logi iel de al ul pour déterminer la dose orps
entier en radiothérapie
Igor Bessières
CEA, LIST, Laboratoire Modélisation et Simulation des
Systèmes, 91191 Gif-sur-Yvette CEDEX, FRANCE
Résumé
Ces travauxdethèseontpourobje tifle
développe-mentd'unoutilde al ulMonteCarlodeladose
hors- hampenradiothérapie.Les al ulssontréalisésà
par-tir du ode Penelope. Le premier obje tif est la
vali-dation expérimentale du ode pour une onguration
de radiothérapie onventionnelle dans une uve àeau
( asmétrologique) etpourune ongurationde
radio-thérapieàmodulationd'intensité(RCMI)surfantme
anthropomorphe( as linique).Lesmesuressontfaites
ave des dosimètres OSL. L'autre obje tif majeur est
l'a élerationdu odeparl`implémentationd'une
te h-nique derédu tiondevarian eandelerendre
utilis-ableen linique.
1.1 Problématique liée à la dose
périphérique
Les ré entes évolutions médi ales et te hnologiques
permettentunedéte tionpluspré o edelatumeuret
unemeilleure onformationdufais eaulorsdela
radio-thérapie.Lestraitementssontpluse a esetladurée
deviedupatientaprèsunpremiertraitements'est
ral-longée.Cependant,lesthérapeutesfontfa eàune
nou-velleproblématique, elledes an ersradio-induits.En
eet, lorsdu traitement,des rayonnementsdiusés et
de fuite engendrentun dépt de dose en dehorsde la
zone tumorale.Cettedosepériphériqueest sus eptible
de dé len her laformation d'un an er se ondaire, et
e,d'autantplusquelaviedupatientestlongueaprès
le traitement [1℄. C'est pourquoi il est primordial de
pouvoirdétermineretréduireladosepériphériquelors
delaplani ationdutraitement.
1.2 Simulation
1.2.1 Code et matériel
Nous disposons d'un luster de 8 mâ hines de
2
, 26
GHz et64
Go de RAM et un total de 96 pro- esseurs pour lan er nos simulations. L'outil MonteCarlo que nous her hons à optimiser est fondé sur
le ode Penelope. L'ensemble des résultats de
simula-tionprésentésaété obtenuàpartird'un modèle
d'a - élérateur médi alderadiothérapie onventionnelle,le
GE Saturne 43 installé au laboratoire de métrologie
de la dose au CEA. Les ongurations de validation
aux qualités de fais eau
6
,12
et20
MVà lataille deFigure 1.1Prolde dosesimulépourun hampde
10 × 10 cm
2
-photonsde
12
MV.hamp
10 × 10 cm
2
ontétésimulées.Cesfais eauxsont
représentatifsde euxutilisésen liniqueetlataille de
hampest ellederéféren e.
1.2.2 Simulations primaires et
optimi-sation
Lespremièressimulationsontétéréaliséesàla
qual-ité de fais eau
12
MV ave10
8
parti ules initiales.
