simulation avec un code monte carlo dun accélérateur linéaire à usage médical, vers une...

Simulation avec un code Monte Carlo d’un Simulation avec un code Monte Carlo d’un accélérateur linéaire à usage médicalaccélérateur linéaire à usage médical, vers une, vers une

aapplication pplication dede la Radiothérapie de Conformation la Radiothérapie de Conformation avec Modulation d’Intensitéavec 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 ?Pourquoi une simulation Monte Carlo ?

Pour résoudre les problèmes rencontrés Pour résoudre les problèmes rencontrés dans la mise en œuvre de la R.C.M.I.dans la mise en œuvre de la R.C.M.I.




PlanPlan

Qu’est ce que la R.C.M.I. ?Qu’est ce que la R.C.M.I. ?

Mise en place de la R.C.M.I.Mise en place de la R.C.M.I.

- Matériels & Méthodes- Matériels & Méthodes

Problèmes rencontrés & Nécessité d’une simulation Monte Carlo Problèmes rencontrés & Nécessité d’une simulation Monte Carlo

- Matériels & Méthodes- Matériels & Méthodes

Résultats & discussions sur la simulation Monte CarloRésultats & discussions sur la simulation Monte Carlo

Conclusion & PerspectivesConclusion & Perspectives

Qu’est ce que la R.C.M.I. ?Qu’est ce que la R.C.M.I. ?




R.C.M.I. R.C.M.I. radiothérapie conformationnelle 3D où on module la fluence radiothérapie conformationnelle 3D où on module la fluence des faisceaux en cours de séance des faisceaux en cours de séance en déplaçant les lames du collimateur en déplaçant les lames du collimateur de l’accélérateur linéaire. de l’accélérateur linéaire.

R.C.M.I. au C.A.L. R.C.M.I. au C.A.L. mode statique ou séquentiel dit « step and shoot ». mode statique ou séquentiel dit « step and shoot ».

R.C.R.C. R.C.M.I.R.C.M.I.

Mise en place de la R.C.M.I.Mise en place de la R.C.M.I.




Modalité naissante en France. Traitements tumeurs ORL Modalité naissante en France. Traitements tumeurs ORL au C.A.L. depuis 2001.au C.A.L. depuis 2001.

But thérapeutique : But thérapeutique : asialieasialie

Technique balistiqueTechnique balistique

5 incidences des faisceaux 5 incidences des faisceaux

contraintes H.D.V. sur volumes cibles & organes à risquecontraintes H.D.V. sur volumes cibles & organes à risque

Nombre max de segments 10, Niveaux de modulation 10Nombre max de segments 10, Niveaux de modulation 10

Segmentation spécifique engendrantSegmentation spécifique engendrant

Multiples segments asymétriques, Multiples segments asymétriques, excentrés, petites taillesexcentrés, petites tailles



Centre Antoine-LacassagneMatériels et méthodesMatériels et méthodes

Accélérateur linéaire médical Primus (Siemens) : multi-lames Accélérateur linéaire médical Primus (Siemens) : multi-lames 29 paires 29 paires de lamesde lames

Chambres d’ionisation cylindriques : 0.1cc, 0.125cc et 0.015cc (pin point), Chambres d’ionisation cylindriques : 0.1cc, 0.125cc et 0.015cc (pin point), film radiologique film radiologique EC Kodak avec lecteur densitométrique Vidaravec lecteur densitométrique Vidar




Matériels et méthodesMatériels et méthodes

Fantômes homogènes cylindrique et parallélépipédique, anthropomorpheFantômes homogènes cylindrique et parallélépipédique, anthropomorphe

(alderson rando)(alderson rando)

- parallélépipédique empreinte de chambre mesures absolues

- cylindrique

Tient compte des hétérogénéités tissu - air - os.



Centre Antoine-Lacassagne Matériels et méthodesMatériels et méthodes

Logiciel ou système de plan de traitement TPS : Helax-TMS (Nucletron) Logiciel ou système de plan de traitement TPS : Helax-TMS (Nucletron) une station de planification inverseune station de planification inverse optimise la fluence des faisceaux à partir des optimise la fluence des faisceaux à partir des contraintes prescritescontraintes prescrites

Algorithme de calcul de dose Algorithme de calcul de dose

méthode de "pencil beam" ou de "collapsed cône"méthode de "pencil beam" ou de "collapsed cône"

minimisation de la fonction objectif réalisée par la méthode des gradients minimisation de la fonction objectif réalisée par la méthode des gradients

Contrôle de la répartition de dose du plan de traitement Contrôle de la répartition de dose du plan de traitement

simulation par transfert du schéma dosimétrique sur fantômessimulation par transfert du schéma dosimétrique sur fantômes

comparaison des isodoses TPS comparaison des isodoses TPS Film sur coupes transverses, sagittales et Film sur coupes transverses, sagittales et frontales des fantômes homogènes et hétérogènes frontales des fantômes homogènes et hétérogènes

vérification dose prescrite avec fantôme homogène parallélépipédiquevérification dose prescrite avec fantôme homogène parallélépipédique




Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I.Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I.

