Mod´elisation du transport des radiations

4.2.2.1 GATE

Les simulations ont ´et´e lanc´ees r´ealis´ees avec la version 6.2 de GATE (bas´ee sur la version 9.5p01 de GEANT4).

L’activit´e a ´et´e distribu´ee uniform´ement et normalis´ee dans chaque voxel d’une r´egion d’int´erˆet donn´ee, avec l’option range translator propos´ee pour la gestion des g´eom´etries vox´elis´ees dans GATE. Cette option permet de fa¸con g´en´erale de relier `a une image, une table de donn´ees de type texte contenant les informations sur le contenu des voxels (les reliant soit `a de l’activit´e soit `a un mat´eriau donn´e). Dans le cas pr´esent, cette option range translator est s´electionn´ee, car les calculs `a effectuer ne n´ecessitent pas l’int´egration de la distribution d’activit´e. Chaque voxel de l’image, dont l’ID (ou π label ∫) est associ´e `a la valeur 1 dans le fichier texte de type range.dat, contiendra donc de l’activit´e : c’est un voxel source. Ceux dont l’ID est suivi par un 0, en revanche, ne contiennent pas d’activit´e.

Exemple de contenu pour le fichier π activity.dat ∫ : 3

0 60 0 61 61 1 62 141 0

Tous les voxels dont l’ID est compris entre 0 et 60 ou 62 et 141 ne contiennent pas d’acti- vit´e. Tous les voxels dont l’ID est 61 (correspondant au cerveau), contiennent de l’activit´e. Il s’agit donc du range.dat fourni pour les simulations o`u l’organe/tissu source est le cerveau. La d´efinition g´eom´etrique a elle aussi ´et´e r´ealis´ee selon l’option rangeTranslator. Chaque voxel de l’image est ainsi reli´e `a un mat´eriau dont la composition atomique a ´et´e d´efinie dans le fichier GateMaterials.db.

Exemple de contenu pour le fichier π geometry.dat ∫ : [. . . ] 87 87 Heart 88 88 Blood 89 94 Kidneys 95 95 Liver 96 96 Blood

97 97 LungTissue 98 98 Blood 99 99 LungTissue 100 105 Lymph 106 109 MuscleTissue [. . . ]

La d´efinition des sources et de la g´eom´etrie a ´et´e r´ealis´ee `a partir de la mˆeme image vox´elis´ee 3DπAF.raw∫, import´ee au format interfile (un header interfile appropri´e accom- pagnant donc cette image).

Le mode de navigation compressedMatrix [Taschereau and Chatziioannou 2008] a ´et´e choisi de fa¸con `a acc´el´erer les simulations. Dans la version 6.2 de GATE, plusieurs modes de navigation sont `a disposition, dont parameterizedBoxMatrix, regularMatrix, et compressedMatrix. Par rapport au mode de navigation parameterizedBoxMatrix qui est l’algorithme de naviga- tion le plus basique, le regularMatrix correspond `a l’impl´ementation dans GATE de l’algo- rithme RegularNavigator de Geant4 (v9.1). Il permet un gain de temps int´eressant : au lieu de chercher le prochain voxel dans lequel va rentrer une particule donn´ee au sein de la liste compl`ete des voxels de la matrice, ce prochain voxel est s´electionn´e dans une liste r´eduite de voxels environnants. L’algorithme compressedMatrix permet quant `a lui de fusionner les voxels adjacents de mˆeme mat´eriau pour composer le voxel le plus large possible. La navi- gation au sein de ce mod`ele simplifi´e/compress´e est alors bien plus rapide. Il est `a noter que l’utilisation de ce dernier mode de navigation n’est pas pr´econis´ee pour une utilisation finale de la dose absorb´ee ou de l’´energie d´epos´ee `a l’´echelle du voxel, en raison de la simplification appliqu´ee. Dans le cas pr´esent, les calculs sont effectu´es entre un organe ou tissu source et un organe ou tissu cible, donc `a l’´echelle de l’organe. Par cons´equent le mode de navigation compressedMatrix est tout `a fait suffisant et permet un gain de temps notable.

