Simulation Monte Carlo de suivi de positrons dans la matière biologique : applications en imagerie médicale

Monte Carlo simulation of positron following-up in biological matter : applications in nuclear medicine

• Auteur / Autrice : Cindy Le Loirec
• Direction : Jocelyn Hanssen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2007
• Etablissement(s) : Metz
• Ecole(s) doctorale(s) : SESAMES - Ecole Doctorale Lorraine de Chimie et Physique Moléculaires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPMC - Laboratoire de Physique Moléculaire et des Collisions - EA3941
• Jury : Président / Présidente : Claude Comtat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Champion, Gérard Montarou, Alain Seret

Mots clés

Mots clés contrôlés

Positons

Tomographie par émission

Monte-Carlo, Méthode de

Mots clés libres

Médecine nucléaire

Positron

Tumeur

Résumé

Le sujet des travaux de recherche effectués au cours de mon doctorat consiste à contourner la difficulté liée au seuillage utilisé pour visualiser les images obtenues en tomographie par émission de positrons (TEP), de manière à obtenir des images tumorales plus précises qui par la suite pourraient être utilisées en radiothérapie. Pour cela, nous avons proposé de mettre à profit la simulation Monte Carlo que nous avions développée pour décrire le transport d’électrons et de particules lourdes chargées dans l’eau. Lors de cette étude, nous avons donc cherché à décrire dans les détails les plus fins (à l’échelle de la cellule) les dépôts d’énergie induits par le positron dans la matière biologique, et ce à partir de la simulation Monte Carlo de suivi de trace que nous avons déjà mise au point pour les électrons et les ions et qui a été modifiée pour décrire le suivi des positrons, notamment par la prise en compte du processus de capture qui vient d’être récemment calculé par notre équipe. L’intérêt de ce travail est multiple. D’une part, il permet de mesurer les risques encourus par le patient soumis à une irradiation +, ce qui est le cas lors d’examens médicaux comme la Tomographie par Emission de Positrons. D’autre part, la simulation numérique de transport de positrons dans la matière biologique, couplée à une simulation de suivi de photons dans l’eau, a permis d’appréhender avec précision la détection des photons après annihilation des positroniums (paires électron-positron formées lors du ralentissement du positron dans la matière). Une modélisation simple des paramètres géométriques et physiques de l’appareil de détection nous a ainsi permis de quantifier le nombre d’événements de chaque type détectés sur l’anneau à savoir le nombre de paires de photons dits diffusés, fortuits et vrais. A partir de ces données, il nous est alors possible de construire un sinogramme nous permettant la reconstruction d’images TEP.

The subject of my PhD work is to outline the problem linked to threshold used to visualize PET images, in order to obtain more accurate tumoral volumes which could be treated more efficiently in radiotherapy. To do that, we have proposed to use the Monte Carlo code we have already developed to study the following-up of electrons and ions in water. During this PhD study, we have also tried to describe with the best accuracy (at a cellular scale) the deposited energy induced by positrons in the biological matter thanks to the Monte Carlo simulation previously cited that we have adapted to describe the following-up of positrons, especially in adding the capture process which has recently been calculated by our team. In one hand, the goal of this work is to measure the risks taken by the patient during a medical exam (such as a PET acquisition). In another hand, the simulation of the following-up of positrons in the biological matter coupled to the simulation of the following-up of photons in water, has allowed the detection of photons after the Positronium (electron-positron pair formed during the positron slowing-down in the matter) annihilation. Then a simple modelling of the geometrical and physical parameters of the medical device has allowed a quantification of the number of events detected on the ring. More precisely, we have access to the number of true, scattered and random pairs. Thanks to these data, we are thus able to reconstruct a sinogram as well as the initial radiative volume. Then a comparison with some experimental results gives access to a semi-empirical relation between the volume and the threshlod.