Nous avons modélisé une uve à eau de dimensions
60 × 60 × 30 cm
2
en entrant le hamp
10 × 10 cm
2
sur lafa e
60 × 60 cm
2
.Nousavonsdon puobserver
la dose déposée jusqu'à
30
m du entre du fais eau. La gure 1.1 représente le prol de dose à10
m de profondeurpour ette onguration.La dose hors- hamp diminue exponentiellement en
dehorsdu hamp.Ladose à
10
m duborddu hamp vaut,eneet,1
%deladosemaximaledanslefais eau puis0
, 1
% à20
m du bordde hamp.L'in ertitude statistique à3
sigma asso iée à e al ul standard de dose estprésentéesurlagure1.2.Dans le fais eau, l'in ertitude est inférieure à
2
%, don plus faible que la limite a eptée en linique.Cependant,ens'éloignantdu hamp,l'in ertitude
aug-mentefortement.Elleestdel'ordrede
30
%à10
mdu borddu hampetelleos illeentre30
et50
%au-delà. Nous avons optimisé nos paramètres de rédu tion devarian e an de ne pas défavoriser le suivi des
par-ti ules en dehors du hamp omme dans la
simula-tion standard. Cette variation permet don de suivre
un plus grand nombre de parti ules diusées et don
Figure 1.2 In ertitudes statistiques asso iée aux
dosessimuléespourun hampde
10 ×10 cm
2
-photons
de
12
MV.Cettevariationaméliorela onvergen edenotre
al- ul à nombre égal de parti ules initiales. On
remar-que sur la gure1.2 que l'in ertitude atteignait
30
% à40
% auparavant alors qu'elle ne dépasse pas10
% jusqu'à15
m du bord du hamp et20
% entre15
et25
m du hamp pour la onguration optimisée. Compte tenu des très faibles doses que l'on observe,es in ertitudes sont a eptables. Signalons que l'on
retrouve es ordresde grandeurd'in ertitudesdans la
littérature(ref. [2℄).Cependant, e hangementinduit
uneaugmentation onsidérabledutempsde al ul.On
passe de 2 jours et 14 heures à21 jours et 12 heures
de al ul(sur8pro esseurs).Ce résultatétait
prévisi-ble,puisquelenombredeparti ulessuiviesparéle tron
sour ealargementaugmenté.Néanmoins,dansune
op-tique linique, etteaugmentationn'estpasa eptable.
C'estpourquoil'a élerationdu odeestindispensable.
1.2.3 Simulations pourla validation
ex-périmentale
Comptetenudelasymétriedela onguration,ilest
susant d'étudier la dose d'un té du hamp. Nous
avons ainsi modélisé une uve à eau de dimensions
60 × 30 × 30 cm
3
enPMMAspé ialementfabriquéeet
adaptéepourdesmesureshors- hamp(gure1.3).
Figure 1.3Représentationdela uveàeauen
PM-MMAde
60 × 30 × 30 cm
3
utiliséepourlesmesureset
lessimulations.
Ladosepourraalorsêtremesuréeet al uléejusqu'à
environ
40
mdu hamp.Nousprésentonssurlagure 1.4 lesrésultatsà20
MVpourun hamp10 × 10 cm
2
à la profondeur de référen e. Les résultats de
simula-tions présentent une tendan esimilaire auxqualités
6
et12
MV.En oreune fois,10
8
parti ulesinitialesont
été lan ées. Des mesures de hambre d'ionisation de
référen epermettentde omparerave lesrésultatsde
simulation.
Figure1.4Comparaisondesprolsdedosemesurés
àl'aide d'une hambred'ionisationet al ulésàl'aide
dePenelope.
La omparaison valide en partie le ode. Jusqu'à
15
m dubord du hamp,l'é art nedépasse pas3
%, au-delà, l'in ertitude statistique du al ul est en oretropélevépourpermettreune omparaisonpertinente
ave les données expérimentales. Des modi ations
de paramètres en ours et l'implémentation d'une
te hniquederédu tiondevarian edevraientaméliorer
es valeurs.
1.3 Validation expérimentale
Le développement du ode Monte Carlo de al ul
de la dose orps entier s'a ompagne d'unevalidation
expérimentale. Une première étude bibliographique
a orienté notre hoix vers des dosimètres OSL
(Op-ti ally Stimulated Lumines en e) du fait de leurs
performan es et de leurs dimensions adaptées aux
onditionsexpérimentalesenvisagées.Aprèsuneétude
de ara térisation du dosimètre au obalt 60, nous
avons réalisée des mesures dans la uve à eau sur le
GESaturne43.
