2.2.1 Construction d’une simulation
La simulation MC est utilisée de façon extensive en radiothérapie pour modéliser la tête d’un linac. Celle- ci revient à suivre le devenir des électrons du faisceau primaire dans les différentes structures de la tête du linac représentée sur la Figure 2-1: cible, collimateur primaire, cône égalisateur, puis modificateurs de faisceau. Pour améliorer l’efficacité de cette simulation, il est d’usage de réaliser celle-ci en plusieurs parties. La première partie consiste à transporter les particules de la cible au cône égalisateur : elle est appelée partie indépendante du patient, car la géométrie est toujours la même, quel que soit le champ simulé. La seconde partie du linac contenant les moyens de collimation est appelée partie dépendante du patient car ce sont les éléments de cette partie du linac qui vont permettre de personnaliser le faisceau à la tumeur (mâchoires, MLC, …).
Le principal défaut des simulations MC étant lié au temps de calcul, deux techniques sont communément employées pour réduire celui-ci. La première est l’usage de méthodes de réduction de variance pour améliorer l’efficacité de la modélisation de certains effets physiques, tels que le bremsstrahlung sur la cible. Ces méthodes seront détaillées dans le chapitre 3. La seconde stratégie tire profit du caractère fixe de la géométrie de la partie indépendante du patient de la tête du linac. En effet, le calcul MC pour cette partie peut être réalisée une seule fois : on peut alors stocker l’état du faisceau, c’est-à-dire les caractéristiques physiques des particules dans un fichier d’espace des phases (ou Phase-Space File,
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PSF). Pour cela, on définit un plan dans la géométrie du linac et on enregistre toutes les particules qui interceptent ce plan. Le fichier PSF représente donc une liste de particules, chaque particule étant décrite par sa nature (électron, photon, positron), son énergie, sa position, sa direction et son poids, et éventuellement par le lieu de sa dernière interaction. Le fichier PSF présente l’avantage d’être réutilisable autant de fois que nécessaire en tant que source d’une nouvelle simulation qui suit le transport des particules dans la seconde partie de la tête du linac. Plusieurs fichiers PSF peuvent être définis au sein de la simulation suivant les besoins : on peut stocker un premier fichier à la sortie du cône égalisateur, puis un second en sortie des systèmes de collimation, et un troisième après le patient. Nous verrons plusieurs exemples d’utilisation de cette fonctionnalité dans ce manuscrit.
Figure 2-1 : Schéma de principe d’un linac.
Notons enfin que le fichier PSF peut être généré par simulation MC pure mais peut aussi être généré en utilisant un modèle de sources virtuelles. Ces derniers feront l’objet d’une présentation détaillée dans le paragraphe 2.3 car ils sont au cœur de cette thèse.
2.2.2 Impact des paramètres de la source primaire d’électrons sur les
distributions de dose
La précision du modèle MC et sa capacité à reproduire les caractéristiques physiques du linac expérimental dépend de la géométrie des composants du linac, de la nature et de la densité de leurs matériaux, ainsi que des paramètres de la source primaire d’électrons. Plusieurs études ont analysé l’impact de ces différents facteurs sur les distributions de dose.
Les rendements en profondeur dépendent de l’énergie du faisceau, mais pas de sa largeur [222], [223]. En effet, la dose déposée dans l’axe du faisceau est principalement due aux particules émises au centre de la tâche focale. Plus l’énergie moyenne du faisceau augmente, plus la profondeur du maximum de dose s’éloigne de la surface. Un effet est visible à partir d’une variation de 200 keV [223]. La forme du spectre, le plus souvent gaussien de largeur à mi-hauteur (LMH) 𝜎𝜎𝐸𝐸, va quant à elle avoir un très léger impact sur
la région du build-up et en profondeur, mais cet impact étant mineur, Sheikh-Bagheri et Rogers recommandent d’utiliser la valeur du constructeur [223]. Les profils dépendent à la fois de l’énergie du faisceau primaire et de sa forme [224]. Leurs épaulements sont d’autant moins marqués que l’énergie est importante et que la tâche focale est étalée [222]. Plusieurs équipes ont proposé des méthodes pour mesurer expérimentalement la forme de la source primaire d’électrons [225]–[228], mais seule celle de
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Schach von Wittenau et al. [229] évalue la perturbation induite par le système de mesure. D’après leur conclusion, celle-ci peut être approximée par une tâche circulaire ou elliptique. La Figure 2-2 montre la brûlure qui résulte de l’irradiation par un faisceau d’électrons de 6 MeV d’un papier en entrée de la cible. Le linac utilisé est le Saturne 43 du Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB). Cette mesure donne une idée de la forme que peut prendre la source primaire, parfois non symétrique et ellipsoïdale
Figure 2-2: Empreinte laissée sur un film en entrée de la cible par le faisceau d’électrons d’énergie moyenne de 6 MeV du linac Saturne du Laboratoire National Henri Becquerel.
Il faut noter, comme l’ont fait remarquer plusieurs auteurs [223], [230]–[232], que la géométrie, le matériau et la densité de la cible, du cône égalisateur et du collimateur primaire jouent sur l’énergie moyenne du faisceau de photons en sortie du linac et ont donc un impact sur les distributions de dose. Leur modélisation doit être réalisée avec soin. La chambre moniteur et le miroir ne perturbent quasiment pas le faisceau en mode photon [231], [233].