Navigation voxelisée dans GATE

Le code de simulation Monte Carlo GATE intègre trois des méthodes de navigation voxelisée de GEANT4, les méthodes Parameterized, Nested Parameterized et Regionalized Volume. La comparaison de la précision et des performances des méthodes Nested Parameterized Volume et Regionalized Volume (respectivement appelées Nested et Regionalized par la suite) est effectuée dans le chapitre IV.

4.6 Conclusion

Le code de simulation Monte Carlo GATE intègre, dans sa version 8.0, toutes les fonctionnalités per-mettant d’effectuer des calculs dosimétriques optimisés sur une géométrie voxélisée. Le choix de la repré-sentation voxélisée du patient, étape essentielle dans la mise en place d’un logiciel de calcul de dose, va être discutée dans la prochaine section.

5 Fantômes anthropomorphes informatiques

La fidélité de la reproduction informatique de la morphologie du patient dans les simulations Monte Carlo est l’une des principales sources de biais lors des calculs de la dosimétrie de ce dernier. En effet, la re-présentation de la surface des tissus et organes du patient peut varier drastiquement selon la rere-présentation informatique utilisée. Il existe deux possibilités pour représenter informatiquement le patient :

— la représentation par images anatomiques : via les images générées par imagerie médicale (scanner, IRM),

— la représentation par fantômes anthropomorphes : via les types de modélisations mathéma-tique, voxélisée et hybride (illustrées figure III.6).

Les images anatomiques peuvent être directement transformées en géométrie voxélisée, permettant la représentation réaliste de l’anatomie humaine. L’utilisation de ces images est la solution la plus fidèle au niveau anatomique et leur précision ne dépend que de la qualité de l’acquisition. Cependant, les images anatomiques ne sont pas systématiquement disponibles pour chaque patient en radiologie interventionnelle. La solution la plus générale pour représenter le patient dans les simulations Monte Carlo pour reconstruire sa dosimétrie est donc de le représenter par l’intermédiaire des fantômes anthropomorphes informatiques.

(a) (b) (c) (d)

Figure III.6 – Modélisation informatique du poumon gauche selon différentes méthodes [161]. (a) Modé-lisation mathématique avant soustraction de l’ellipsoïde B sur A. (b) ModéModé-lisation mathématique après la soustraction. (c) Modélisation voxélisée. (d) Modélisation hybride avec un maillage de polygones.

Les paramètres ayant une incidence sur la dose aux organes lors d’une irradiation externe sont princi-palement la profondeur de l’organe par rapport à la surface du corps, la forme de la surface du tronc et le diamètre du tronc par rapport au faisceau incident [162].

En 2014, les travaux de Xu [161] ont recensé plus de 287 fantômes informatiques dédiés à l’étude des rayonnements ionisants ou non ionisants.

5.1 Modèles anthropomorphes mathématiques

Les fantômes anthropomorphes modélisés mathématiquement ont été les premiers à être inventés. La fidélité de la représentation de la morphologie humaine par ces fantômes est relativement basique. En effet, chaque élément du corps est modélisé selon des expressions mathématiques représentant des surfaces (planes, cylindriques, coniques, elliptiques et sphériques) décrivant sa forme et son placement.

Ce type de fantôme a été développé pour la première fois au milieu des années 60 au Oak Ridge

National Laboratory pour le comité MIRD10de la Society of Nuclear Medicine, sous la forme d’un fantôme

hermaphrodite adulte [163, 164]. Au début des années 80, le fantôme MIRD a été décliné en différents fantômes hermaphrodites pédiatriques par Cristy [111]. Des déclinaisons adultes masculines (ADAM) et féminines (EVA) ont été introduites par Kramer et al. [165] en 1982 (figure III.7). En 1995, des modèles féminins représentant différents stades de la grossesse ont été développés par Stabin et al. [166].

La forme simpliste des organes ainsi que la forme irréaliste de l’abdomen (ellipsoïde incluant les bras) des fantômes de type MIRD a une influence sur la distribution en énergie au sein du fantôme, distribution divergeant systématiquement de celle calculée pour les fantômes voxélisés dans certains cas [162, 167].

5.2 Modèles anthropomorphes voxélisés

Les fantômes anthropomorphes voxélisés, aussi appelés fantômes tomographiques, sont construits à partir d’images de patients provenant d’acquisitions par tomodensitométrie (CT) ou par imagerie par ré-sonance magnétique (IRM). Les fantômes voxélisés sont construits de manière radicalement différente des fantômes mathématiques. À la place d’une anatomie stylisée représentée par des équations mathématiques, les structures anatomiques du patient sont modélisées par un regroupement de cubes élémentaires appelés

voxels. Les images tomographiques sont des assemblages de plusieurs coupes constituées de pixels

repré-sentant l’anatomie du patient à deux dimensions suivant le plan transversal de ce dernier. Pour créer un

ADAM EVA

Figure III.7 – Déclinaisons mâle (ADAM) et femelle (EVA) du fantôme mathématique hermaphrodite MIRD [165].

fantôme voxélisé, les organes et les tissus d’intérêt doivent être identifiés sur chacune des coupes tomo-graphiques (processus appelé segmentation), ces dernières sont ensuite assemblées pour créer le fantôme voxélisé (processus illustré figure III.8).