La PhysicsList standard de GATE (l’option3 ) a ´et´e utilis´ee pour cette ´etude `a l’´echelle clinique [Maigne et al. 2011] et les parcours des particules gamma, des ´electrons et des positons ont ´et´e coup´es `a 0,1 mm pour les particules.

Une interpolation de type cubicspline a ´et´e utilis´ee pour reconstruire un spectre continu en ´energie (´emissions —) lors des simulations `a partir de des ´emissions ponctuelles d´efinies dans la macro d’entr´ee de GATE (les probabilit´es d’´emission de chaque type de particule y sont d´efinies en fonction de l’´energie). Il est `a noter que le transport des particules secondaires a ´et´e pris en compte.

Pour l’obtention de valeurs en sortie des simulations, deux observables ou π Actors ∫ ont ´et´e utilis´es : tout d’abord un DoseActor, pour l’obtention de valeurs dosim´etriques (´energie d´epos´ee, dose absorb´ee, dose absorb´ee au carr´e, etc.), mais ´egalement un actor de type statis- tique, le SimulationStatisticActor, qui permet de stocker dans un fichier texte l’ensemble des informations qui caract´erisent la simulation (nombre de runs, d’events, tracks, steps, heures de d´ebut et de fin de la simulation, etc.). Avec le DoseActor, il est possible de g´en´erer en sortie de la simulation des cartes 3D d’´energie d´epos´ee (option enableEdep), de dose absorb´ee (op- tion enableDose) et des incertitudes associ´ees (options respectives enableUncertaintyEdep et enableUncertaintyDose). Le nombre d’interactions peut ´egalement calcul´e dans chaque voxel grˆace `a l’option enableNumberOfHits.

Ces valeurs dosim´etriques sont donc calcul´ees `a l’´echelle du voxel, dans des matrices en 3 dimensions (cartes 3D) dont les dimensions sont d´efinies dans la macro d’entr´ee, ainsi que la taille du dosel (voxel de la carte de dose absorb´ee ou d’´energie d´epos´ee). Les dimensions donn´ees `a ces cartes 3D sont g´en´eralement celles de l’image vox´elis´ee utilis´ee pour la d´efinition de la g´eom´etrie ; c’est le cas dans ce travail, l’image du mod`ele vox´elis´e f´eminin de la CIPR110 et les cartes 3D en sortie se superposent.

Enfin, le g´en´erateur de nombres al´eatoires MersenneTwister a ´et´e s´electionn´e pour les simulations, et le nombre de particules simul´ees (NPS) a ´et´e fix´e `a 100 millions de particules. Ces simulations ont ´et´e lanc´ees pour chaque organe source s´electionn´e et pour chaque type de particule (ou radionucl´eide) pris en compte pour la comparaison. Le traitement des r´esultats a ´et´e r´ealis´e grˆace `a un plugin ´ecrit en java (ImageJ), permettant l’obtention de l’´energie d´epos´ee (et de l’incertitude associ´ee) `a l’´echelle de l’organe, `a partir des cartes 3D d’´energie d´epos´ee (et d’incertitudes) g´en´er´ees en sortie de la simulation.

4.2.2.2 MCNPX

La version de MCNPX utilis´ee dans cette ´etude est la version 2.7.a.

MCNPX, tout comme GATE, est bas´e sur la d´efinition d’un fichier d’entr´ee utilisant des commandes, ce qui rend la manipulation des donn´ees plus simples (des modifications peuvent ˆetre effectu´ees sans recompiler le code source).

Un fichier d’entr´ee MCNPX se d´ecompose en plusieurs parties :

— La d´efinition de cellules (qui constitueront les r´egions sources et cibles), selon un label, un mat´eriau et une densit´e

— La d´efinition des sources — La d´efinition des tallies — La d´efinition des mat´eriaux — Diverses donn´ees annexes

La d´efinition de la g´eom´etrie dans MCNPX passe par l’utilisation de lattices, qui sont des structures r´ep´et´ees, caract´eris´ees par l’identification du voxel (par son label) et le nombre de r´ep´etitions selon l’axe spatial parcouru de voxels de cette valeur. La g´eom´etrie d´efinie dans MCNPX peut ˆetre une g´eom´etrie simple ou une g´eom´etrie vox´elis´ee. Dans le cas d’une g´eom´etrie vox´elis´ee (le cas pr´esent), les voxels provenant de l’image vox´elis´ee doivent ˆetre regroup´es en lattices, ce qui peut ˆetre r´ealis´e pour de grandes matrices grˆace `a un code ou plugin externe qui comptabilise les voxels et les classe de fa¸con automatis´ee. Dans ce travail, un plugin ImageJ a ´et´e utilis´e pour traduire le mod`ele de la CIPR 110 sous sa forme vox´elis´ee (image au format RAW), au format d’entr´ee MCNPX.