1.3.1 Cara térisation du dosimètre
Linéarité en kerma dans l'air
L'étalonnagedule teur sefaitsur deux gammesde
doses (hautes et basses). La réponse est linéairepour
Figure1.5RapportdesréponsesdesdosimètresOSL
enfon tiondel'énergiedesphotons.
les deux domaines sesitue autour de
500
mGy. Nous avons testé la linéarité de la réponse en kerma dansl'air pour ha une des gammes. Elle est satisfaisante
dans ha un des as. Nous avons pu mesurer une
amplitude de dose allantde
0
, 1
mGy à10
Gy e qui estprimordialepournotreétude.Nousserons,eneet,amenés à mesurer des doses à la fois élevées (dans le
fais eau)et basses(enpériphériedufais eau).
Test des réponsesobtenues pour diérentslots
Pourtroisdosesdis tin tesdélivrées(
10
,50
mGyet2
Gy),dix OSL ontété irradiéssimultanément. Nous avonssupposélefais eaudu obalt60homogènedanslazonedepositionnementdenosdosimètres.À haque
fois, l'é arttypedeladistributionestinférieurà
2
%.Dépendan e en énergie
Les OSLontétéirradiésde façonàre evoir
5
mGy pourdiérentesqualitésdefais eaux.Lesénergiesutil-iséessont ellesdu obalt60(
1
, 25
MeV),du ésium137 (662
keV) et quatre moyennes énergies RX (N30 à25
keV,N60à48
keV,N120à100
keV,N250à208
keV). Lagure1.5représentelerapportdesréponsesenfon -tiondelaréponseobtenueau obalt60.
On remarque une forte dépendan e aux faibles
énergies ave une réponse ampliée d'un fa teur 3,7
pourdesphotonsayantuneénergieautour de
25
keV. Il faudra don orriger ette dépendan e aux bassesénergies,d'autantplusquedansleszonespériphériques
au hamp,lesparti ules sontprin ipalementissues de
diusions et possèdent don desénergies relativement
faibles.
Dépendan e angulaire
Nous avons vérié si l'orientation de fa e (0) ou
de prol (90) hangeait la réponse de l'OSL. La
variationobservéeestdel'ordrede
0
, 4
%(inférieureàd'orientationd'utilisationprivilégiée.
Inuen e de la le ture sur lesignal mesuré
Nous avonsrépété la le ture pour deux dosimètres
distin ts ande déterminerl'inuen ede larele ture.
La perte designalestde l'ordrede
1
, 1
%parle ture. La le ture détériore grandementle signal. Ladétério-ration semble parti ulière à haque OSL. Il est don
impossible d'apporter une orre tion systèmatique à
haque le ture et don d'envisager la rele ture. Cette
forte déplétionestdueauxréglagesdule teuradaptés
àlale turedesfaiblesdoses.Nous hoisissonsdon de
faireune le tureunique.Si elle- iest aberrante,nous
nous autorisons jusqu'à trois rele tures à moyenner
permettrantainsid'atténuerl'aberran edelapermière
le ture.
Finalement, ette étude préliminaire nous a permis
de onnaîtrelespointsfortset lesfaiblessesde l'OSL.
Globalement, ses ara téristiques sont satisfaisantes
et susammentadaptéesàlamesure deladose
hors- hamp.Ilfaudra ependantprêter uneattentiontoute
parti ulièreàla orre tiondeladépendan eenénergie.
1.3.2 Mesure de la dose hors- hamp
dans une uve à eau sous un
fais- eau de radiothérapie
onvention-nelle
Les irradiations ont été faites dans l'eau pour
trois qualités de fais eau (
6
,12
et20
MV) ave une pres ription de2
Gy à10
m de profondeur et une distan e sour e-entréede90
m.Corre tion de lamesure
Trois orre tionssontàapporteràlamesurebrute.
