Centre de Lutte Contre le Cancer Léon-Bérard (LYON) MODELISATION PAR METHODES MONTE CARLO DE L’ ESPACE DES PHASES D’ UN FAISCEAU DE PHOTONS EN RADIOTHERAPIE Chamberlain Francis DJOUMESSI ZAMO Master 2 Physique Médicale 2006 Centre de Lutte Contre le Cancer Léon-Bérard (LYON) Jean Noël BADEL - Physicien médical David SARRUT - Maître de Conférence en Informatique Chantal GINESTET - Responsable Unité de physique Médicale

PLAN I - LE CENTRE Léon-Bérard II - LE GROUPE DE RECHERCHE RAYONNEMENTS IMAGES ET ONCOLOGIE III - POSITION DU SUJET IV - MATERIELS ET METHODES V - RESULTATS VI - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

LE CENTRE LEON- BERARD Membre de la Fédération Nationale des Centres pour la Lutte Contre le Cancer (FNCLCC) Les armes thérapeutiques: - la chirurgie - la chimiothérapie - la radiothérapie (2000 patients par an) En radiothérapie externe: - 5 accélérateurs (+5 imageurs portal) - 1 scanner dédié - un cone beam Plusieurs équipes de recherche

LE GROUPE DE RECHERCHE : RAYONNEMENTS, IMAGES ET ONCOLOGIE Radiothérapie guidée par l'image Contrôle de positionnement par imageur portal Acquisition d’images TDM 4D (Cone-Beam et scanners conventionels) Modélisation du thorax respirant par recalage déformable Dosimétrie dynamique (4D) Hadronthérapie Simulations Monte-Carlo Projet ThIS (a Therapeutic Irradiation Simulator) Simulation Monte-Carlo d'un imageur portal EPID Simulation Monte-Carlo d'un accélérateur linéaire

Matrice de silicium amorphe PROBLEMATIQUE Détermination de la dose transmise en radiothérapie à partir de l’imageur portal I View GT d’ ELEKTA par méthodes Monte Carlo Plaque de cuivre Matrice de silicium amorphe Imageur portal ELEKTA

PROBLEMATIQUE Objectif : Source de photons Distribution uniforme dans un angle solide Objectif : Modéliser par méthode Monte Carlo la tête d’un l’accélérateur linéaire médical: Pour obtenir l’espace des phases des faisceaux de photons Pour améliorer les calculs dosimétriques Plan de calcul de résolution variable iViewGT modélisé

L’accélérateur linéaire médicale en mode photons On le divise en 2 parties: La section accélératrice + aimant de courbure - La tête de l’accélérateur

Collimateur multilames Synoptique générale d’une tête d’accélérateur linéaire médical en mode photons 1er module Faisceau d’électrons Cible Collimateur primaire Cône égalisateur Chambre monitrice 2ème module Miroir Collimateur multilames Mâchoires en Y Mâchoires en X Filtre en coin (Verhaegen et al, 2003)

Premier module Mode basse énergie Mode haute énergie Faisceau d’électrons Faisceau d’électrons Cible Cône égalisateur Cible Collimateur primaire Collimateur primaire Filtre durcisseur Cône égalisateur

Deuxième module Quelque soit l’énergie Collimateur multilames Mâchoires en Y Mâchoires en X

MATERIELS ET METHODES Accélérateur modélisé: PRECISE (société ELEKTA) 6 et 10 MV photons

MATERIELS ET METHODES Code de simulation: MC-N-Particles (Los Alamos National Laboratory) MCNPX Version 2.5f Station de travail: Linux, processeur 1,8 GHz, RAM 500 MO

Comment utiliser MCNPX ? Écriture d’un fichier d’entrée: 1- Modélisation de la géométrie: Description des volumes Description des matériaux 2- Caractérisation de la source de particules: Nature de la particule Distribution énergétique et spatiale 3- Choix des processus physiques 4- Spécification du calcul demandé (les tallies) Création d’un fichier de sortie

Modélisation de la géométrie Premier module Cible a) b) Plan YZ, premier module de la géométrie simulée sous MCNPX (cible, collimateur primaire et cône égalisateur) : a) 6 MV et b) 10 MV

Modélisation de la géométrie Deuxième module Mâchoire en Y Lames Collimateur secondaire (multilame plus mâchoire en Y) vu dans le plan YZ pour une taille de champ 10 X 10 à l’isocentre. Alignement des 40 lames de gauche du multilame vu dans le plan ZX

Caractérisation de la source de particules - Électrons (70 Millions) - Deux Distributions gaussiennes en énergie moyenne (Ee) - Pour obtenir les 6 et 10 MV en photons - Rayon de distribution gaussienne (Re)

Choix des processus physiques Collisions électroniques Le rayonnement de freinage L’annihilation L’effet Compton La diffusion élastique L’effet photoélectrique La création de paires La fluorescence Énergie de coupure: - 500 KeV pour les électrons - 10 KeV pour les photons (DeMarco et al, 1998)