(a) Identification des organes sur une coupe tomographique à deux dimen-sions.

(b) Assemblage de toutes les coupes. (c) Fantôme voxélisé à trois

dimen-sions.

Figure III.8 – Étapes de création d’un fantôme voxélisé [161].

La publication de Xu [161] a recensé 84 fantômes voxélisés construits à partir d’images tomodensito-métriques ou d’IRM de sujets vivants ou décédés. L’effort le plus notable provient du Helmholtz Zentrum München, où depuis les années 80, l’équipe menée par Zankl utilise la tomodensitométrie sur des patients et des volontaires pour développer une famille entière de fantômes voxélisés. Cette famille est composée de fantômes adultes comprenant la femme enceinte et des fantômes pédiatriques [168].

La plupart des modèles de fantômes voxélisés étant dérivés d’individus spécifiques, ils ne représentent pas la population moyenne et ne peuvent pas être considérés comme des références pour la dosimétrie. Afin de répondre à cette problématique, les fantômes adultes masculin GOLEM et féminin LAURA [169, 170] développés par le groupe de Zankl ont été significativement modifiés pour se conformer aux recomman-dations de la publication 103 de l’ICRP [38]. La modification de ces fantômes a abouti à la création des fantômes REX et REGINA, illustrés figure III.9, respectivement les fantômes de référence adultes masculin et féminin présentés dans la publication 110 de l’ICRP [162]. Ces fantômes ont été utilisés par l’ICRP pour établir les recommandations de radioprotection et les quantités dosimétriques de référence [162].

L’introduction des fantômes de référence par l’ICRP a permis de standardiser l’utilisation du fantôme pour la dosimétrie du patient. Cependant, ces fantômes ont été créés avec des coupes d’épaisseur

relati-REX REGINA

Figure III.9 – Fantômes voxélisés de référence de l’ICRP [162, 171].

vement élevée, respectivement 8 et 5 mm pour les modèles masculin et féminin, causant des problèmes de précision dans la modélisation de certains organes. En effet, la fidélité anatomique d’un modèle voxélisé est liée à la taille de ses voxels, notamment pour les tissus fins ou de petite taille, notamment le cristallin, la peau ou les nœuds lymphatiques.

5.3 Modèles anthropomorphes hybrides

Les fantômes anthropomorphes hybrides sont la catégorie de fantômes la plus récente, ayant fait leur apparition dans les années 2000. En 2014, la publication de Xu avait comptabilisé 183 fantômes de ce type.

Les fantômes hybrides sont modélisés par des surfaces lisses de type B-splines11ou NURBS12 ou via des

mailles polygonales (MESH ). Du fait de leur construction, les fantômes hybrides sont déformables selon un grand nombre de paramètres et peuvent être adaptés selon les besoins des calculs dosimétriques à effectuer. Ces fantômes peuvent aussi être voxélisés selon une taille de voxel arbitrairement définie, permettant d’être facilement pris en charge par les codes de calcul Monte Carlo. Ils allient ainsi la précision et le réalisme des fantômes voxélisés à la déformabilité des fantômes mathématiques.

En 2001, Paul Segars a été le premier à modéliser l’anatomie du thorax humain par des techniques

de type NURBS grâce au développement du fantôme NCAT13[172]. Ce fantôme est basé sur les données

du Visible Human Project et a été complété par l’intégration des mouvements cardiaques et pulmonaires. Le développement de ce fantôme a offert des améliorations majeures par rapport au précédent fantôme

anthropomorphe mathématique MCAT14 développé par le même groupe. La comparaison de ces deux

fantômes est illustrée sur la figure III.10.

Le fantôme NCAT a servi de base au développement de la version suivante des fantômes anthropo-morphes hybrides de Paul Segars, appelée XCAT.

11. Acronyme anglais pour : Basis Splines

12. Acronyme anglais pour : Non Uniform Rational B-Splines 13. Acronyme anglais pour : NURBS-Based Cardiac-Torso Phantom 14. Acronyme anglais pour : Mathematical Cardio-Torso Phantom

MCAT NCAT

Figure III.10 – Comparaison du fantôme anthropomorphe mathématique MCAT et du fantôme anthro-pomorphe hybride NCAT [173].