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Dosimétrie des émetteurs à léchelle cellulaire et tissulaire par méthode de Monte Carlo J. Coulot 1, M. Ricard 1, A. Faggiano 2, N. Bellon 3 F. Lavielle.

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1 Dosimétrie des émetteurs à léchelle cellulaire et tissulaire par méthode de Monte Carlo J. Coulot 1, M. Ricard 1, A. Faggiano 2, N. Bellon 3 F. Lavielle 1, M. Schlumberger 2 1 Service de Physique, 2 Service de Médecine Nucléaire & Cancérologie Endocrinienne, 3 Service Statistiques Institut Gustave-Roussy JJC 2003 Aussois

2 CONTEXTE Problématique Problématique Formalisme Formalisme Outils Outils Cancers de la thyroïde Données de base Modélisation géométrique Calculs et résultats APPLICATIONS

3 Introduction - la dosimétrie interne Dosimétrie interne : déterminer la dose déposée dans les tissus par des radionucléides distribués dans lorganisme : De façon accidentelle ou dans un but diagnostic : radioprotection Dans un but thérapeutique : relation dose-effet Concept de base : la fraction absorbée

4 Cible k Source h Énergie émise E 0 Énergie absorbée E k Fraction absorbée Fonction de la géométrie et de la nature du rayonnement : Concept valable uniquement pour un radionucléide distribué de façon homogène dans la source

5 Méthode du Medical Internal Radiation Dose Comity Principe du MIRD : estimation de la dose à léchelle de lorgane, dans des fantômes anthropomorphiques décrits par âge et par sexe : Activité cumulée (nombre total de particules émises) estimée grâce aux images fonctionnelles Énergie totale émise X % dénergie absorbée Dose k = Masse de lorgane

6 Un peu plus loin… Tabulé Calculé Mesuré : Dose par MBq.h déposée dans le volume k

7 De lorgane… à la cellule Concept de fraction absorbée valable à toutes les échelles Concept de fraction absorbée valable à toutes les échelles Nécessite un MODELE GEOMETRIQUE REPRESENTATIF Nécessite un MODELE GEOMETRIQUE REPRESENTATIF On peut recalculer les facteurs S à léchelle qui nous convient Femme MIRD Thyroïde Vésicules thyroïdiennes

8 Outils Plusieurs codes de calculs dans le domaine public : MCNP, PENELOPE, GEANT, EGS, etc. ( ) A lIGR: utilisation de EGSnrc : Expérience du code EGS (P. Telenczak, J. Gouriou, I. Clairand) Transport des particules chargées ++ Développement doutils autour de cet environnement NRC-CNRC

9 Le usercode EGS - DOSE3D Utilise la géométrie combinatoire Utilise la géométrie combinatoire Calcule la fraction absorbée dans chaque volume dintérêt défini par lutilisateur Calcule la fraction absorbée dans chaque volume dintérêt défini par lutilisateur 12 OR +1 OR Principe de la géométrie combinatoire

10 DOSE3D - évolutions Adapté à EGSnrc et validé aux échelles cellulaires et tissulaires INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY Phys. Med. Biol. 48 (2003) 1–12 PII: S (03) Validation of the EGS usercode DOSE3D for internal beta dose calculation at the cellular and tissue levels J Coulot, M Ricard and B Aubert Clairand et al. Improvement of internal dose calculations using mathematical models of different adult heights. Phys Med Biol 45 (2000). Dédié à la dosimétrie à léchelle de lorgane

11 CONTEXTE Problématique Problématique Formalisme Formalisme Outils Outils Cancers de la thyroïde Cancers de la thyroïde Données de base Données de base Modélisation géométrique Modélisation géométrique Calculs et résultats Calculs et résultats APPLICATIONS

12 Application - Cancers de la Thyroïde Outil de calcul validé utilisable dans de nombreuses configurations Première application : étude de linfluence de la distribution de liode-131 dans la thyroïde Contexte : conséquences de laccident de Chernobyl

13 Épidémiologie (M. Schlumberger) Cancers de la thyroïde des enfants, Belarus : 8 cancers : 583 cancers Risque relatif en fonction de lâge lors de laccident Risque relatif en fonction de lâge lors de laccident 1 ans : ans : ans : 6 10 ans : 6 Adultes : pas de risque significatif. Adultes : pas de risque significatif. Ces données ne sont pas corrélées aux estimations dosimétriques (MIRD) BELARUS N° OF CASES AGE AT DIAGNOSIS (Years) ITALIE & FRANCE N° OF CASES AGE AT DIAGNOSIS (Years) Âge au diagnostic