Toutd'abord, haquedosimètrepossèdeunesensibilité
diérente :
91
ou94
%. Il onvient don de orriger etteparti ularité.Ensuite, les mesures pour l'établissement des
oe- ients d'étalonnage ont été faites dans l'air alors que
les mesures ont été réalisées dans l'eau. Après avoir
appliqué le oe ientd'étalonnageauxdonnésbrutes,
ilfautdon orrigerl'erreurengendréeparladiéren e
de milieuentre l'étalonnageet lamesure.Onretrouve
dans les tables le fa teur né essaire à la orre tion :
Deau/Kair = 1, 11
.Enn, omme nous l'avons montré dans la partie
pré édente, les OSL possèdent une forte dépendan e
énergétiqueauxbasses énergies.Des al uls deuen e
sonten oursande orrigerlasur-réponsedueà ette
Figure1.6Comparaisondesprolsdedosemesurés
ave une hambred'ionisationet desdéte teursOSL
-photonsde
12
MV- hampde10 × 10 cm
2
.
Figure 1.7 Spe tres en énergie des photons à
dif-férentesdistan esdu entredu hamp.
Résultats
Nousprésentonsuniquementleproldedosepourla
qualitédefais eau
12
MVàlaprofondeurderéféren e. Les tendan es sont similaires aux6
et20
MV. Nous onfrontons,danslagure1.6,lesmesuresen hambred'ionisation à elles des OSL. Seule la dépendan e en
énergien'apasété orrigéesur ette ourbe.
Les deux types de mesure sont en très bon a ord
dans le hamp, l'é art relatif est inférieur à
3
%. en dehors du hamp, l'é art entre les deux dosimètress'a entue au fur et à mesure que l'on s'éloigne du
hamp.Les mesuresOSL sontsystématiquement plus
élevées en dehors du hamp, jusqu'à
40
% pour les pointsdemesurelespluspériphériques.Nous avons al ulé parsimulation Monte Carlo, les
spe tresdephotonsauxpointsdemesure.Ilsmontrent
que les photonsles plusprobablessont euxde faible
énergie orrespondantàlafortedépendan eenénergie.
Ces spe tressontprésentéssurlagure1.7.
Lesrésultatsde al uldeuen eénergétiqueen ours
permettrontde orriger ettedépendan e.L'é artentre
les OSL omme référen e pour la validation du ode
sur fantmeanthropomorphe.D'abord,nous pourrons
omparerlesmesuresOSLauxrésultatsdesimulation
MonteCarlo.
1.4 Perspe tives
1.4.1 Validation du ode sur un
a - élérateur de type RCMI
Lase ondepartiedelavalidationexpérimentaledoit
être ee tuée sur un a élerateur de type RCMI sur
unfantmeanthropomorphe.Lavalidationsur etype
d'a élérateur est primordiale ar elle orrespondra à
une situation linique.
1.4.2 A élération du ode
Nous avonsmontré que l'a élération du ode était
uneétapeindispensable.Celle- ipassepar
l'implémen-tation de la te hnique de rédu tion de varian e du
transport pseudo-déterministe. Cette te hnique existe
déjà dans le ode Monte Carlo MCNPX. Elle permet
de favoriser les intera tions dans une région d'intérêt
prédénie et don d'améliorer l'e a ité du al ul. Il
sera ensuite intéressant de onfronter son e a ité à
elle deMCNPX.
1.4.3 Mesure des omposantes de
dif-fusé et de fuite
Nousallonspro hainementmesurerles omposantes
de fuite et de diusion en dehors du hamp sur le
GE Saturne 43 selon le proto ole de Kase ([3℄). On
pourraalorsséparerles omposantesparsimulationet
faireune omparaisonave lesmesures.
Référen es
[1℄ Followill et Boyer 1997 Estimates of whole-body
doseequivalentprodu edbybeamintensity
mod-ulated onformaltherapyInt.J. Radiation
On ol-ogyBiol. Phys.,Vol.38, p.667-672.
[2℄ Kry & al. 2006 A Monte Carlo model for
al u-latingout-of-elddosefromaVarian6MVbeam,
Medi al Physi s,Vol.33,N11.
[3℄ Kase & al. 1983 Measurementsof dose from
se -ondaryradiationoutsideatreatmenteld,Int.J.
Radiation On ology Biol. Phys., Vol. 9, p.