simulations Monte Carlo pour la dosimétrie en radiothérapie synchrotron vendredi 5 décembre 2003 Rayonnement Synchrotron et Recherche Médicale étudiants en thèse: C. Boudou, J.F. Adam, M.C. Biston, A. Joubert J. Balosso, A.M. Charvet, H. Elleaume, F. Estève, N. Foray, J.F. Le Bas European Synchrotron Radiation Facility

tumeurs cérébrales épidémiologie : radiothérapie (MeV) 10 cas/100 000 personnes/an 65% sont des gliomes tumeurs de haut grade: mauvais pronostic 6 moins d’éspérance de vie dans 50% des cas Is there another mean for increasing the dose delivered to the tumor while sparing the surrounding radiothérapie (MeV) 50 Gy dans la zone tumorale (fractions) limitation: tolérance des tissus sains 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

Tomothérapie: domaine des keV dose élevée dans la zone ciblée effet balistique => faisceau ajusté à la tumeur + rotation 1992: principe proposé par [Solberg, Norman] 1999: 8 patients traités par tomothérapie [Rose, Norman] 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

Tomothérapie … augmentation du dépôt de dose ⇛ iode renforcée par effet photoélectrique symbiose irradiation + chimio ⇛ platine Photo ActivationTherapy PAT facteur d'augmentation de dose DEF solution d'iode à 10 mg/ml seuil K Notre équipe étudie 2 programmes de radiothérapie utilisant le mode d'irradiation décrit. Dans le premier cas il s'agit d'augmenter le dépôt de dose dans la zone tumorale par injection d'un matériau lourd, un agent de contraste comme l'Iode typiquement. Aux énergies mises en jeu la section efficace de l'Iode est bien plus grande que celle de l'eau; l'énergie absorbée par une solution iodée sera donc bien plus grande que que celle absorbée par les tissus qui sont équivalents à de l'eau. Pour quantifier ce différentiel on définit un facteur d'augmentation de dose à partir des coefficients massiques d'absorption en énergie EQUATION. Par exemple, sur ce graphe est représenté le DEF pour une solution d'iode à 10mg/ml. On remarque que ce facteur présente un maximun autour de 50keV et qu'il est donc intéressant d'utiliser cette énergie. La seconde approche étudiée consiste à combiner l'irradiation concentrique avec un composé platiné (le Cis-Platine en l'occurence) que l'on cherche à ativer. Ce composé est classiquement utilisé en chimiothérapie. Il a la particularité de s'inséré dans l'ADN... Dans les 2 cas, l'irradiation est réalisée avec le rayonnement synchrotron essentiellement parce que l'on utilise un rayonnement monochromatique. 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

RS tomothérapie résultats préliminaires in vivo Tomothérapie par injection d’iode 15Gy @ tumeur survie augmentée de 160% Survie? médiane I=65 mediane Pt= 170 Photoactivation du cis-platine 15Gy @ tumeur survie augmentée de 680% 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

Rayonnement Synchrotron ESRF Le RS est un rayonnement à spectre continu très étendu: de l'IR aux X-durs. Ce rayonnement est surtout très intense comparé aux sources conventionnelles. Cela nous permet de choisr une énergie particulière et de travailler avec un rayonnement quasi-monochromatique, tout en conservant un flux élevé. Les expériences ont lieu sur la ligne médicale de l'ESRF, à Grenoble. Le RS représente la perte d'énergie radiative d'électrons relativistes déviés de leur trajectoire. Pour produire le RS à l'ESRF, des électrons sont portés à 6GeV et stokés dans un anneau où ils sont déviés par des structures magnétiques (aimants de courbure, wigglers ou encore ondulateurs). faisceau monochromatique E keV intensité normalisée 105 1 RS 100 tube RX anneau de stockage synchrotron LINAC 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

Rayonnement Synchrotron imagerie => mesure absolue de l'atténuation des tissus Comme je viens de le dire on va travailler avec un rayonnement monochromatique qui nous permet d'une part d'obtenir une mesure quantitative de l'atténuation des tissus en imageie. Et on sera notamment intéressé de connaître la répartition des [IODE] dans le cerveau pendant l'irradiation. D'autre part, on pourra choisir une énergie optimale d'irradiation. Dans le cas d'injection d'Iode par exemple, on a vu que le DEF passe par un maximum pour 50keV et c'est à cette énergie que les effets les plus importants ont effectivement été observés. facteur d'augmentation de dose DEF solution d'iode à 10 mg/ml seuil K faisceau monochromatique radiothérapie => énergie optimale 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

