4.3 Validation des modèles analytiques implémentés dans Isogray
4.3.2 Milieux hétérogènes
Afin de tester les modèles de pénombres latérales des distributions de dose et de reconstruction des courbes de rendements en profondeur dans des conditions plus complexes, nous plaçons un fantôme hétérogène devant la cuve à eau afin de faire des mesures dans l’eau avec des conditions d’hétérogénéité et d’interfaces en amont, comme l’illustre la Figure 4.25.
FIG. 4.25 – Schéma de mise en place du fantôme anthropomorphique placé sur la table de positionnement, en amont de la cuve à eau qui sert à mesurer la dose en 2D après le fantôme, le bras isocentrique étant placé à 270° (le faisceau de protons traverse donc la paroi de la cuve à eau).
4.3.2.1 Fantômes complexes 4.3.2.1.1 Méthodes
Pour valider les modèles de calcul de dose, nous utilisons diverses configurations mettant en jeu des fantômes plus ou moins complexes ou hétérogènes. Nous avons tout d’abord évalué la capacité des modèles de calcul de dose à prendre en compte les
hétérogénéités. Nous avons par exemple placé une plaque de plexiglas sur la moitié du champ de traitement, contre la cuve à eau, afin d’observer l’effet d’une interface air / plexiglas. Nous avons aussi inséré une plaque de matériau équivalent "os cortical" (de masse volumique 1,83 g/cm3) qui obstrue la moitié du champ de traitement, entre deux plaques de plexiglas, le tout étant placé contre la cuve à eau, afin d’observer l’influence de la double interface plexiglas / os / plexiglas. En outre, des fantômes complexes en plexiglas ont été irradiés afin de tester dans plusieurs endroits du faisceau la prise en compte des interfaces plexiglas / air, comme les fantômes en forme de peigne ou d’escalier.
Dans cette partie, nous présentons l’expérience de validation des modèles de calcul de dose, réalisée avec le fantôme complexe en plexiglas en forme d’escalier, représenté Figure 4.26. Le fantôme en plexiglas est placé contre le fantôme d’eau. Les mesures sont réalisées en deux dimensions tous les 5 mm en profondeur et tous les 0,5 mm en dimension transverse avec une chambre d’ionisation de type CC01 d’IBA dosimetrydans la cuve à eau, afin d’obtenir une distribution de dose en 2D. Les profils latéraux de cette distribution sont comparés avec les profils calculés dans la partie suivante.
FIG. 4.26 – Représentation 3D du fantôme en plexiglas en forme d’escalier placé contre la cuve à eau, dans Isogray.
4.3.2.1.2 Résultats
Les profils latéraux de dose mesurés et calculés grâce aux modèles de calcul de Ray-Tracing et de Pencil-Beam [De Marzi, 2010] sont représentés sur les Figures 4.27 et 4.28 respectivement pour les options B4 et B7. Il est intéressant de remarquer que pour les grands parcours (par exemple ceux de l’option B7), le modèle de Pencil-Beam donne de meilleurs résultats que le modèle de Ray-Tracing, particulièrement dans les zones hétérogènes. En effet, autour de l’interface air / plexiglas, à l’abscisse x = -44,5 cm sur la Figure 4.28, nous observons un écart|(Dcalc−Dmes)/Dmes|de 27 % entre la mesure et la dose prévue par le modèle de Ray-Tracing ; cette différence est réduite à 1 % avec le modèle de Pencil-Beam.
Les hétérogénéités sont mieux prises en compte avec le modèle Pencil-Beam grâce à la prise en compte des plus proches voisins du point de calcul de dose et de la diffusion.
FIG. 4.27 – Comparaison des profils mesurés et calculés par les deux modèles de calcul Ray-Tracing et Pencil-Beam dans la cuve à eau après le fantôme dit en "coin" pour l’option B4.