Sur les instruments de mesureSur les instruments de mesure : :

Film radiologique Film radiologique réponse non linéaire réponse non linéaire

non-homogénéité du gel non-homogénéité du gel (AgBr), (AgBr), processus de développement.processus de développement.

Chambre d’ionisation Chambre d’ionisation Sphère O.R.L. fort gradient de dose Sphère O.R.L. fort gradient de dose

R2 = 0,9966

00,20,40,60,8

11,21,41,61,8

22,2

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5Dose en Gy

De

nsi

té O

ptiq

ue

R2 = 0,987

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6




Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I.Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I.

Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu homogènehomogène : :

Plan de traitement globalPlan de traitement global

Faisceaux étudiés individuellementFaisceaux étudiés individuellement

- - en relatifen relatif les films les films montrent des écarts de montrent des écarts de ± 4 %± 4 % sur les isodoses et sur les isodoses et 4mm sur le 4mm sur le recalage des isodoses dans les zones de fort gradient.recalage des isodoses dans les zones de fort gradient.

- - en absoluen absolu à l'isocentre, les écarts sont de à l'isocentre, les écarts sont de 1- 2 % 1- 2 % si l’isocentre se trouve dans une si l’isocentre se trouve dans une zone de faible gradient et zone de faible gradient et 4 % si l’isocentre se trouve dans une zone de fort gradient 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 Projetés à 0 degré et normalisés à 2 Gray sur l’isodose 100 % on observe des écarts de doses mesurées avec film de doses mesurées avec film de 2 %. 2 %. Avec la chambre pin point, des écarts très élevés Avec la chambre pin point, des écarts très élevés dans les zones de gradients, jusqu'à dans les zones de gradients, jusqu'à + 15 %+ 15 %,, ont été mesurés pour certains faisceaux. ont été mesurés pour certains faisceaux.

Au niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu hétérogèneAu niveau du transfert dosimétrique sur fantômes en milieu hétérogène : :

Plan de traitement global (fantôme anthropomorphe)Plan de traitement global (fantôme anthropomorphe)

Les résultats montrent, en relatif, des discordances de Les résultats montrent, en relatif, des discordances de +15 à +20 %+15 à +20 % entre les isodoses obtenues par les films et le TPS. Ces écarts entre les isodoses obtenues par les films et le TPS. Ces écarts

semblent venir de la semblent venir de la sur réponsesur réponse du film en contact avec les du film en contact avec les hétérogénéités nombreuses dans la sphère O.R.L. 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 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 matériels et de méthodes de contrôle lourdes en temps et en mise en œuvreen temps et en mise en œuvre. .

Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. et nécessité d’une Problèmes rencontrés avec la R.C.M.I. et nécessité d’une simulation Monte Carlo simulation Monte Carlo





6 PC Pentium IV avec comme O.S. Win2K 6 PC Pentium IV avec comme O.S. Win2K ou/et Linuxou/et Linux

codes Monte Carlo : MCNP (codes Monte Carlo : MCNP (Monte Carlo N-Monte Carlo N-ParticuleParticule)), Penelope (, Penelope (PENetration and Energy PENetration and Energy LOss ofLOss of Positrons and ElectronsPositrons and Electrons)) . .

Les mesures effectuées pour la Les mesures effectuées pour la validation des simulations nécessitent validation des simulations nécessitent l’utilisation d’une cuve à eau avec l’utilisation d’une cuve à eau avec déplacement motorisé de chambres déplacement motorisé de chambres d’ionisation de volume 0.1cc.d’ionisation de volume 0.1cc.




Paramètres de la simulationParamètres de la simulation

1) Descriptif géométrie de l’accélérateur linéaire Primus1) Descriptif géométrie de l’accélérateur linéaire Primus

Cible (Graphite, Au, HCible (Graphite, Au, H22O, Fe, Cr, Ni…) O, Fe, Cr, Ni…)

Collimateur primaire (W)Collimateur primaire (W)

Absorbeur (Al)Absorbeur (Al)

Cône égalisateur (Fe, Cr, Ni…) Cône égalisateur (Fe, Cr, Ni…)

Chambre photon (AlChambre photon (Al22OO33))

Miroir (SiOMiroir (SiO22, Al), Al)

Mâchoire et lames (W)Mâchoire et lames (W)

2) Descriptif géométrie de la cuve à eau à 100cm de la source2) Descriptif géométrie de la cuve à eau à 100cm de la source

54(X) x 60 (Y) x 44(Z) cm54(X) x 60 (Y) x 44(Z) cm3 3 (H(H22O)O)





Paramètres de la simulationParamètres de la simulation

1) Source1) Source pour le point d’énergie photon 25MV au Primus (données SIEMENS)pour le point d’énergie photon 25MV au Primus (données SIEMENS)

électrons d’énergie moyenne 19.06MeV (B.M.I. 34.5A)électrons d’énergie moyenne 19.06MeV (B.M.I. 34.5A)

pp22 = (mv) = (mv)22 = (B x = (B x x e) x e)22 = 1/c² x T (T + m = 1/c² x T (T + mooc²) B c²) B B.M.I. B.M.I.

