Réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 1 MODELISATION DE LA CALIBRATION DE FAISCEAU SUR UNE LIGNE DE TRAITEMENT DU CENTRE DE PROTONTHERAPIE.

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1 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 1 MODELISATION DE LA CALIBRATION DE FAISCEAU SUR UNE LIGNE DE TRAITEMENT DU CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY S. Kerhoas-Cavata 1, A. Stankovskiy 1, PF. Honore 1 L. Demarzi 2, R. Ferrand 2, A.Mazal 2, C.Nauraye 2 1 2 MODELISATION DE LA CALIBRATION DE FAISCEAU SUR UNE LIGNE DE TRAITEMENT DU CENTRE DE PROTONTHERAPIE D'ORSAY S. Kerhoas-Cavata 1, A. Stankovskiy 1, PF. Honore 1 L. Demarzi 2, R. Ferrand 2, A.Mazal 2, C.Nauraye 2 1 CEA/DSM/DAPNIA 2 Centre Protonthérapie d’Orsay support informatique cluster - grille coordination (50%) 100% ! Postdoc -> Nov 2007

2 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 2 CPO aujourd’hui CPO aujourd’hui : 330 patients par an (traitements intracrâniens et ophtalmologiques) le CPO est le 1er centre de protonthérapie en le CPO est le 1er centre de protonthérapie en Europe et le 3 ème centre au monde. Europe et le 3 ème centre au monde. Augmentation d’activité prévue d’ici 2008  Passer à 620 patients et 8120 séances (contre 337 patients et 2823 séances actuellement). la mise en place de « l’alternance rapide » permet de distribuer beaucoup plus rapidement le faisceau de protons entre les différentes salles. Depuis 2006, équipe d’anesthésie pour les enfants  Réduction des effets secondaires → indications thérapeutiques pour les tumeurs pédiatriques  En 2009, plus de 100 enfants devraient être traités chaque année Rénovation du CPO d’ici 2009:  Un nouvel accélérateur plus performant.  Un bras isocentrique dans lequel le faisceau tourne autour du patient qui reste immobile. (traiter d’autres cancers)  La construction de 2 nouvelles salles de traitement 1000 patients/an

3 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 3 1.Imagerie et contourage repérage de la cible, des structures saines à protéger 2. Planification dosimétrique du traitement -Modèle de ray tracing + patient modèlisé Détermination des différentes incidences et de leur mise en forme (SOBP) 3. La dosimétrie - pour chaque réglage, vérifier que la dose prescrite sera bien délivrée- → Chambre d’ionisation qui intègre la quantité de faisceau qui passe à une position donnée de la ligne. → Chambre d’ionisation qui intègre la quantité de faisceau qui passe à une position donnée de la ligne. → corréler cette unité de mesure de l’accélérateur à la dose physique (en Gy) qui sera → corréler cette unité de mesure de l’accélérateur à la dose physique (en Gy) qui sera réellement déposée au niveau du patient à l’aide d’un calcul MC Simulation 3D réellement déposée au niveau du patient à l’aide d’un calcul MC – Simulation 3D de la dose dans un fantôme d’eau de la dose dans un fantôme d’eau 4. Délivrance de la dose : positionnement du patient (15min) – irradiation ~ 1min Principales étapes du traitement d’une tumeur Objectif du projet : modéliser la dosimétrie pour la calibration des faisceaux

4 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 4 water ~7m En pratique, plusieurs faisceaux de fluence non homogène sont combinés pour obtenir une résultante globale qui sera homogène et irradiera au mieux le volume tout en laissant des doses tolérables aux organes à risques. Technique de modulation dite « passive » : Pour sculpter l’irradiation à la forme et à la profondeur de la tumeur, on place le long du trajets des protons  Un absorbeur (Lexan, Plomb) pour adapter la profondeur de pénétration  Un modulateur pour étaler le dépôt d’énergie et pouvoir traiter toute la tumeur  Un collimateur pour moduler dans le plan latéral  Un compensateur pour modifier la dose en profondeur pièces personnalisées

5 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 5 Modeling of CPO beam line with MCNPX Proton beam E p = 201 MeV Vacuum window Ionization chambers Modulator wheel Brass Collimators Range modulator – binary filter (combination of Pb and Lexan layers) Concrete wall * D. B. Pelowitz, ed., “MCNPX User's Manual, Version 2.5.0,” LA-CP-05-0369 (April 2005) Lead scattering foil (diffuser) Moritz User’s Guide, by K.Van Riper, White Rock Science, NM, 87544, USA

6 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 6 Modeling of CPO beam line with MCNPX Brass collimators Concrete shielding Ionization chamber MOPI Water tank Distance Source  Water tank ~ 7 m

