MODELISATION PAR METHODES MONTE CARLO DE L

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MODELISATION PAR METHODES MONTE CARLO DE L
ESPACE DES PHASES D UN FAISCEAU DE PHOTONS EN
RADIOTHERAPIE

• Chamberlain Francis DJOUMESSI ZAMO
• Master 2 Physique Médicale 2006
• Centre de Lutte Contre le Cancer Léon-Bérard
  (LYON)

Jean Noël BADEL - Physicien médical David SARRUT
- Maître de Conférence en Informatique Chantal
GINESTET - Responsable Unité de physique Médicale
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PLAN

• I - LE CENTRE Léon-Bérard
• II - LE GROUPE DE RECHERCHE RAYONNEMENTS IMAGES
  ET ONCOLOGIE
• III - POSITION DU SUJET
• IV - MATERIELS ET METHODES
• V - RESULTATS
• VI - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

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LE CENTRE LEON- BERARD

• Membre de la Fédération Nationale des Centres
  pour la Lutte Contre le Cancer (FNCLCC)
• Les armes thérapeutiques
• - la chirurgie
• - la chimiothérapie
• - la radiothérapie (2000 patients par
  an)
• En radiothérapie externe
• - 5 accélérateurs (5 imageurs
  portal)
• - 1 scanner dédié
• - un cone beam
• Plusieurs équipes de recherche

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LE GROUPE DE RECHERCHE RAYONNEMENTS, IMAGES ET
ONCOLOGIE

• Radiothérapie guidée par l'image
• Contrôle de positionnement par imageur portal
• Acquisition dimages TDM 4D (Cone-Beam et
  scanners conventionels)
• Modélisation du thorax respirant par recalage
  déformable
• Dosimétrie dynamique (4D)
• Hadronthérapie
• Simulations Monte-Carlo
• Projet ThIS (a Therapeutic Irradiation Simulator)
• Simulation Monte-Carlo d'un imageur portal EPID
• Simulation Monte-Carlo d'un accélérateur linéaire
  

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PROBLEMATIQUE
Détermination de la dose transmise en
radiothérapie à partir de limageur portal I View
GT d ELEKTA par méthodes Monte Carlo
Plaque de cuivre
Matrice de silicium amorphe
Imageur portal ELEKTA
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PROBLEMATIQUE
Source de photons Distribution uniforme dans un
angle solide

• Objectif
• Modéliser par méthode Monte Carlo la tête dun
  laccélérateur linéaire médical
• Pour obtenir lespace des phases des faisceaux de
  photons
• Pour améliorer les calculs dosimétriques

Plan de calcul de résolution variable
iViewGT modélisé
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• Laccélérateur linéaire médicale en mode photons

• On le divise en 2 parties
• La section accélératrice aimant de
  courbure
• - La tête de laccélérateur

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Synoptique générale dune tête daccélérateur
linéaire médical en mode photons
Faisceau délectrons
Cible
Collimateur primaire
Cône égalisateur
Chambre monitrice
Miroir
Collimateur multilames
Mâchoires en Y
Mâchoires en X
Filtre en coin
(Verhaegen et al, 2003)
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Premier module
Mode basse énergie
Mode haute énergie
Faisceau délectrons
Faisceau délectrons
Cible
Collimateur primaire
Filtre durcisseur
Cône égalisateur
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Deuxième module
Quelque soit lénergie
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MATERIELS ET METHODES

• Accélérateur modélisé
• PRECISE (société ELEKTA)
• 6 et 10 MV photons

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MATERIELS ET METHODES

• Code de simulation
• MC-N-Particles (Los Alamos National Laboratory)
• MCNPX Version 2.5f
• Station de travail Linux, processeur 1,8 GHz,
  RAM 500 MO

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Comment utiliser MCNPX ?

• Écriture dun fichier dentrée
• 1- Modélisation de la géométrie
• Description des volumes
• Description des matériaux
• 2- Caractérisation de la source de particules
• Nature de la particule
• Distribution énergétique et spatiale
• 3- Choix des processus physiques
• 4- Spécification du calcul demandé (les tallies)
• Création dun fichier de sortie

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Premier module
Modélisation de la géométrie
Plan YZ, premier module de la géométrie simulée
sous MCNPX (cible, collimateur primaire et cône
égalisateur)  a) 6 MV et b) 10 MV
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Deuxième module
Modélisation de la géométrie
Collimateur secondaire (multilame plus mâchoire
en Y) vu dans le plan YZ pour une taille de
champ 10 X 10 à lisocentre.
Alignement des 40 lames de gauche du multilame
vu dans le plan ZX
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Caractérisation de la source de particules

• - Électrons (70 Millions)
• - Deux Distributions gaussiennes en énergie
  moyenne (Ee)
• - Pour obtenir les 6 et 10 MV en photons
• - Rayon de distribution gaussienne (Re)

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Choix des processus physiques