Le rayon du faisceau d’électrons est de 1mm, répartition énergétique gaussienne avec Le rayon du faisceau d’électrons est de 1mm, répartition énergétique gaussienne avec une fenêtre en énergie de 14%. Les électrons sont uniformément répartis.une fenêtre en énergie de 14%. Les électrons sont uniformément répartis.

2) Énergie de coupure de 10keV en photon et 300keV en électron,2) Énergie de coupure de 10keV en photon et 300keV en électron,

suivi du transport des électrons & photons, tally *F8 pour MCNP4b.suivi du transport des électrons & photons, tally *F8 pour MCNP4b.


B.M.I. : Bending B.M.I. : Bending Magnet IntensityMagnet Intensity

T : énergie cinétiqueT : énergie cinétique

: rayon courbure: rayon courbure




Résultats & discussions sur la simulation M.C.Résultats & discussions sur la simulation M.C.

Simulation du spectre de photons dans l’air obtenu avec 2 codes M.C. : MCNP4b et PENELOPE.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 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. résultats du spectre en énergie pour une même géométrie.

En ordonnée nous avons En ordonnée nous avons normalisé au nombre de normalisé au nombre de photons total.photons total.

Écart de moins Écart de moins 2 %2 % entre les deux courbesentre les deux courbes

4 jours de simulation P4 4 jours de simulation P4 2GHz. 50 Millions 2GHz. 50 Millions histoires 100 Milliards de histoires 100 Milliards de collision dans univers. collision dans univers. Détecteur reçoit 700 000 Détecteur reçoit 700 000 photons.photons.





En ordonnée nous avons normalisé au nombre de photons total.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 Spectre en énergie pour les photons du 25MV. Pic à 0.511MeV issu de l’annihilation du positron de la production paire.positron de la production paire.

On remarque que plus le champ diminue plus le pic augmente par rapport au reste 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 du spectre. Ceci est dû à l’augmentation de la surface d’interaction entre les photons

et les mâchoires-lames. et les mâchoires-lames.





Bon accord entre les rendements en profondeur simulés par Monte Carlo et Bon accord entre les rendements en profondeur simulés par Monte Carlo et mesurés expérimentalement pour mesurés expérimentalement pour les photons du 25MVles photons du 25MV. Écart inférieur à . Écart inférieur à 3.5%.3.5%.

Cinq jours de simulation sur P4 2GHz. 50 millions histoires, 1 à 4 millions photons par 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.cellule (sphères de D=5mm). 100 milliards collisions dans univers.

Rendement en profondeur en mode photons du 25MV. En abscisse profondeur en cm, en Rendement en profondeur en mode photons du 25MV. En abscisse profondeur en cm, en ordonnée % de dose normalisée au maximum. ordonnée % de dose normalisée au maximum.

2x2cm²2x2cm²5x5cm²5x5cm²

10x10cm²10x10cm²

20x20cm²20x20cm²

Un écart de 5% sur la répartition totale de la dose

un échec thérapeutique !!!

-12,5 -10,0 -7,5 -5,0 -2,5 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

% d

e D

ose

Axe Y en cm





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.

Entre 500 000 et 7 000 000 Entre 500 000 et 7 000 000 photons par cellule (sphères photons par cellule (sphères de D=5mm).de D=5mm).

Équivalent à 5jours de Équivalent à 5jours de simulation avec P4 2GHz.simulation avec P4 2GHz.

Faisceau d’électrons: Faisceau d’électrons: Diamètre = 2mm Diamètre = 2mm

Énergie moyenne 19MeV Énergie moyenne 19MeV





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.











Rendement enRendement en profondeur. profondeur. Écart inférieur à 1.5% !!!Écart inférieur à 1.5% !!!

Calcul effectué sur 2jours. Calcul effectué sur 2jours. Entre 300 000 et 1.5 millions Entre 300 000 et 1.5 millions photons par cellule.photons par cellule.




Conclusion & PerspectivesConclusion & Perspectives

Remerciements à SIEMENS et NUCLETRON pour leur collaborationRemerciements à SIEMENS et NUCLETRON pour leur collaboration

Bon accord entre simulations et mesures ce qui nous conduit à poursuivre 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.cette étude avec pour perspective dans le traitement avec R.C.M.I.

Comparaison Simulations Comparaison Simulations Mesures Mesures T.P.S. avec fantômes T.P.S. avec fantômes hétérogènehétérogène & homogènes& homogènes

VoxélisationVoxélisation des fantômes de contrôle des fantômes de contrôle

Reste à améliorerReste à améliorer le temps de calculle temps de calcul:

Optimisation de la Réduction de VarianceOptimisation de la Réduction de Variance

Paralléliser les calculsParalléliser les calculs

simulation avec un code monte carlo dun accélérateur linéaire à usage médical, vers une...

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