La d´efinition des sources s’effectue distinctement pour les diff´erentes particules ´emises. Pour les particules mono´energ´etiques, il s’agit de la d´efinition de spectres discrets de proba- bilit´es d’´emission en fonction de l’´energie, repr´esent´es par des histogrammes dans MCNPX. Pour les spectres de type beta, continus, les probabilit´es d’´emission sont ´egalement list´ees sous forme d’histogramme en fonction de l’´energie, mais sont ensuite interpol´ees de fa¸con lin´eaire lors du tirage al´eatoire de l’´emission initiale des particules primaires.

La distribution de l’activit´e dans l’image est ensuite d´efinie dans le fichier d’entr´ee MCNPX grˆace `a une liste de cellules s´electionn´ees comme ´etant des cellules sources. Une pond´eration de l’activit´e entre les cellules peut ˆetre effectu´ee.

La dose absorb´ee ou l’´energie d´epos´ee s’obtient avec MCNPX grˆace `a la s´election d’ob- servables nomm´esπ tallies ∫ (l’´equivalent desπ actors ∫dans GATE). Plusieurs types de tallies existent dans MCNPX, notamment les MESHtallies qui permettent la superposition d’un maillage de forme donn´ee (sph´erique, cylindrique, etc.) sur la g´eom´etrie d´efinie, ou les tallies de type F.

Le tally utilis´e dans cette ´etude est le tally *F8, qui permet de comptabiliser l’´energie en MeV par particule source, afin d’obtenir directement l’´energie d´epos´ee dans chaque r´egion cible d’int´erˆet, `a l’´echelle de l’organe. Un autre tally utilisable est le F6, avec lequel l’´energie moyenne d´epos´ee dans une cellule est exprim´ee en MeV/g. Le choix est fait pour cette ´etude, que ce soit avec MCNPX ou avec GATE, d’utiliser un observable menant au calcul de l’´energie d´epos´ee en MeV/par particule (plutˆot que la dose absorb´ee), et de traiter les donn´ees

de sortie par la suite pour remonter aux facteurs S ou aux fractions absorb´ees massiques. Le transport des particules secondaires est pris en compte dans ces tallies.

En sortie de la simulation, le tally *F8 donne donc des r´esultats (sous forme de fichier texte) normalis´es par le nombre de particules simul´ees. Celui-ci peut cependant ˆetre directe- ment int´egr´e dans le r´esultat en l’appliquant comme facteur multiplicatif en fin de simulation, grˆace `a la fonction FM qui peut ˆetre ajout´ee `a la fin du fichier d’entr´ee.

Les biblioth`eques de MCNPX s´electionn´ees pour la propagation des photons et des ´electrons sont respectivement les biblioth`eques MCPLIB04 et EL03, des biblioth`eques stan- dard de MCNPX. L’algorithme de π straggling ∫ (fluctuation) de la perte d’´energie des ´electrons impl´ement´e dans MCNPX est bas´e sur le mod`ele de Vavilov [Vavilov 1957]. Les ´energies de coupure fix´ees par d´efaut `a 1 keV pour tous les milieux de propagation ont ´et´e conserv´ees. Une condition `a remplir pour la simulation, d’un minimum de 10 pas d’interaction par r´egion d’int´erˆet, a ´et´e appliqu´ee grˆace `a la fonction ESTEP.

Enfin, le nombre de particules simul´ees est d´efini grˆace `a la fonction NPS. Il est possible de fixer un nombre donn´e de particules `a simuler, ce qui a ´et´e r´ealis´e dans ce travail, mais ´egalement n’en fixer aucun et d’arrˆeter la simulation lorsqu’une certaine valeur d’incertitude statistique est atteinte dans une r´egion d’int´erˆet donn´ee (fonction STOP).