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Des programmes sont nécessaires en amont pour la conversion des données DICOM en format .egsphant (§ I.3.2), puis pour corriger les images des artéfacts (§ I.3.2). Le programme dosxyz_show (§ I.3.3) permet de visualiser les images CT créées au format egsphant et d’y superposer un fichier contenant la dose (.3ddose). Les simulations sont réalisées grâce au centre de calcul régional de l’université de Franche-Comté, le Mésocentre (§ I.3.4).

I.3.1. CTcreate

Le code CTcreate est destiné à convertir les images CT (1 image = 1 coupe = 1 fichier) au format DICOM en images voxélisées pouvant être exploitées par le code DOSXYZnrc. Le format de ces nouvelles données est le format .egsphant (un seul fichier contenant toutes les coupes).

Pour créer ce fantôme voxélisé, ce script se déroule en plusieurs étapes, après avoir préalablement renommé toutes les images CT, car le nom généré par l’appareil TDM est trop

- Définir le volume d’intérêt, qui peut être identique aux images originales (matrice originale) ou tronqué. Les dimensions de la matrice sont systématiquement réduites d’une part parce que le code DOSXYZnrc ne peut gérer qu’un nombre limité de voxels, et d’autre part pour réduire le temps de calcul et diminuer la taille des fichiers proportionnellement au nombre de voxels ;

- Définir les dimensions des voxels soit en gardant les dimensions originales, soit en les modifiant pour correspondre à la matrice de calcul du TPS9 (2 mm x 2 mm x 2,5 mm). Cela permet en plus de réduire le nombre total de voxels, donc la taille des fichiers et le temps de calcul ;

- Définir la rampe de conversion des nombres CT en masse volumique correspondant à un matériau : la rampe par défaut (Figure 2.14) est enregistrée, elle est issue des travaux de Kawrakow sur l’air, le poumon, les tissus et l’os [Kaw4, Wal1, Cip1].

Figure 2.14 : Courbe de conversion par défaut dans CTcreate des nombres Hounsfield en matériau [Wal1].

Cette rampe peut être modifiée pour correspondre à la courbe de conversion utilisée par le TPS principal afin de réaliser des comparaisons dans une même configuration.

Cette étape est indispensable car le code DOSXYZnrc est incapable de gérer l’échelle Hounsfield, il ne connaît que les matériaux contenus dans le fichier des sections efficaces (programme PEGS4).

Le fichier résultant, à l’extension .egsphant, est construit de la façon suivante (Figure 2.15) :

9 _{TPS est l’acronyme anglais pour Treatment Planning System préféré à l’acronyme français SPT pour Système}

de Planification de Traitement est le système permettant le calcul des distributions de dose prévisionnelles sur les images CT des patients.

- Les informations sur les matériaux : nombre, nom et le paramètre ESTEPE de chacun des matériaux qui est la fraction maximale d’énergie perdue par les électrons par étape.

- Les informations sur la géométrie : nombre de voxels en x, y et z.

- Les valeurs des frontières des voxels dans chaque direction pour la position dans le milieu.

- Les matrices des matériaux. - Les matrices de masse volumique.

Figure 2.15 : Contenu du fichier egsphant, la matrice des matériaux montre une couronne sur de l’os entouré d’eau (la matrice des masses volumiques n’est pas représentée ici, elle est similaire avec les valeurs de masse volumique

correspondantes).

I.3.2. EgsphantOpener

Les images CT qui seront étudiées présentent des artéfacts liés à la présence de matériaux de masse volumique élevée, l’attribution des valeurs de nombre Hounsfield (et de la masse volumique) est erronée, le matériau ne correspond plus à la réalité.

Afin de corriger ces défauts, un programme « maison », appelé EgsphantOpener, a été développé pour corriger ces artéfacts métalliques permettant à la fois de modifier les valeurs de masse volumique et d’ajouter de nouveaux matériaux.

