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Développement et validation expérimentale d'un logiciel de planification de traitement pour la détermination de la dose corps entier en radiothérapie

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

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 et

64

Go de RAM et un total de 96 pro- esseurs pour lan er nos simulations. L'outil Monte

Carlo 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

et

20

MVà lataille de

Figure 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 ave

10

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 à

10

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 puis

0

, 1

% à

20

m du bordde hamp.L'in ertitude statistique à

3

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

10

mdu borddu hampetelleos illeentre

30

et

50

%au-delà. Nous avons optimisé nos paramètres de rédu tion de

varian 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

(2)

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

% à

40

% auparavant alors qu'elle ne dépasse pas

10

% jusqu'à

15

m du bord du hamp et

20

% entre

15

et

25

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 lesrésultatsà

20

MVpourun hamp

10 × 10 cm

2

à la profondeur de référen e. Les résultats de

simula-tions présentent une tendan esimilaire auxqualités

6

et

12

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 pas

3

%, au-delà, l'in ertitude statistique du al ul est en ore

tropélevépourpermettreune 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

(3)

Figure1.5RapportdesréponsesdesdosimètresOSL

enfon tiondel'énergiedesphotons.

les deux domaines sesitue autour de

500

mGy. Nous avons testé la linéarité de la réponse en kerma dans

l'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 à

10

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

mGyet

2

Gy),dix OSL ontété irradiéssimultanément. Nous avonssupposélefais eaudu obalt60homogènedans

lazonedepositionnementdenosdosimètres.À haque

fois, l'é arttypedeladistributionestinférieurà

2

%.

Dépendan e en énergie

Les OSLontétéirradiésde façonàre evoir

5

mGy pourdiérentesqualitésdefais eaux.Lesénergies

util-iséessont ellesdu obalt60(

1

, 25

MeV),du ésium137 (

662

keV) et quatre moyennes énergies RX (N30 à

25

keV,N60à

48

keV,N120à

100

keV,N250à

208

keV). Lagure1.5représentelerapportdesréponsesen

fon -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 basses

énergies,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

%(inférieureà

d'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. La

détério-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

et

20

MV) ave une pres ription de

2

Gy à

10

m de profondeur et une distan e sour e-entréede

90

m.

Corre tion de lamesure

Trois orre tionssontàapporteràlamesurebrute.

Toutd'abord, haquedosimètrepossèdeunesensibilité

diérente :

91

ou

94

%. 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

(4)

Figure1.6Comparaisondesprolsdedosemesurés

ave une hambred'ionisationet desdéte teursOSL

-photonsde

12

MV- hampde

10 × 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 aux

6

et

20

MV. Nous onfrontons,danslagure1.6,lesmesuresen hambre

d'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 dosimètres

s'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.

Figure

Figure 1.1  Prol de dose simulé pour un hamp de
Figure 1.3  Représentation de la uve à eau en PM-
Figure 1.5  Rapport des réponses des dosimètres OSL
Figure 1.6  Comparaison des prols de dose mesurés

Références

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