7 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 7 Range shifter water

8 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 8 Beam profile (measured close to vacuum window) and energy spectrum Beam energy 201 MeV; Energy spread (assume Gaussian shape)  E/E = 5·10 -3 (FWHM = 1.005 MeV) Angular spread (assume Gaussian shape)  = 4.85 mrad (old measurements)  4.4 mrad (new measurements)

9 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 9 Lateral dose profiles “Native” distribution (no range shifter, no diffuser) Fe 0.038 mm Ni 0.004 mm Ni Fe 6 cm Gas Ar+CO 2 inside Multi-wire chamber Influence of angular spread distribution Disadvantage of MCNPX: Simplified modeling of Multiple Coulomb scattering (adopted from Rossi B. and Greisen K., Cosmic-ray theory, Rev. Modern Phys 13, Oct 1941, pp 262-268) over-predicts large angle, high-Z Coulomb scattering. Solution: reduce the thickness of high-Z materials and adjust the range by increasing thickness the low-Z materials (for instance, thickness of plexiglas water tank).

10 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 10  10 9 particules générées depuis le fichier d’espace de phase  seulement 1,5% des particules atteignent la cuve à eau 1 jour de temps de calcul sur  1 jour de temps de calcul sur un cluster de 9 processeurs un cluster de 9 processeurs Très bon accord (~2 mm) sur les pénombres latérales Profil de dose transverse

11 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 11 Modeling the nuclear interactions Secondary protons ~ 10% 2 H, 3 H, 3 He and 4 He contribute less than 2% n, e -, e +,  contribute less than 0,1%

12 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 12 On the calculation speedup DescriptionComputing time (related to base case) Energy deposited at entrance,  10 -3 MeV/g Energy deposited at peak,  10 -3 MeV/g Full transport of all particles (base case) 12.2016.894 Base case w/o neutrons 0.6082.1876.887 Base case w/o neutrons, electrons 0.2022.1936.887 Base case w/o neutrons, electrons, photons 0.1962.1876.887 Base case w/o all particles = transport of protons only (primary and secondary) 0.1952.1876.888 Protons only with reduced weight in non-important regions 0.0652.1616.896 Protons only with zero weight in non- important regions 0.0431.9746.867 It is possible to reduce computing time by a factor of 15 without reduction of quality of the dose distribution 3 min on 5-processor (2GHz each) machine (10 6 source protons)

13 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 13 Faisceau sur la piste 1 Surface ou l’on sauve toutes les particules Temps CPU sur un cluster de 5 processeurs (2GHz): ~ 10 minutes (5·10 6 source protons) Trois fichiers contenant les informations de toutes les particules traversant le modulateur sont créés. Ces espaces de phase deviennent les nouvelles sources pour générer des événements réduire d’un facteur 100 le temps de calcul d’un SOBP. Ces espaces de phase deviennent les nouvelles sources pour générer des événements pour la simulation des profils modulés (SOBP). Cette méthode permet de réduire d’un facteur 100 le temps de calcul d’un SOBP. Accord à ~1 mm Accord à ~1 mm sur les largeurs des plateaux de modulation et leur pénombres distales Modéliser les « SOBP »

14 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 14 Pour la calibration des faisceau: → besoin d’une simulation en absolue sur la dose modélisation de la chambre modélisation de la chambre monitrice qui intègre le flux de protons. monitrice qui intègre le flux de protons. Résultats préliminaires water

15 réunion modélisation, GDR MI2B, Lyon 22 mars 2007 15 Etat des lieux du projet  Validation en cours avec des donnees de reference Pour tous les champs, un accord de 1 à 2 mm a été obtenu pour les parcours, les largeurs et pénombres des modulations ainsi que les pénombres latérales pour les profils transverses. les profils transverses.  Optimiser les temps de calcul 1.Construire d’autres espaces de phases au plus prés de la cuve à eau; 2.OK pour les 3 espaces de phase du modulateur, 3.test avec des combinaisons {Mi+Lexj+Pbk} 4.Trouver d’autres clusters plus puissants: essai prévu sur la grille de calcul  comparaison avec une simulation Geant4 de la meme ligne les codes MC utilisent différents modèles et bases de données - les codes MC utilisent différents modèles et bases de données - GEANT4: code source en libre service & très utilisé par la communauté - GEANT4: code source en libre service & très utilisé par la communauté de l’hadrontherapie: US, Italie, Japan, France (ETOILE),… de l’hadrontherapie: US, Italie, Japan, France (ETOILE),… → couplage avec ThiS → couplage avec ThiS