• Collisions électroniques
• Le rayonnement de freinage
• Lannihilation
• Leffet Compton
• La diffusion élastique
• Leffet photoélectrique
• La création de paires
• La fluorescence
• Énergie de coupure - 500 KeV pour les électrons
• - 10 KeV
  pour les photons

(DeMarco et al, 1998)
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Spécification du calcul demandé

• Écriture dun espace des phases
• Quest ce quun espace des phases ?
• Fichier contenant pour chaque particules
  traversant une surface dune géométrie les
  informations suivantes
• - Lénergie
• - La position
• - La direction
• - Le poids statistique
• Pourquoi le générer ?
• Pour gagner du temps sur les calculs
• Avoir une représentation du faisceau de photons
  en une surface donnée de la géométrie de la tête
  de laccélérateur
• Comment ?
• En simulant une seule fois le premier module
  (cible, collimateur primaire et cône égalisateur)

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Position de lespace des phases dans la géométrie
Mode basse énergie (6 MV)
Mode haute énergie (10 MV)
Faisceau délectrons
Faisceau délectrons
Cible
Collimateur primaire
Filtre durcisseur
Cône égalisateur
Plan de lespace des phases
Plan de lespace des phases
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Comment valider un espace des phases?
a
(Hyun Cho et al, 2005)
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Calculs dosimétriques (choix du tally)

• Quels calculs ?
• Dépôt de dose en fonction de la profondeur
  (rendement en profondeur), de la taille de champ
  et de lénergie
• Dépôt de dose en fonction de la distance radiale
  (profils de dose), de la taille de champ et de
  lénergie
• Comment ?
• Modélisation dune cuve à eau
• Détection par des points radiographiques de
  surface plane qui admet les contributions
  directes et diffusées des photons
• Pas de 2 mm suivant la profondeur de la cuve
  deau
• Pas de 1 mm sur laxe radial

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Comment valider un espace des phases?
a
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Comment faire correspondre les calculs aux
mesures ?

• Notre démarche
• Trouver le bon couple énergie moyenne et rayon
  du faisceau délectrons primaire permettant de
  trouver un ajustement dans les limites admises
  entre les courbes de rendement en profondeur et
  de profil de dose obtenues sous MCNPX à celles
  obtenues expérimentalement

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Paramètres de transport des électrons

• - Pour le 6 MV

Ee (MeV) FWHM en Ee () Re
6,8 3 FWHM 1mm Gaussienne
6,5 3 FWHM 1mm Gaussienne
6,2 3 FWHM 1,3 mm Gaussienne
6, 2 3 FWHM 1,2 mm Gaussienne

• - Pour le 10 MV

Ee (MeV) FWHM en Ee () Re
10,4 3 FWHM 1mm Gaussienne
9,5 3 FWHM 1,3mm Gaussienne
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Résultats

• Le rendement en profondeur en 6 MV
  (électronsEe 6,8 MeV, Re 1mm et 20 millions de
  particules)

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(No Transcript)
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Le rendement en profondeur en 10 MV
(électronsEe 10,4 MeV, Re 1mm et 70 millions
de particules)
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Comparaison des dmax obtenus par MCNPX et
mesures pour le 10MV
a) Pour le 6 MV
Taille de champs (cm2) 10 X 10 20 X 20 40 X 40
Mesures (cm) 1,8 1,7 1,8
MCNPX (cm) 1,8 1,6 1,2
Différence en mm 0 1 6
Taille de champs (cm2) 10 X 10 20 X 20
Mesures (cm) 2,45 2,2
MCNPX (cm) 2,65 1,85
Différence en mm 2 3,5
b) Pour le10 MV
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Remerciements

• Aux responsables et enseignants du Master
  Physique Médicale Lyon Grenoble
• Au Dr. C. CARRIE et Mme GINESTET
• Dr. D. SARRUT et Mr. JN BADEL
• A tous mes camarades de promotion

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Le profil de dose à 10 cm de profondeur
Profil de dose pour un champ 10 X 10 cm2 pour
un faisceau de 6MV en photons
Profil de dose pour un champ 10 X 10 cm2 pour
un faisceau de 10MV en photons
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Discussions

• Aux faibles statistiques
• Modélisation du collimateur secondaire
• Au pas de discrétisation
• Ressources informatiques

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CONCLUSION

• Ce qui a été fait
• Simulation
• Faisceau délectrons
• Cible
• Collimateur primaire
• Cône égalisateur
• Collimateur secondaire
• Test des gammes dénergie pour les faisceaux en 6
  MV et 10 MV
• Création et gestion du fichier de lespace des
  phases
• Simulation du dépôt de dose dans une cuve deau
  (rendement en profondeur et profil de dose) pour
  différentes tailles de champs

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PERSPECTIVES

• Continuer lajustement de lénergie moyenne des
  électrons pour les faisceaux en 6 et 10 MV de
  photons
• Optimiser la statistique pour améliorer les
  résultats
• - Utiliser le fichier despaces des phases
  validé pour les simulations sur limageur portal
  ainsi que le dépôt de dose en clinique