Calcul tridimensionnel de la dose absorbée par simulation Monte Carlo GATE pour la radiothérapie guidée par l'image dédiée au petit animal

3D absorbed dose calculation with GATE Monte Carlo simulation for the image-guided radiation therapy dedicated to the small animal

• Auteur / Autrice : Caroline Noblet
• Direction : François Paris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Physique médicale
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de Recherche en Cancérologie et Immunologie Intégrée Nantes Angers
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Nantes Université. Pôle Santé. UFR Médecine et Techniques Médicales (Nantes) - Université Nantes-Angers-Le Mans - COMUE (2009-2015)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiothérapie guidée par l'image

Rats de laboratoire

Radiobiologie

Thérapeutique expérimentale

Monte-Carlo, Méthode de

Résumé

Les irradiateurs innovants dédiés aux petits animaux permettent de reproduire les traitements de radiothérapie clinique guidée par l'image. La pratique clinique est mise à l'échelle de l'animal en réduisant les dimensions et l'énergie des faisceaux d'irradiation : des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (<300keV) sont utilisés. Les contraintes induites par cette mise à l'échelle limitent la possibilité de transposer les techniques de calcul de dose cliniques à la pratique préclinique. L'utilisation de méthodes Monte Carlo devient nécessaire. Dans le cadre de ce travail, un modèle Monte Carlo de l'irradiateur préclinique XRAD225Cx a été développé avec le code GATE (Geant4) afin de fournir une distribution de dose précise dans l'animal. Ce modèle a été validé en comparant les résultats des simulations à des mesures ainsi qu'avec des résultats obtenus avec le code Monte Carlo de référence en radiothérapie externe, EGSnrc. Une problématique particulière a été mise en évidence : l'impact dosimétrique majeur de la segmentation des tissus dans les images CT des animaux. Aux énergies précliniques, un seuillage des images basé sur les valeurs de densité électronique des voxels ne permet pas d'atteindre un niveau de précision acceptable pour le calcul de la dose. Il est indispensable de définir rigoureusement les matériaux (composition élémentaire et densité massique). Une méthode de segmentation spécifique a donc été proposée dans le but d'obtenir des distributions réalistes dans les animaux. Finalement, la plateforme de calcul Monte Carlo a pu être utilisée dans le cadre de différentes études radiobiologiques précliniques sur souris et rats.

Innovating irradiators dedicated to small animal allow to mimic clinical treatments in image-guided radiation therapy. Clinical practice is scaled down to the small animal by reducing beam dimensions (from cm to mm) and energy (from MeV to keV). Millimeter medium energy beams (<300keV) are used to treat animals. This scaling induces higher constraints than in clinical practice especially for absorbed dose calculation in animals. Due to the beam dimensions and the medium energy range, clinical dose calculation methods are not easily applicable to the preclinical practice. Monte Carlo methods are needed. To this aim, a Monte Carlo model of the XRAD225Cx preclinical irradiator has been developed with the GATE (Geant4) framework. This model was validated by comparing simulation results against measurements and results obtained with a reference Monte Carlo code in external beam radiation therapy, EGSnrc. A specific issue has been highlighted: the significant dosimetric impact of tissue segmentation in the animal CT images. Indeed, at medium energy range, thresholding based on electronic density cannot accurately take into account the heterogeneities. Materials should be defined using both the tissue elemental composition and the mass density. An original segmentation method has been developed to obtain realistic dose distributions in small animals. Finally, our Monte Carlo platform has been successfully used for several radiobiological studies with mice and rats.