2.2 Technique MC en physique m´ edicale
2.2.1 Codes et syst` emes de planification MC
2.2.1.1 Codes MC g´en´eralistes utilis´es en physique m´edicale
Plusieurs codes MC g´en´eralistes sont r´eguli`erement utilis´es en physique m´edicale pour les ´etudes dosim´etriques num´eriques. Les codes les plus utilis´es sont les suivants :
ETRAN (code de classe I)
Il s’agit du code issu des premiers travaux sur le transport du couple photon/´electron de Berger [Berg 63]. Il a ´et´e d´evelopp´e au National Institute of Standards and Technology aux Etats-Unis. Le proc´ed´e de suivi des ´electrons initialement impl´ement´e dans ETRAN et d´evelopp´e par Berger est `a la base de l’ensemble des codes suivants.
EGSnrc (code de classe II)
Ce code, d´edi´e aux applications de la physique m´edicale, a ´et´e d´evelopp´e au National Research Council du Canada. `A l’origine, en parall`ele des travaux de Berger et de fa¸con ind´ependante, des d´eveloppements sur le transport du couple photon/´electron, ont eu lieu au Stanford Linear Accelerator Center. Ces d´eveloppements ont donn´e naissance aux diff´erentes versions du code EGS : EGS3 [Ford 78], EGS4 [Nels 85], EGS4 /PRESTA [Biel 87] et maintenant EGSnrc [Kawr 00a, Kawr 00b, Kawr 00d].
GEANT4 (code de classe II)
Ce code a ´et´e d´evelopp´e au CERN pour une premi`ere diffusion en 2001 [Agos 03]. GEANT4 ´etait initialement con¸cu pour la physique des hautes ´energies. Un module
d´edi´e aux applications de l’imagerie m´edicale (TEP et TEMP) appel´e GATE a ´et´e d´evelopp´e par la suite [Jan 04].
MCNP (code de classe I)
Ce code est ´elabor´e au Los Alamos National Laboratory aux Etats-Unis depuis pr`es de soixante ans. Il a initialement ´et´e d´evelopp´e pour le transport des neutrons et des photons dans les r´eacteurs [Brow 03]. Il inclut la physique du code ETRAN pour le transport des ´electrons. `A partir de 1994, des travaux parall`eles ont abouti au code MCNPX permettant le transport de toutes les particules et am´eliorant la simulation aux basses ´energies.
2.2. TECHNIQUE MC EN PHYSIQUE M ´EDICALE 31 PENELOPE (code de classe II)
Il s’agit du code utilis´e pour ces travaux et qui a ´et´e d´evelopp´e `a l’Universitat de Barcelona en Espagne au d´ebut des ann´ees 1990 [Baro 95, Salv 96, Semp 01]. Sa des- cription est faite dans la partie 2.2.2.
La prise en compte quasi-exacte de la physique de l’interaction rayonnement/mati`ere permet aux m´ethodes MC d’atteindre un niveau ´elev´e de pr´ecision. En physique m´edicale, cette m´ethode est reconnue comme ´etant la technique de calcul la plus juste pour la pr´ediction de r´esultats dosim´etriques dans des situations les plus complexes [Roge 06]. En effet, les syst`emes de planification de traitement analytiques utilis´es actuellement sont limit´es dans le cas des milieux h´et´erog`enes. Les cas critiques sont rencontr´es en pr´esence d’interfaces o`u il existe un fort gradient de densit´e. L’exemple typique est celui du poumon, dont la complexit´e dosim´etrique est au cœur de nombreuses ´etudes [Pael 05].
La principale limitation de la simulation Monte Carlo est le temps n´ecessaire pour que le calcul converge. Le temps de calcul important, beaucoup plus long que celui n´ecessaire pour les m´ethodes analytiques, est principalement du au suivi individuel indispensable d’un grand nombre de particules. Selon la complexit´e des configurations, le nombre d’histoires et surtout la puissance de calcul `a disposition, l’ordre de grandeur des temps de calcul en MC peut atteindre plusieurs jours alors qu’il est de l’ordre de la dizaine de minutes pour les m´ethodes conventionnelles. N´eanmoins, les am´eliorations r´ecentes et l’utilisation de bases de donn´ees pr´ecalcul´ees par Monte Carlo ont permis l’impl´ementation en routine clinique de certains TPS MC.
2.2.1.2 Codes MC rapides destin´es `a une utilisation clinique
Au fil des d´eveloppements, l’utilisation des techniques MC pour la pr´ediction de la dose devient possible en milieu hospitalier, notamment grˆace `a une meilleure accessibilit´e aux puissances de calcul. Les principaux TPS fond´es sur des calculs MC sont les suivants : – PEREGRINE : Ce TPS s’appuie sur des calculs similaires `a ceux d’EGS4. Les simulations sont r´ealis´ees sur des processeurs multiples et font appel `a des techniques de r´eduction de variance diminuant suffisamment les temps de calculs pour une utilisation clinique [Hart 01].
– VMC : Dans un premier temps, ce code ´etait d´edi´e aux calculs rapides pour des faisceaux d’´electrons [Kawr 96, Flip 97] puis il a ´et´e ´etendu aux faisceaux de photons [Flip 99, Kawr 00c]. VMC++ [Kawr 01] est une version am´elior´ee et encore plus rapide. `A configuration ´egale, VMC++ est 50 `a 100 fois plus rapide que le code classique EGSnrc.
– eMC : Cet algorithme utilise la m´ethode macro MC [Neue 92] s’appuyant sur des donn´ees MC pr´e-calcul´ees avec EGS4/PRESTA et plus r´ecemment avec le code EGSnrc [Neue 02].
– DPM : Ce code fait appel `a des pr´ecalculs r´ealis´es `a l’aide de PENELOPE [Semp 00]. – MCDOSE : MCDOSE est un autre code s’appuyant sur EGS4 [Ma 02].
Il est int´eressant de remarquer que certaines techniques analytiques, comme les techniques de convolution/superposition font appel `a des kernels1 de d´epˆot d’´energie
1. Le kernel est une mod´elisation de la diffusion des particules secondaires et de la perte d’´energie utilis´ee dans de nombreux TPS.
32 CHAPITRE 2. ESTIMATION DE LA DP PAR SIMULATION MONTE CARLO ´egalement calcul´es par MC [Ahne 87, Mach 88, Main 05].
L’utilisation du calcul MC en milieu hospitalier ne cesse de se d´evelopper depuis vingt ans. Les am´eliorations `a venir dans la puissance de calcul des ordinateurs devraient peu `a peu rendre cette technique incontournable en routine clinique.