Accelerated clinical prompt gamma simulations for proton therapy

par Brent Huisman

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique

Sous la direction de David Sarrut.

Soutenue le 19-05-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image pour la Santé, UMR5220 (Lyon, Rhône) (laboratoire) et de Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé / CREATIS (laboratoire) .

Le président du jury était Magdalena Rafecas.

Le jury était composé de David Sarrut, Magdalena Rafecas, Peter Dendooven, Sébastien Jan, Edmond Sterpin, Étienne Testa.

Les rapporteurs étaient Peter Dendooven, Sébastien Jan.

  • Titre traduit

    Simulations cliniques des gamma prompt accélérées pour la Hadronthérapie


  • Résumé

    Après une introduction à l’hadronthérapie et à la détection gamma prompts, cette thèse de doctorat comprend deux contributions principales: le développement d'une méthode de simulation des gamma prompt (PG) et son application dans une étude de la détection des changements dans les traitements cliniques. La méthode de réduction de variance (vpgTLE) est une méthode d'estimation de longueur de piste en deux étapes développée pour estimer le rendement en PG dans les volumes voxélisés. Comme les particules primaires se propagent tout au long de la CT du patient, les rendements de PG sont calculés en fonction de l'énergie actuelle du primaire, du matériau du voxel et de la longueur de l'étape. La deuxième étape utilise cette image intermédiaire comme source pour générer et propager le nombre de PG dans le reste de la géométrie de la scène, par exemple Dans un dispositif de détection. Pour un fantôme hétérogéné et un plan de traitement CT complet par rapport à MC analogue, à un niveau de convergence de 2% d'incertitude relative sur le rendement de PG par voxel dans la région de rendement de 90%, un gain d'environ 10^3 A été atteint. La méthode s'accorde avec les simulations analogiques MC de référence à moins de 10^-4 par voxel, avec un biais négligeable. La deuxième étude majeure menée dans portait sur l'estimation PG FOP dans les simulations cliniques. Le nombre de protons (poids spot) requis pour une estimation FOP constante a été étudié pour la première fois pour deux caméras PG optimisées, une fente multi-parallèle (MPS) et une conception de bordure de couteau (KES). Trois points ont été choisis pour une étude approfondie et, au niveau des points prescrits, on a constaté qu'ils produisaient des résultats insuffisants, ce qui rend improbable la production clinique utilisable sur le terrain. Lorsque le poids spot est artificiellement augmenté à 10^9 primaires, la précision sur le FOP atteint une précision millimétrique. Sur le décalage FOP, la caméra MPS fournit entre 0,71 - 1,02 mm (1sigma) de précision pour les trois points à 10 $ 9 $ de protons; Le KES entre 2.10 - 2.66 mm. Le regroupement de couches iso-énergétiques a été utilisé dans la détection par PG de distribution passive pour l'un des prototypes d'appareils PG. Dans le groupement iso-depth, activé par la livraison active, les taches avec des chutes de dose distales similaires sont regroupées de manière à fournir des retombées bien définies comme tentative de mélange de gamme de distance. Il est démontré que le regroupement de taches n'a pas nécessairement une incidence négative sur la précision par rapport à la tache artificiellement accrue, ce qui signifie qu'une certaine forme de groupage de points peut permettre l'utilisation clinique de ces caméras PG. Avec tous les spots ou les groupes spot, le MPS a un meilleur signal par rapport au KES, grâce à une plus grande efficacité de détection et à un niveau de fond inférieur en raison de la sélection du temps de vol.


  • Résumé

    After an introduction to particle therapy and prompt gamma detection, this doctoral dissertation comprises two main contributions: the development of a fast prompt gammas (PGs) simulation method and its application in a study of change detectability in clinical treatments. The variance reduction method (named vpgTLE) is a two-stage track length estimation method developed to estimate the PG yield in voxelized volumes. As primary particles are propagated throughout the patient CT, the PG yields are computed as function of the current energy of the primary, the material in the voxel and the step length. The second stage uses this intermediate image as a source to generate and propagate the number of PGs throughout the rest of the scene geometry, e.g. into a detection device. For both a geometrical heterogeneous phantom and a complete patient CT treatment plan with respect to analog MC, at a convergence level of 2\% relative uncertainty on the PG yield per voxel in the 90\% yield region, a gain of around $10^3$ was achieved. The method agrees with reference analog MC simulations to within $10^{-4}$ per voxel, with negligible bias. The second major study conducted in this PhD program was on PG FOP estimation in clinical simulations. The number of protons (spot weight) required for a consistent FOP estimate was investigated for the first time for two optimized PG cameras, a multi-parallel slit (MPS) and a knife edge design (KES). Three spots were selected for an in depth study, and at the prescribed spot weights were found to produce results of insufficient precision, rendering usable clinical output on the spot level unlikely. When the spot weight is artificially increased to $10^9$ primaries, the precision on the FOP reaches millimetric precision. On the FOP shift the MPS camera provides between 0.71 - 1.02 mm (1$\upsigma$) precision for the three spots at $10^9$ protons; the KES between 2.10 - 2.66 mm. Grouping iso-energy layers was employed in passive delivery PG detection for one of the PG camera prototypes. In iso-depth grouping, enabled by active delivery, spots with similar distal dose fall-offs are grouped so as to provide well-defined fall-offs as an attempt to sidestep range mixing. It is shown that grouping spots does not necessarily negatively affect the precision compared to the artificially increased spot, which means some form of spot grouping can enable clinical use of these PG cameras. With all spots or spot groups the MPS has a better signal compared to the KES, thanks to a larger detection efficiency and a lower background level due to time of flight selection.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse\u00a0?

  • Bibliothèque : Institut national des sciences appliquées (Villeurbanne, Rhône). Service Commun de la Documentation Doc’INSA. Bibliothèque numérique.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.