Centre Antoine-Lacassagne Simulation avec un code Monte Carlo d’un accélérateur linéaire à usage médical, vers une application de la Radiothérapie de Conformation avec Modulation d’Intensité 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, 06108 - NICE cedex 2 ° Centre Antoine-Lacassagne, Service Radiothérapie, de 33 avenue de Valombrose, 06189 Nice Cedex2  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

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

Centre Antoine-Lacassagne Qu’est ce que la R.C.M.I. ? 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 l’accélérateur linéaire. R.C.M.I. au C.A.L.  mode statique ou séquentiel dit « step and shoot ». R.C. R.C.M.I.  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Mise en place de la R.C.M.I. Modalité naissante en France. Traitements tumeurs ORL au C.A.L. depuis 2001.  But thérapeutique : asialie Technique balistique  5 incidences des faisceaux  contraintes H.D.V. sur volumes cibles & organes à risque  Nombre max de segments 10, Niveaux de modulation 10 Segmentation spécifique engendrant Multiples segments asymétriques, excentrés, petites tailles  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

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

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

Centre Antoine-Lacassagne 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  Algorithme de calcul de dose méthode de "pencil beam" ou de "collapsed cône"  minimisation de la fonction objectif réalisée par la méthode des gradients  Contrôle de la répartition de dose du plan de traitement  simulation par transfert du schéma dosimétrique sur fantômes  comparaison des isodoses TPS  Film sur coupes transverses, sagittales et frontales des fantômes homogènes et hétérogènes  vérification dose prescrite avec fantôme homogène parallélépipédique  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. Sur les instruments de mesure :  Film radiologique  réponse non linéaire  non-homogénéité du gel (AgBr), processus de développement.  Chambre d’ionisation  Sphère O.R.L. fort gradient de dose R 2 = 0,9966 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,2 0,5 1,5 2,5 3 3,5 4 4,5 Dose en Gy Densité Optique = 0,987 0,7 0,9 1,1 1,3 2,4 2,6  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu homogène :  Plan de traitement global   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 l’isocentre se trouve dans une zone de faible gradient et  4 % si l’isocentre se trouve dans une zone de fort gradient. Projetés à 0 degré et normalisés à 2 Gray sur l’isodose 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.  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. et nécessité d’une simulation Monte Carlo Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu hétérogène :  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. • 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.  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Matériels et méthodes  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) . Les mesures effectuées pour la validation des simulations nécessitent l’utilisation d’une cuve à eau avec déplacement motorisé de chambres d’ionisation de volume 0.1cc.  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Matériels et méthodes Paramètres de la simulation 1) Descriptif géométrie de l’accélérateur linéaire Primus Cible (Graphite, Au, H2O, Fe, Cr, Ni…) Collimateur primaire (W) Absorbeur (Al) Cône égalisateur (Fe, Cr, Ni…) Chambre photon (Al2O3) Miroir (SiO2, 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) cm3 (H2O)  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Matériels et méthodes Paramètres de la simulation 1) Source pour le point d’énergie photon 25MV au Primus (données SIEMENS)  électrons d’énergie moyenne 19.06MeV (B.M.I. 34.5A) p2 = (mv)2 = (B x  x e)2 = 1/c² x T (T + moc²) B  B.M.I. Le rayon du faisceau d’électrons 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. B.M.I. : Bending Magnet Intensity T : énergie cinétique  : rayon courbure  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Simulation du spectre de photons dans l’air obtenu avec 2 codes M.C. : MCNP4b et PENELOPE.  l’idée était à partir d’un 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 700 000 photons.  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Résultats & discussions sur la simulation M.C. 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 l’annihilation 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 l’augmentation de la surface d’interaction entre les photons et les mâchoires-lames.  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne 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  Division de Physique Nucléaire 9ème 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. Faisceau d’électrons: Diamètre = 2mm Énergie moyenne 19MeV Entre 500 000 et 7 000 000 photons par cellule (sphères de D=5mm). Équivalent à 5jours de simulation avec P4 2GHz. Un écart de 5% sur la répartition totale de la dose  un échec thérapeutique !!!  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

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

Centre Antoine-Lacassagne Résultats & discussions sur la simulation M.C. Rendement en profondeur. Écart inférieur à 1.5% !!! Calcul effectué sur 2jours. Entre 300 000 et 1.5 millions photons par cellule. Faisceau d’électrons: Diamètre = 1mm Énergie moyenne 17MeV  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003

Centre Antoine-Lacassagne Conclusion & Perspectives 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 Voxélisation des fantômes de contrôle Reste à améliorer le temps de calcul:  Optimisation de la Réduction de Variance  Paralléliser les calculs Remerciements à SIEMENS et NUCLETRON pour leur collaboration  Division de Physique Nucléaire 9ème Journées Jeunes Chercheurs Aussois Décembre 2003