14 Étude pluridisciplinaire : anatomopathologie-médecine nucléaire-statistique-physique-biologie 31 échantillons de thyroïdes saines (ablations préventives) ont été étudiés : Étude morphométrique des tailles de vésicules thyroïdiennes Étude des caractéristiques fonctionnelles par immunohistochimie : localisation du transporteur de liode Na + /I - Symporter (NIS) Étude IGR

15 La thyroïde Thyroïde Cellules épithéliales Colloïde

16 Données de base - distribution de diamètres Diamètres moyen vésicules (p<0,001): 12 ans : 131 µm > 12 ans : 171 µm 12 ans > 12 ans CIPR 23 – homme de référence : Adultes : 300 µm ans : 250 µm 2 groupes morphologiques isolés : 12 ans et > 12 ans

17 Données de base - expression du transporteur de liode NIS Expression du transporteur de liode NIS préférentiellement dans les petites vésicules Marqueur NIS Âge Moyenne Gammep - value % vésicules marquées 12 ans50-75% [25-75]<0,01 > 12 ans<25% [25-50]<0,01 Faggiano et al., J. Nucl Med., in press Expression NIS Activité métabolique (capacité à concentrer liode)

18 Modélisation – outils développés Le programme CLUSTER3D, utilise le hasard pour associer des sphères de rayons différents de façon aléatoire dans lespace sous contraintes de compacité BUT : améliorer la représentativité des modèles en évitant lécueil dune organisation trop géométrique et éloignée de la réalité Langage JAVA Programmation objet (proche C) Multi-plateforme (Windows, Linux, MAC OS) Gratuit... Temps de calculs # 3-5 minutes… Écrit les fichiers de sortie DOSE3D Rhinoceros (3D)

19 Principe Échantillone une distribution de diamètres Échantillone une distribution de diamètres Chaque sphère peut être le germe de création dune suivante Chaque sphère peut être le germe de création dune suivante Des contraintes sont introduites au fur et à mesure de la construction du modèle Des contraintes sont introduites au fur et à mesure de la construction du modèle x yz

20 Modèles géométriques 12 ans > 12 ans # 200 sphères de différents rayons Pour obtenir une organisation différente dans lespace : changement de la séquence de nombres aléatoires

21 Cellules épithéliales - observation Prise en compte de lorientation des cellules épithéliales à la surface des vésicules (observations sur coupes histologiques) : Sujet de 8 ans Sujet de 17 ans

22 Cellules épithéliales - modélisation « Petites » vésicules Vésicules « intermédiaires » « Grandes » vésicules 100 m 100 m 100 < < 200 m 200 m 200 m 10 m 5 m 15 m Vésicule thyroïdienne colloïde Cellules épithéliales

23 Calculs -hypothèses 131 I distribué de façon homogène dans toutes les vésicules I distribué de façon homogène dans les vésicules exprimant le NIS (les plus petites) 2

24 Cas n°1 131 I distribué de façon homogène dans toutes les vésicules

25 Probabilités 12 ans : 1 & 2 12 ans : 1 & 2 > 12 ans : 1 & 2 Probabilité davoir S ordonnée y (%) S (mGy.MBq -1.h -1 ) Écart entre les deux groupes

26 Cas n°2 131 I distribué de façon homogène dans les vésicules exprimant le NIS 12 ans : 60 % des vésicules expriment le NIS > 12 ans : 20 % des vésicules expriment le NIS

27 Probabilités Probabilité davoir S ordonnée y (%) S (mGy.MBq -1.h -1 ) 12 ans 12 ans > 12 ans

28 Conclusions La dose absorbée dans la thyroïde est hétérogène (« distribution » de la dose) Les sujets correspondants au modèle > 12 ans toujours moins irradiés que ceux du modèle 12 ans, quelle que soit lhypothèse. Lutilisation dhypothèses fonctionnelles simples augmente lécart entre les deux groupes de façon significatives

29 Conclusion - discussion Nos calculs sont basés sur des hypothèses : lutilisation de données biologiques quantitatives est indispensable : Localisation intra-thyroïdienne Concentration de liode dans les vésicules En projet / en cours : Étude quantitative de la distribution des isotopes de liode dans la thyroïde à laide de la microscopie ionique analytique Application de la méthode de calcul dans le cadre de la radioimmunothérapie

30 Remerciements Marcel Ricard Bernard Aubert Frédéric Lavielle Guillaume Bonniaud Pr. Martin Schlumberger Antongiulio Faggiano Médecine Nucléaire & cancérologie endocrinienne Nicolas Bellon Statistique Physique


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