Ce programme a été créé au laboratoire en collaboration avec l’équipe informatique AND (Algorithme Numérique Distribué) du laboratoire LIFC (Laboratoire Informatique de l’université de Franche-Comté) [Don1]. A partir d’images CT artéfactées, les volumes sont redessinés et une nouvelle valeur de masse volumique leur est attribuée. Cette méthode

Nombre de matériaux Liste des matériaux

Paramètre ESTEPE Nombre de voxels en x, y et z

Frontières des voxels en x Frontières des voxels en y Frontières des voxels en z

présente l’avantage d’évaluer les dommages d’une prothèse métallique pour un patient donné. En revanche, la création est longue et les corrections apportées simplifient la géométrie rendant les calculs Monte-Carlo plus éloignés de la réalité mais semblables à ce qui est fait sur les TPS.

La modification des images CT originales se fait par l’intermédiaire d’une interface graphique (Figure 2.16). La fenêtre se divise en trois parties (encadrées de couleurs différentes) :

- A droite (cadre rouge) : visualisation des images CT ;

- A gauche en bas (cadre bleu) : affichage d’informations sur le fichier (densité minimale, densité maximale, nombre de voxels en x, y et z, dimension des voxels), la position de la souris sur l’image et la coupe où l’on se situe ;

- A gauche en haut (cadre orange) : divisé en sept onglets. L’onglet « information matière » permet de renseigner le nom de la matière à ajouter (correspondant à un nom exact du fichier .pegs4dat), du numéro de la matière (de la rampe CT/masse volumique) et la valeur de la masse volumique de cette nouvelle matière. Les onglets « pinceau », « gomme » et « couleur masque » permettent respectivement de choisir la taille du pinceau, de la gomme et la couleur. L’onglet « zoom » permet d’agrandir l’image. L’onglet « niveau de gris » permet de régler l’échelle de gris de l’affichage de l’image. Le dernier onglet « autres informations » donne la liste des matières existantes.

Les artéfacts et les prothèses sont dessinés coupe par coupe. Pour chacune des coupes EgsphantOpener modifie le fichier d’origine (matrice matière et matrice masse volumique) avec les informations du nouveau matériau.

I.3.3. Dosxyz_show

Le programme dosxyz_show permet de visualiser les images CT (au format .egsphant) utilisées pour les calculs de distributions de doses et d’y superposer la distribution de dose (Figure 2.17). Plusieurs fonctionnalités sont disponibles pour analyser ces résultats :

- sélection du plan de visualisation : transverse, coronal ou sagittal ; - zoom sur une région d’intérêt ;

- choix de l’échelle des isodoses affichées ;

- réglage de la fenêtre de visualisation avec les valeurs des niveaux de gris minimale et maximale ;

- un curseur permet de relever la valeur de la dose en un point.

Figure 2.17 : Programme dosxyz_show.

I.3.4. Mésocentredecalculsdel’UFC

Le code OMEGA/BEAMnrc est implémenté au niveau du mésocentre de calcul de l’université de Franche-Comté (UFC). Le mésocentre est géré par l’université en collaboration avec l’UTBM (Université de Technologie de Belfort-Montbéliard) et l’ENSMM (Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et des Microtechniques de Besançon).

Le mésocentre se divise en deux parties en fonction du type de calculs exécuté :

- En parallèle (appelée Mesolumiere) : il est constitué de 800 cœurs fonctionnant avec une puissance crête théorique de 11 Tflops et il possède une mémoire vive jusqu’à 12 à 96 Go.

- En séquentiel (appelée Mesoseq) : il est constitué de 242 cœurs fonctionnant avec une puissance crête théorique de 4 Tflops et il possède une mémoire vive de 48 Go par nœud.

Le code DOSXYZnrc permet de réaliser des simulations en parallèle, c’est-à-dire que le nombre d’histoires à simuler est décomposé et réparti sur différents processeurs. Le calcul en parallèle permet de réduire le temps de calcul en fonction du nombre de partitions choisis. Par exemple, la simulation de dix millions d’histoires exécutée en une fois dure 180 h. Si on le partage sur 10 processeurs, chaque partition simule alors un million d’histoires. Le calcul sera diminué d’un facteur 10 soit 18 h.