Vers une simulation Monte Carlo de la distribution de dose déposée dans un patient en hadronthérapie. 1. Introduction des données anatomiques d’un patient dans les simulations. Doctorante : Nathalie DUFOUR (CLB-IPNL) Directeurs de thèse : M. Boutemeur (IPNL) – D. Sarrut (Creatis)

Ma thèse en quelques mots … Nathalie DUFOUR (22/06/1982) Ingénieur Génie Biomédical (Marseille) / Master 2 Rayonnement et Imagerie en Médecine (Toulouse) Physicienne médicale (DQPRM en cours) Début de ma thèse : Simulation à l’aide du code Monte Carlo GEANT4 de la distribution de dose reçue par un patient dans le cadre d’un traitement en hadronthérapie.

Un contexte … Mise en place d’un programme de travail dans le cadre du GDR dosimétrie (MI2B) : L‘évaluation, l’utilisation et l’amélioration de GEANT4 pour la radiothérapie et l’hadronthérapie. DAPNIA Paris : S. Kerhoas LPC Clermont Ferrand : G. Montarou, Z. Francis IPN Lyon : M Boutemeur, MC Ricol, N Dufour CLB Lyon : N Dufour, D Sarrut LPC Caen : D. Cussol CENBG Bordeaux : S. Incerti CNDRI INSA Lyon : N Freud, JM Létang Liris Lyon : M. Beuve CREATIS Lyon : L Guigues, D Sarrut

Plan de traitement Le scanner X constitue la technique de référence pour détecter et délimiter la région cible à partir de laquelle sont réalisés les calculs de planification dosimétrique La planimétrie d'un traitement consiste (à partir des données des patients et des paramètres du faisceau) à : - calculer la distribution de dose sur ordinateur (méthode analytique, Monte Carlo (référence), hybride) - choisir et valider la technique d’irradiation

La méthode Monte Carlo Simuler le parcours des ions carbones dans la matière. Prérequis : Les processus d’interactions des ions 12 C Les sections efficaces d’interaction avec les atomes de la cible Gestion de géométries complexes dans les simulations (données patients) : « Segmentation » Navigation

Le scanner X Une mesure = l'atténuation du faisceau de rayons X causée par la traversée des éléments du corps du patient qui se trouvent sur l'axe tube/détecteur. L'ensemble des mesures permet de calculer le coefficient d'atténuation linéaire (μ) de chaque élément du volume examiné. La valeur en un point d’une image obtenue est une unité Hounsfield (I H ou HU) qui correspond à la densité par rapport à l’eau des tissus situés dans le volume associé.

Que nécessite les simulations Monte Carlo ? Informations concernant : La composition atomique du tissu (ex du pancréas : H(10.6%), C(16.9%), N(2.2%), O(69.4%), P(0.2%)) La densité du tissu

Corrélation entre les HU et les paramètres des tissus Méthode de Schneider et al (2000). Calibration réalisée sur le scanner GEMINI (Philips) du Centre Léon Bérard.

La méthode (1) : Quelques équations … Le coefficient d’atténuation linéaire d’un tissu de composition donnée : Les valeurs d’atténuation sont converties en unités Hounsfield : (1) (2)

La méthode (1) Section efficace (Rutherford) dans la gamme d’énergie de la scanographie : En remplaçant cette valeur dans l’équation (1) : (3) (4)

La méthode (1) On exprime ainsi le rapport des atténuations de la façon suivante : Avec : K 1 =K sca /K kn K 2 =K ph /K kn K 1 et K 2 sont scanner-dépendants (5)

Détermination des K 1 & K 2 du Gemini (Philips) Utilisation du fantôme CIRS 062 Le fantôme : 10 matériaux différents de densité et de composition atomique connus. Mode tête / abdomen La mesure : 140 kV (120 mAs) Extraction des valeurs HU dans chaque insert (incertitude sur la mesure d’environ 3 HU)

L’ obtention des K1 & K2 : Résolution de la méthode des moindres carrés (minimiser la différence entre la mesure et le modèle) Trouver les valeurs de K1 & K2 tel que la différence entre la mesure et le modèle soit minimale ModèleMesure

Résultats sur le fantôme

Tables de Woodward et White Calcul des valeurs HU pour les tissus mous et osseux à partir des paramètres tissulaires répertoriés.

