Malgré les progrès importants faits dans le domaine des diagnostics et des traitements, le cancer reste l’une des principales causes de mortalité en France.
La radiothérapie constitue un des piliers du triptyque thérapeutique déployé face à ce problème majeur de santé publique. Avec l’utilisation de rayonnements ionisants, elle consiste à délivrer une forte dose absorbée aux tissus tumoraux, tout en épargnant les organes sains. Depuis ses débuts, la radiothérapie a connu de nombreuses avancées théoriques et in-novations technologiques. Ainsi, les dix dernières années ont vu l’émergence de techniques d’irradiations dites stéréotaxiques. Celles-ci se basent sur la délivrance de fortes doses quo-tidiennes, à de petits volumes cibles, en un nombre limité de séances. Initialement utilisée pour des cibles intra-crâniennes, l’application de ce type de traitement s’est élargie à d’autres localisations avec la stéréotaxie extra-crânienne (SBRT). De plus en plus répandue, l’efficacité de la SBRT peut dans certains cas être équivalente à celle de la chirurgie.
Pour arriver à de tels résultats, l’exigence de précision sur toutes les étapes du traitement est considérable. L’une de ces étapes, la réalisation de la balistique de traitement, repose sur le calcul prévisionnel de la dose absorbée. Celui-ci nécessite de modéliser correctement le transport des particules dans le patient. Pour la radiothérapie externe, il existe principalement deux familles de méthodes de calcul de dose : les méthodes analytiques et les méthodes Monte-Carlo.
Schématiquement, les méthodes analytiques sont utilisées en routine dans les services de radiothérapie pour obtenir un résultat rapide, d’une précision généralement suffisante pour les besoins cliniques. Les méthodes Monte-Carlo sont considérées comme le calcul de référence, c’est à dire la meilleure estimation possible quand la mesure n’est pas accessible [172].
Concernant les faisceaux de photons, les méthodes analytiques sont privilégiées dans un contexte clinique. Dans le département de radiothérapie de l’Institut Universitaire du Cancer de Toulouse (IUCT), l’Algorithme Analytique Anisotrope (AAA) est généralement utilisé. Bien qu’il soit adapté dans la majorité des cas, la précision de ces résultats peut être limitée dans certaines conditions spécifiques. Ces conditions sont typiquement réunies dans les traite-ments de SBRT, à savoir des petits champs d’irradiation dans des régions de faibles ou fortes densités. De plus, en raison du mouvement respiratoire, la distribution de dose calculée est susceptible de différer de la dose réellement délivrée pour les cibles de SBRT thoraciques. En effet, la mauvaise combinaison du mouvement des lames du MLC avec celui respiratoire peut détériorer la délivrance du traitement : c’est l’effet interplay. Celui-ci, reste encore difficilement prévisible par les méthodes de calcul utilisées en routine clinique.
Concernant les faisceaux d’électrons, les méthodes analytiques peuvent être imprécises pour la prise en compte des hétérogénéités. Pour ces traitements, un algorithme basé sur des données pré-calculées par méthode Monte-Carlo (eMC) est utilisé dans notre service. Et
de même, bien que l’algorithme utilise des données calculées par une méthode de référence, les approximations introduites pour simplifier le transport des particules et réduire ainsi les temps de calcul, mènent à des précisions qui peuvent être réduites, en particulier à l’interface de milieux de densités différentes.
Dans ces deux situations, l’utilisation de méthodes Monte-Carlo permettrait de modéli-ser précisément le transport des particules. Cependant, plus complexes à mettre en oeuvre, ces méthodes nécessitent souvent des temps d’implémentation et de calculs peu compatibles avec la routine clinique. Néanmoins, des vérifications rétrospectives des distributions de dose calculées permettraient de s’assurer de leurs précisions.
Outre le besoin d’un double calcul pour ces cas cliniques complexes, il est également nécessaire de faire appel à un calcul de référence dans les situations suivantes : évaluation d’un nouvel algorithme, pré-calcul de kernels utilisés par les algorithmes analytiques, évaluation de grandeurs fondamentales nécessaires à la métrologie des rayonnements ionisants, évaluation des différents modes de report de dose (dose dans le milieu, dose dans l’eau)...
Ces considérations ont conduit l’équipe 15 du CRCT à implémenter depuis six ans, un modèle Monte-Carlo complet d’un des accélérateurs linéaires les plus courants : le TrueBeam STx (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA). Ce travail fait suite à deux autres thèses ayant eu pour objet ce modèle [17,227].
Ce document se propose de présenter cet outil basé sur GATE/GEANT4 qui est à pré-sent terminé et intégré en une solution complète que nous avons baptisé GAMMORA (GAte Monte-carlo MOdel for RAdiotherapy). Nous verrons en détail comment GAMMORA a été implémenté, et présenterons ses possibilités. Nous détaillerons également plusieurs applica-tions que cet outil nous a permis de réaliser.
Ce document est découpé en cinq parties :
Au travers du chapitre1, nous exposerons le contexte clinique de ce travail. Nous défini-rons, la radiothérapie et plus particulièrement les techniques de SBRT, en montrant en quoi celles-ci se présentent comme une nouvelle option thérapeutique prometteuse, et comment elles imposent de nouveaux enjeux. Dans la suite de ce chapitre, nous détaillerons les interac-tions fondamentales rayonnements/matière et introduirons les grandeurs fondamentales de la dosimétrie. Nous décrirons également les méthodes et les théories sous-jacentes à la mesure et au calcul de dose absorbée. Nous traiterons plus en détail les méthodes de calcul Monte-Carlo, en exposant les avantages de celles-ci par rapport aux autres algorithmes.
Le chapitre 2 sera consacré à la présentation de l’implémentation de GAMMORA. Nous détaillerons la modélisation du TrueBeam et la validation de ce modèle. Nous décrirons plus particulièrement :
— la création et la validation d’un générateur de particules basé sur un apprentissage GAN des fichiers d’entrée (espace de phases) fournis par Varian
— l’étude des simulations de faisceaux d’électrons pour des cas complexes — la modélisation de la table de radiothérapie
— la modélisation de l’EPID
— les fonctionnalités de GAMMORA — Les ressources de calcul utilisées
Au cours du chapitre 3, nous aborderons la problématique de l’effet interplay avec une approche expérimentale. Pour savoir si le passage d’une technique d’arc conformationnel dy-namique au VMAT est envisageable pour le traitement SBRT des cibles thoraciques ; nous présenterons une étude que nous avons réalisée avec une plateforme de mouvements program-mables.
Le chapitre 4, se propose d’approfondir l’étude de cet effet interplay. En utilisant notre outil GAMMORA, nous quantifierons plus précisément celui-ci, et évaluerons l’influence de différents paramètres tels que le type, la période ou l’amplitude du mouvement, l’utilisation de marge pour le volume cible, la dose par fraction ou encore l’utilisation du gating respiratoire. Enfin, dans le chapitre 5 nous démontrerons en quoi GAMMORA pourrait être utilisée comme double calcul de référence pour des cas cliniques complexes. Nous présentons ses résul-tats et les comparons avec ceux des algorithmes classiquement employés pour un traitement électrons et une quarantaine de faisceaux SBRT (AAA et eMC).