Spécification du calcul demandé Écriture d’un espace des phases Qu’est – ce qu’un espace des phases ? Fichier contenant pour chaque particules traversant une surface d’une géométrie les informations suivantes: - L’énergie - La position - La direction - Le poids statistique Pourquoi le générer ? Pour gagner du temps sur les calculs Avoir une représentation du faisceau de photons en une surface donnée de la géométrie de la tête de l’accélérateur Comment ? En simulant une seule fois le premier module (cible, collimateur primaire et cône égalisateur)

Position de l’espace des phases dans la géométrie Mode basse énergie (6 MV) Mode haute énergie (10 MV) Faisceau d’électrons Faisceau d’électrons Cible Cône égalisateur Cible Collimateur primaire Collimateur primaire Filtre durcisseur Cône égalisateur Plan de l’espace des phases Plan de l’espace des phases

Comment valider un espace des phases? Modélisation de l’accélérateur linéaire (Par un code Monte Carlo) Sélection des paramètres de transport Fichiers de l’espace des phases Calculs dosimétriques Monte Carlo Fichiers de référence de l’espace des phases Mesures dosimétriques de référence Correspondance avec les critères Oui Non (Hyun Cho et al, 2005)

Calculs dosimétriques (choix du tally) Quels calculs ? Dépôt de dose en fonction de la profondeur (rendement en profondeur), de la taille de champ et de l’énergie Dépôt de dose en fonction de la distance radiale (profils de dose), de la taille de champ et de l’énergie Comment ? Modélisation d’une cuve à eau Détection par des points radiographiques de surface plane qui admet les contributions directes et diffusées des photons Pas de 2 mm suivant la profondeur de la cuve d’eau Pas de 1 mm sur l’axe radial

Comment valider un espace des phases? Modélisation de l’accélérateur linéaire (Par un code Monte Carlo) Sélection des paramètres de transport Fichiers de l’espace des phases Calculs dosimétriques Monte Carlo Fichiers de référence de l’espace des phases Mesures dosimétriques de référence Correspondance avec les critères Oui Non

Comment faire correspondre les calculs aux mesures ? Notre démarche Trouver le bon couple énergie moyenne et rayon du faisceau d’électrons primaire permettant de trouver un ajustement dans les limites admises entre les courbes de rendement en profondeur et de profil de dose obtenues sous MCNPX à celles obtenues expérimentalement

Paramètres de transport des électrons - Pour le 6 MV Ee (MeV) FWHM en Ee (%) Re 6,8 3 FWHM= 1mm Gaussienne 6,5 6,2 FWHM = 1,3 mm 6, 2 FWHM = 1,2 mm - Pour le 10 MV Ee (MeV) FWHM en Ee (%) Re 10,4 3 FWHM= 1mm Gaussienne 9,5 FWHM= 1,3mm

Résultats Le rendement en profondeur en 6 MV (électrons:Ee =6,8 MeV, Re =1mm et 20 millions de particules)

Le rendement en profondeur en 10 MV (électrons:Ee =10,4 MeV, Re =1mm et 70 millions de particules)

Comparaison des dmax obtenus par MCNPX et mesures pour le 10MV a) Pour le 6 MV Taille de champs (cm2) 10 X 10 20 X 20 40 X 40 Mesures (cm) 1,8 1,7 MCNPX (cm) 1,6 1,2 Différence en mm 1 6 Taille de champs (cm2) 10 X 10 20 X 20 Mesures (cm) 2,45 2,2 MCNPX 2,65 1,85 Différence en mm 2 3,5 b) Pour le10 MV

Remerciements Aux responsables et enseignants du Master Physique Médicale Lyon – Grenoble Au Dr. C. CARRIE et Mme GINESTET Dr. D. SARRUT et Mr. JN BADEL A tous mes camarades de promotion

Le profil de dose à 10 cm de profondeur Profil de dose pour un champ 10 X 10 cm2 pour un faisceau de 6MV en photons Profil de dose pour un champ 10 X 10 cm2 pour un faisceau de 10MV en photons

Discussions Aux faibles statistiques Modélisation du collimateur secondaire Au pas de discrétisation Ressources informatiques

CONCLUSION Ce qui a été fait: Simulation: Faisceau d’électrons Cible Collimateur primaire Cône égalisateur Collimateur secondaire Test des gammes d’énergie pour les faisceaux en 6 MV et 10 MV Création et gestion du fichier de l’espace des phases Simulation du dépôt de dose dans une cuve d’eau (rendement en profondeur et profil de dose) pour différentes tailles de champs

PERSPECTIVES Continuer l’ajustement de l’énergie moyenne des électrons pour les faisceaux en 6 et 10 MV de photons Optimiser la statistique pour améliorer les résultats - Utiliser le fichier d’espaces des phases validé pour les simulations sur l’imageur portal ainsi que le dépôt de dose en clinique