DensitéHCNOPCa HU (calc) A Z Tissus mous Lung, blood-filled0,2610,310,53,174,90, , Adipose tissue 30,9311,668,10,219, , Adipose tissue 20,9511,459,80,727, , Adipose tissue 10,9711,251,71,335, , Mammary gland 10,9910,950,62,335, , Mammary gland 21,0210,633,2352,800 -1, Brain, cerebrospinal1,0111, , Adrenal gland1,0310,628,42,657,80,10 9, Small intestine1,0310,611,52,275,10,10 15, Urine1,02110,5186,20,10 7, Gallbladder bile1,0310,86,10,182,200 16, Lymph1,0310,84,11,183,200 17, Pancreas1,0410,616,92,269,40,20 22, Prostate1,0410,58,92,577,40,10 25, Brain, white matter1,0410,619,42,566,10,40 19, Testis1,0410,69,9276,60,10 23, Brain, grey matter1,0410,79,51,876,70,30 23, Muscle, skeletal 11,0510,117,13,668,10,20 25, Stomach1,0510,413,92,972,10,10 32,

DensitéHCNOPCa HU (calc) A Z Tissus mous Lung, blood-filled0,2610,310,53,174,90, , Adipose tissue 30,9311,668,10,219, , Adipose tissue 20,9511,459,80,727, , Adipose tissue 10,9711,251,71,335, , Mammary gland 10,9910,950,62,335, , Mammary gland 21,0210,633,2352,800 -1, Brain, cerebrospinal1,0111, , Adrenal gland1,0310,628,42,657,80,10 9, Small intestine1,0310,611,52,275,10,10 15, Urine1,02110,5186,20,107,27 Gallbladder bile1,0310,86,10,182,200 16, Lymph1,0310,84,11,183,200 17, Pancreas1,0410,616,92,269,40,20 22, Prostate1,0410,58,92,577,40,10 25, Brain, white matter1,0410,619,42,566,10,40 19, Testis1,0410,69,9276,60,10 23, Brain, grey matter1,0410,79,51,876,70,30 23, Muscle, skeletal 11,0510,117,13,668,10,20 25, Stomach1,0510,413,92,972,10,10 32,

La méthode (3) Les HU s’échelonnent entre et 2000 dans le corps humain  3000 matériaux différents à décrire !! Pas d’intérêt : Incertitudes dans les mesures (+/- 3 HU) Fantôme avec seulement 10 tissus connus Interpolation des éléments chimiques avec des écarts jusqu’à 20% d’incertitude pour certains.

La méthode (3) Hypothèses simplificatrices : Pour les milieux composés de deux éléments :

La méthode (3) Les tissus osseux Interpolation entre le « skeleton cortical bone » et le « red/yellow narrow » Correspondance entre les densités massiques calculées et celles issues des tables : Erreur = 0.4%

La méthode (3) Correspondance entre les compositions chimiques calculées et celles issues des tables

Écarts Erreur moyenne (%) Oxygène10.6 Carbone13.3 Hydrogène1.3 Calcium2.7

La méthode (3) Les tissus mous Composés de 3 éléments (graisse, protéines et eau) Deux sous classes 1. Interpolation entre « l’adipose tissu 3» et « l’adrenal gland » (forte proportion d’eau) 2. Interpolation entre le « cortical tissue » et le « small intestine » (forte proportion de graisse)

La méthode (3) Correspondance entre les compositions chimiques calculées et celles issues des tables

Écarts Erreur moyenne (%) Oxygène4.9 Carbone19.5 Hydrogène1.5

Bilan En terme de densité massique :

Bilan En terme de composition chimique Découpage en 24 plages HU -->Réduction du temps de calcul Limité à H, C, N, O, P, Ca

Résultats (1)

Résultats (2)

Résultats (3)

Conclusion & perspectives Mise en place d’une méthode d’étalonnage permettant la conversion d’un scanner en une description adaptée à un logiciel Monte Carlo. Mais … Une image scanner : 26 millions de voxels  Inconvénient majeur en terme de temps de calcul Pourquoi ?? Le suivi du parcours des particules n’est pas adapté à ce genre de données dans Geant4. Solution en cours : Optimisation de la navigation (D. Sarrut, L. Guiges, A. Vacavant)