de 5% sur la répartition totale de la dose un échec thérapeutique !!! Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Comparaison entre un profil mesuré dans une cuve à eau et simulé avec M.C. à 2cm de profondeur pour un champ 10x10cm² pour des photons du 25MV. Entre et photons par cellule (sphères de D=5mm). Équivalent à 5jours de simulation avec P4 2GHz. Faisceau délectrons: Diamètre = 2mm Énergie moyenne 19MeV

18 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Les écarts sur les bords du profil simulé viennent dune mauvaise approximation de la dimension de la source et de lénergie moyenne des électrons qui vont interagir avec la cible. Nous avons pensé quen modifiant ces paramètres il était possible de recaler le profil de dose simulée avec le profil de dose mesurée, ce qui a été vérifié. Faisceau délectrons: Diamètre = 1mm Énergie moyenne 19MeV Faisceau délectrons: Diamètre = 1mm Énergie moyenne 17MeV

19 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Faisceau délectrons: Diamètre = 1mm Énergie moyenne 17MeV Rendement en profondeur. Écart inférieur à 1.5% !!! Calcul effectué sur 2jours. Entre et 1.5 millions photons par cellule.

20 Division de Physique Nucléaire 9 ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003 Centre Antoine- Lacassagne Conclusion & Perspectives Conclusion & Perspectives Remerciements à SIEMENS et NUCLETRON pour leur collaboration Bon accord entre simulations et mesures ce qui nous conduit à poursuivre cette étude avec pour perspective dans le traitement avec R.C.M.I. Comparaison Simulations Mesures T.P.S. avec fantômes hétérogène & homogènes Comparaison Simulations Mesures T.P.S. avec fantômes hétérogène & homogènes ÞVoxélisation des fantômes de contrôle Reste à améliorerle temps de calcul Reste à améliorer le temps de calcul: Optimisation de la Réduction de Variance Optimisation de la Réduction de Variance Paralléliser les calculs Paralléliser les calculs


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