Influence de la composition chimique des tissus humains sur les dépôts de dose en hadronthérapie

Influence of the chemical composition of human tissues on dose distributions in hadrontherapy

• Auteur / Autrice : Estelle Batin
• Direction : Daniel Cussol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Constituants élémentaires et physique théorique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Scanographie

Protonthérapie

Monte-Carlo, Méthode de

Hadrons

Mots clés libres

Algorithme de calcul en base

Equivalence eau

Résumé

Les systèmes de planification dosimétrique utilisent pour calculer le dépôt de dose dans l'être humain d'une part une description des tissus basée sur l'imagerie scanographique et d'autre part une description de l'interaction du faisceau reposant sur une équivalence eau des tissus, à laquelle peut s'ajouter un facteur de diffusion. Du fait du type de rayonnement et de l'énergie utilisés en scanographie, les nombres CT doivent être convertis en facteurs d'équivalence eau avant d'être utilisés par le système de planification. Une détermination par simulation GEANT4 du facteur d'équivalence eau en fonction des nombres CT est proposée. Les facteurs de 76 tissus humains ont été déterminés pour un faisceau de protons de 135 MeV et de 12C de 290 MeV/A et comparés à ceux rapportés dans la littérature. Aux erreurs de détermination (<1,5%) s'ajoutent les incertitudes liées à l'acquisition des nombres CT, ces dernières pouvant atteindre 2%. Les facteurs d'équivalence eau ont ensuite été utilisés pour convertir les courbes de transfert d'énergie linéique (TEL) obtenues dans un tissu à celles dans l'eau et inversement. Ces courbes de TEL recalées ont été comparées aux courbes de TEL issues de la simulation. Pour les deux faisceaux, un accord en position inférieur à 0,5 mm est atteint. Des différences selon les tissus apparaissent au niveau de la valeur du TEL maximum. Elles peuvent atteindre 3% pour les tissus osseux et le faisceau de protons et varient entre 1,5% et 3,5% pour le faisceau de 12C, quel que soit le tissu. Une amélioration signi cative des recalages de dose en deux dimensions est obtenue en introduisant un facteur supplémentaire permettant de corriger de la diffusion.

To compute the dose distribution, treatment planning systems require the exact anatomical location of tissues provided by computed tomography (CT) and the exact range of hadron beams in tissues based on the water equivalent ratio (WER). Since CT numbers are determined with x-rays and with an energy different from that used in hadrontherapy, a relation between CT numbers and the WER must to be established. We propose a determination of the WER with a Monte-Carlo simulation (GEANT4). We have determined the WER for 76 human tissues for a 135 MeV proton beam and for a 290 MeV/A carbon beam. The difference between the stoichiometric calibration and the simulated WER is lower than 1%. An additional 2% uncertainty that arises from the uncertainty in the CT numbers measurement should also be considered. The calculated WER were used to convert the water linear energy transfer (LET) curve into the human tissue LET curve for a 135 MeV proton beam and for a 290 MeV/A carbon beam. For both beams, the difference between the rescaled Bragg peak location and the one from the simulated curve is lower than 0,5 mm over the whole range of CT numbers. The differences between the maximum LET values can reach 3% for the proton beam in bones and vary between 1,5% and 3,5% for all tissues for the carbon beam. The scaling in two dimensions can be improved by using an additionnal factor that takes the scattering into account.