FIG. 4.28 – Comparaison des profils mesurés et calculés par les deux modèles de calcul Ray-Tracing et Pencil-Beam dans la cuve à eau après le fantôme dit en "coin" pour l’option B7.
4.3.2.2 Fantôme anthropomorphique 4.3.2.2.1 Méthodes
Nous désirons tester le modèle de calcul Ray-Tracing dans des conditions plus réalistes que précédemment. A cette fin, nous irradions un fantôme anthropomorphique, constitué d’une boîte en plexiglas dans laquelle est placée un demi-crâne humain, une balle de ping-pong remplie d’air, sensée simuler les sinus aériens du crâne, le tout entouré de végétaline de densité proche des tissus mous, dont l’image tomodensitométrique de référence est représentée Figure 4.29.
Le fantôme est placé contre le fantôme d’eau, comme présenté Figure 4.30,
FIG. 4.29 – A gauche : Image tomodensitométrique du fantôme anthropomorphique seul avec la balle de ping-pong en noir (air), le crâne en blanc (os) et la végétaline en gris (équivalent tissus mous). A droite : Image tomodensitométrique du fantôme anthropomorphique placé contre le fantôme d’eau.
afin de pouvoir faire des mesures en trois dimensions, d’abord le long de la dimension X et en profondeur Z après le fantôme anthropomorphique, puis le long de la dimension Y et en profondeur Z. Nous rajoutons également un collimateur et un compensateur calculés selon les caractéristiques radiologiques du fantôme anthropomorphique, comme pour un vrai cas clinique. On obtient ainsi une mesure de la dose en 3D que nous pouvons comparer aux isodoses obtenues avec le logiciel de planification de traitement, pour deux gaps d’air différents 0 cm et 8,6 cm, un parcours dans l’eau de 20 cm et une modulation en profondeur de 5 cm.
FIG. 4.30 – Schéma de mise en place du fantôme anthropomorphique sur la table de positionnement, le nez du bras isocentrique étant placé à 270° et muni d’un collimateur et d’un compensateur calculés dans Isogray et usinés pour l’irradiation du fantôme.
4.3.2.2.2 Résultats
Une étude systématique consiste, à partir du fantôme seul dans l’air, à rajouter successivement les éléments complexes (compensateur, collimateur, cuve à eau) un à un afin de mesurer séparément les contributions des pénombres dans l’air, dans l’eau et dans le compensateur, avant de mesurer la distribution radiale totale.
FIG. 4.31 – Profils latéraux mesurés dans un fantôme d’eau et calculés par le modèle de calcul de dose Ray-Tracing sur l’axe horizontal, à une profondeur dans l’eau égale à 1,2 cm équivalent eau (après la paroi de la cuve à eau), pour un parcours et une modulation respectivement égaux à 20 cm et 5 cm, (a) pour le gap d’air de 0 cm et (b) le gap d’air de 8,6 cm.
La figure 4.31 présente les profils de dose comparés entre la mesure et le calcul Ray-Tracing selon les axes transverses verticaux et horizontaux. L’écart maximum observé pour les deux configurations est 4 % de la dose mesurée, exceptées dans les zones de pénombre latérale où les incertitudes dépassent 10 %, à cause du fort gradient de dose, certainement dus à des défauts de positionnement du fantôme lors de la phase expérimentale. Nous remarquons aussi que le gap d’air égal à 0 cm, les plus grandes
différences (4 %) sont observées en bordure du collimateur, à l’intérieur et à l’extérieur du champ. On impute ces cornes et sur-dosages à la contamination du collimateur, qui n’est pas prise en compte dans cette version des modèles de calcul. Le chapitre suivant propose un algorithme qui inclut cette contamination dans le calcul de dose.
Le modèle de Pencil-Beam n’a pas encore été testé avec le fantôme anthropomorphique, et pour cette raison il n’est pas possible de l’utiliser en routine clinique à l’heure actuelle. Cette dernière validation est encore actuellement un travail en cours.