Simulation Monte-Carlo d'une installation de protonthérapie avec le code GEANT4 : de la validation dosimétrique à l'application clinique

Monte-Carlo simulation of a protontherapy beam line with GEANT4 : from dosimetric validation to clinical application

• Auteur / Autrice : Gaëlle Angellier
• Direction : Ahmed-Sabet Hachem, Joël Hérault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mélanome

Conjonctive

Monte-Carlo, Méthode de

Protonthérapie

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire s’intéresse à la simulation Monte-Carlo de la ligne de protonthérapie ophtalmologique du Centre Antoine Lacassagne à Nice avec le code GEANT4. Il enrichit et complète de précédentes études menées avec le code MCNPX. Il participe également à la mise en œuvre d’un système de planification de traitement basé sur la simulation Monte-Carlo (ANR PROUESSE). Plusieurs développement ont été réalisés pour améliorer la vitesse de calcul des simulations : la programmation parallélisée, une segmentation adaptée du fantôme physique ou encore le recours à la création d’espace des phases. La validation des résultats issus de GEANT4 a été faite d’une part avec un autre code de simulation (MCNPX) pour les spectres énergétiques et angulaires et d’autre part avec des mesures expérimentales pour les caractéristiques dosimétriques. Les résultats de calcul pour les deux codes sont très proches et une bonne adéquation entre les résultats simulés et mesurés est également observée. Les parcours sont notamment reproduits à moins de 0. 2 mm près. L’influence du choix des options pour les interactions électromagnétiques et hadroniques disponibles dans la version GEANT4-9-3p02 a été étudiée. La simulation de la ligne de faisceau ainsi que l’usage de films radiochromiques EBT2 ont été exploités afin d’éclairer des interrogations cliniques sur l’irradiation du mélanome de la conjonctive. Il a été démontré que la réponse des films EBT2, corrigée pour sa dépendance au transfert d’énergie linéique donne des cartographies de dose d’une excellente résolution pour les faisceaux de protons. Les perturbations introduites par la diffusion coulombienne multiple dans le collimateur et les accessoires ont été mises en évidence par la simulation Monte-Carlo et confirmés par les mesures expérimentales. Le code Monte-Carlo GEANT4 est donc un outil prédictif de la dose délivrée parfaitement adapté à la protonthérapie de basse énergie.

The work covered by this thesis is about the Monte Carlo simulation of the ophthalmic protontherapy facility installed in Nice at the Centre Antoine Lacassagne with GEANT4. It relies on previous studies based upon the MCNPX Monte Carlo code. The purposes of the thesis is to complete the previous work realised on a specific Monte Carlo code (MCNPX) and to study the ability of treatment planning systems based upon Monte Carlo simulations (ANR PROUESSE). The focus was on simulations speed, parallel programming, sensitive volume segmentation or the use of state spaces. The validation of GEANT4 results was realised on the one hand with MCNPX results for the energetic and angular spectrum and on the other hand with experimental measurements for dosimetric computations. GEANT4 show very similar results with MCNPX simulations and experimental measurements. The depth dose is reproducted with a precision less than 0. 2 mm. The influence of electromagnetic and hadronic parameters available within the GEANT4-9-3p02 release was also studied. The proton beam line simulation and the use of EBT2 radiochromic films were used to answer clinical interrogations about the conjunctival melanoma. It was proved that the EBT2 films response (corrected for its linear energy transfer) presents dose plans with an excellent resolution for proton beams. The perturbations caused by the multiple scattering within the collimator and the accessories were highlighted by the Monte-Carlo simulations and confirmed by the experimental measurements. Therefore the GEANT4 Monte-Carlo code can be used as a predictive tool for computing the delivered dose by low energy protontherapy.