RS tomothérapie essais pre-cliniques petit animal planification de traitement => dosimétrie Les essais mis en place sur des rongeurs (rat Fisher porteur de gliome F98) donnent des résultats encourageants, nous l'avons vu. Pout mettre en oeuvre ces techniques thérapeutiques sur l'homme il faut connaître la répartion spatiale de la dose avec précison afin de mettre en place 1 planification de traitement comme c'est le cas en radiothérapie conventionnelle. Seulement la dosimétrie volumique est problématique… On dispose de deux méthodes: les modélisations numériques et les dosimètres chimiques mais dans ce cas uniqument pour les tissus équivalents eau. Mon travail de thèse porte précisémment sur la dosim2trie et j’ai commence par mettre en place de simulations MC. On peut envisager 2 types de calculs: un calcul déterministe et un calcul basé sur une méthode statistique (MC). problème de la dosimétrie 3D simulations dosimètre chimique pour les tissus équivalents eau 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

DOSE = énergie déposée unité de masse interactions → dose RS photo-électron électron Auger photoélectrique fluorescence hν0 hν0 hν' électron Compton Compton diffusé Compton majoritaire pour l’eau vers 50 keV mais ce n’est pas le principal contributeur énergétique à 33keV! DOSE = énergie déposée unité de masse 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

1° : approche déterministe atténuation du rayonnement primaire atténuation du rayonnement au point de calcul énergie absorbée au point de calcul L'approche déterministe repose sur le calcul de l'atténuation du rayonnement. On acquiert une image en RS monochromatique à l'énergie souhaitée d'irradiation pour connaître le coefficient d'atténuation en tout pixel de l'image. Ensuite pour une incidence donnée on calcule l'atténuation du rayonnement subie jusqu'au pixel de calcul. Enfin on calcule la part de ce rayonnement absorbée par le pixel de calcul. image tomo: image des μatt image de la dose pas de rayonnement diffusé pas d’émission secondaire 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

2°: approche statistique méthode Monte Carlo interactions sections efficaces angle de diffusion, perte d’E MCNP "échantillonne" : énergie déposée / masse voxel = dose absorbée + Σ E entrant - Σ E sortant = énergie déposée photon incident Ei photon de fluorescence: Ef voxel photon diffusé Ed 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

MCNP pour la dosimétrie coupes CT segmentation des images tomographiques : ⇨ géométrie voxellisée 1° cartographie de la dose configuration source Le code MCNP a été intégré au calcul de dose de la manière suivante. A partir d’images tomodensitométriques, un programme (implémenté sous IDL) segmente les images en un certain nombre de matériaux: air, eau (muscle), os et iode le cas échant que l’on doit égalment segmenter en fonction de sa concentration dans les différents tissus. On obtient ainsi un reseau de voxel dont chacun contient un matériau pré-défini. Ensuite; il faut spécifier les paramètres de l’irradiation à savoir… Le code MCNP simule les interactions et nous donne l’énergie déposée dans chaque voxel: nous avons donc une cartographie de la dose. Dans un second temps, nous allons mettre en place les algorithmes spécifiques à la planification de traitement inverse de manière à pouvoir optimiser l’irradiation. MCNP 2° planification de traitement énergie nb incidences taille du faisceau et COR 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

carte de dose calcul MCNP 1 conversion en Gray *1,6e-13 / massevox 80*80 pixels 350 μm 78,8 keV s=0,1*1cm² carte de dose calcul MCNP 1 dose : Gy/photon incident conversion en Gray *1,6e-13 / massevox énergie déposée en MeV 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie carte des incertitudes statistiques

irradiation tomo @ 50keV faisceau = 1*0,1 cm² 45*45 pixels, 700 µm déterministe/MC 1 en présence d’iode irradiation tomo @ 50keV faisceau = 1*0,1 cm² 45*45 pixels, 700 µm transport de dose par le rayonnement diffusé et la fluorescence monte carlo déterministe utilité de la méthode Monte Carlo ! 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

dosimétrie de Fricke irradiation RX ⇒ modification chimique du gel (Fe2+ → Fe3+ ) visualisation : Imagrie par Résonance Magnétique ⇒ relaxation (1/T1) proportionnelle à la dose reçue gel irradié avec un rayonnement X monochromatique géométrie: gel dans un “fantôme”: cylindre en plastique de 10cmØ 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

dosimétrie de Fricke ⇒ validation des résultats de simulation paramètres d’irradiation : énergie: 78,8 keV faisceau: 1*0,1cm² ∗ gel de Fricke □ simulation 1 IRM MC ⇒ validation des résultats de simulation 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

conclusion & perspectives dosimétrie MC pour les irradiations en tomothérapie avec le RS comparaison avec les traitements conventionnels optimisation des calculs, tables actualisées... autres codes (EGSnrc, PENELOPE…) critères d’irradiation optimale ... planification de traitement 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie

acquisition tomo 50 keV (5 cGy/coupe) augmentation de dose avant injection après injection d'iode acquisition tomo 50 keV (5 cGy/coupe) 90*90 pixels, 350 μm après-avant = [I] 1 irradiation tomo @ 50keV faisceau = 1*0,1 cm² 45*45 pixels, 700 µm 600000 histoires avec iode sans iode Exemple de l’effet de d’ajout d’IODE modalité d'injection pour ce rat T14: carotide 05/12/2003- simulations Monte Carlo pour la dosimétrie