GATE

3.3.2.1 Pr´esentation

Le code de simulation GATE (Geant4 Application for Emission Tomography) est un code de simulation Monte Carlo d´edi´e aux applications de physique m´edicale. Il a ´et´e d´evelopp´e par la collaboration OpenGate sous forme d’un open source o`u chaque utilisateur peut acc´eder au code et proposer des modifications [110]. Comme son nom l’indique, GATE est

3.3 Caract´erisation spectrale

bas´e sur le code GEANT4 (GEometry ANd Tracking 4), d´evelopp´e par le CERN [111], dont il utilise les librairies. Bien que Geant4 soit cod´e en C++, GATE utilise un langage plus ergonomique permettant de faire appel aux diff´erentes classes de Geant4. GATE a ´et´e d´evelopp´e initialement pour d´ecrire des syst`emes d’imagerie en m´edecine nucl´eaire tel que la TEMP (Tomographie par Emission Mono-Photonique) ou la TEP (Tomographie par ´

Emission de Positon) [112] mais ses applications ont ´et´e ´etendues `a la radioth´erapie et `a la dosim´etrie [13] [14]. Un des atouts de GATE est la possibilit´e d’effectuer des calculs de dose dans l’anatomie d’un patient ou d’un animal grˆace `a l’importation d’images DICOM dans la simulation.

Avant de d´ecrire la g´eom´etrie de notre simulation, l’architecture d’une simulation sera d´ecrite ainsi que la physique, les diff´erentes donn´ees de sortie et sources utilis´ees dans ce travail de th`ese.

3.3.2.2 Architecture d’une simulation

G´eom´etrie La d´efinition des volumes dans GATE se fait par imbrication. Chaque volume est descendant d’un volume parent, initialement d´efini dans le volume appel´e world. Plusieurs formes math´ematiques peuvent ˆetre cr´e´ees (boite, cylindre, disque) pour lesquelles il faut d´efinir :

— son volume parent — ses dimensions

— sa position par rapport au volume parent — son mat´eriau

Les mat´eriaux sont d´efinis par leur densit´e et les fractions massiques des ´el´ements le com- posant, dans un fichier texte s´epar´e. Une s´erie de tissus biologiques d´efinis par la CIPR (Commission Internationale de Protection Radiologique) et l’ICRU (International Commis- sion on Radiation Units and Measurements) sont pr´e-d´efinis dans la base de donn´ees de GATE mais de nouveaux mat´eriaux peuvent ˆetre ajout´es librement. Ainsi, le RW3 et le polystyr`ene ont ´et´e ajout´es `a la base de donn´ees pour cette ´etude.

Comme ´evoqu´e pr´ec´edemment, des images DICOM (scanner d’un animal) peuvent ˆetre introduites dans la g´eom´etrie de la simulation, apr`es avoir ´et´e converties dans un format lu par GATE (Analyze, MetaImage, Interfile). Elles correspondent alors `a un volume vox´elis´e, pour lequel l’utilisateur doit d´efinir une correspondance entre les niveaux de gris de l’image et des mat´eriaux d´efinis (air, tissus mous, cerveau, os par exemple).

Physique Apr`es avoir d´ecrit la g´eom´etrie, les processus d’interaction doivent ˆetre pr´ecis´es `

a l’aide d’une liste de physique. Des listes existent dans GATE, par gamme d’´energie et de particules (´electromagn´etique ou hadronique). Chacune d´efinit l’ensemble des processus d’interaction relatifs `a sa gamme d’´energie. L’utilisateur peut activer ou non chacun de ces processus.

Pour nos simulations, seuls les processus d’interaction ´electromagn´etiques photon (photo´electrique, diffusion Compton, diffusion Rayleigh) et ´electrons (ionisation, rayonne- ment de freinage, diffusions multiples) ainsi que la d´esexcitation atomique ont ´et´e activ´es. Le mod`ele physique PENELOPE [113] a ´et´e utilis´e. Il ´etend les processus ´electromagn´etiques jusqu’`a 100 eV et mod´elise le processus de relaxation atomique, indispensable `a l’obtention des raies de fluorescence de l’anode en tungst`ene du X-Rad 225Cx.

En plus de la physique, des ´energies de coupure doivent ˆetre fix´ees pour le transport des ´electrons et des photons. Cette ´energie d´efinit le seuil en dessous duquel les particules ne sont plus transport´ees et d´eposent leur ´energie sur place. Une ´energie diff´erente peut ˆetre fix´ee pour chaque volume de la g´eom´etrie. Les ´energies de coupure des photons et des ´electrons ont ´et´e fix´ees `a 1 keV.

Le mod`ele tr`es basse ´energie Geant4-DNA est ´egalement disponible. Il ´etend le transport des particules jusqu’`a quelques eV et est destin´e `a des applications de microdosim´etrie qui simule l’interaction des rayonnements `a l’´echelle de la cellule et de l’ADN [114] [115]. La base de donn´ees des pouvoirs d’arrˆet des ´electrons de ce mod`ele sera notamment utilis´ee dans le chapitre 4 pour l’´etude de la d´ependance en ´energie du dosim`etre `a fibre scintillante.

Actors Les fichiers de sortie des simulations sont cr´e´es `a l’aide des Actors. Ils doivent ˆetre rattach´es `a un volume existant dans la g´eom´etrie. Parmi les Actors de GATE, voici ceux qui ont ´et´e utilis´es dans nos simulations :

PhaseSpaceActor : cr´e´e un espace de phase, sous la forme d’un arbre ROOT [116]. L’espace de phase contient l’´energie, la position et la direction de chaque particule ´etant entr´ee dans ce volume. L’espace de phase cr´e´e peut alors ˆetre utilis´e comme source. Si le nombre d’´ev´enements en entr´ee de simulation est sup´erieur au nombre de particules dans l’espace de phase, chaque particule est utilis´ee plusieurs fois avec les mˆemes conditions initiales. Une rotation avec un angle al´eatoire autour de l’axe de sym´etrie de l’espace de phase peut cependant ˆetre d´efini.

EnergySpectrumActor : construit un histogramme dans un fichier ROOT. Le nombre de bins, les ´energies minimale et maximale sont `a renseigner.

KillActor : permet d’arrˆeter le transport d’une particule. Plac´e apr`es le volume de d´etection, il permet de r´eduire le temps de calcul.

DoseActor : enregistre la dose dans un volume pour lequel la dimension et la taille des voxels sont choisis. La dose est renseign´ee en Gy avec l’incertitude statistique relative. Le fichier de sortie est une image qui peut ˆetre analys´ee avec un logiciel comme ImageJ [93].

SimulationStatisticActor : contient, entre autres, le nombre de particules primaires g´en´er´ees et la dur´ee de la simulation.

Source Dans GATE, les sources doivent ´egalement ˆetre rattach´ees `a un volume. Elles peuvent ˆetre par exemple :

— une source mono´energ´etique

— un histogramme pour lequel le poids et l’´energie des particules sont `a renseigner — un espace de phase

Pour diminuer les temps de calcul, l’´emission des particules peut ˆetre limit´e `a une ouverture angulaire donn´ee.

3.3 Caract´erisation spectrale