Estimation de la dose biologique en hadronthérapie avec la plateforme de simulation Monte Carlo GATE

Biological dose estimation in hadrontherapy using the GATE Monte Carlo simulation platform

• Auteur / Autrice : Yasmine Ali
• Direction : Étienne Testa, Lydia Maigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique médicale
• Date : Soutenance le 15/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique des 2 Infinis de Lyon
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Juliette Thariat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Étienne Testa, Lydia Maigne, Juliette Thariat, Gérard Baldacchino, Dietmar Georg, Hassan Abdoul-Carime, Jean-Michel Létang, Sophie Chiavassa
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gérard Baldacchino, Dietmar Georg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biochimie physique

Méthode de Monte-Carlo

Systèmes de planification de traitement

Hadronthérapie

Mots clés libres

Hadronthérapie

Monte Carlo

GATE

Dose Biologique

RBE

Hadrontherapy

Monte Carlo,

GATE

Biological dose

EBR

Résumé

Un des challenges en hadronthérapie est l'estimation de la dose biologique. Les systèmes de planification de traitement (TPS) doivent optimiser les faisceaux de traitement en prenant en compte la prédiction de la dose biologique en plus de la prédiction de la dose physique. Pour estimer la dose biologique, des modèles biophysiques ont été développés tels que les modèles mMKM et NanOx. Les paramètres d'entrée de ces modèles peuvent être estimés grâce à des codes de calculs Monte Carlo en structure de trace. Nous utilisons les codes Geant4-DNA et LPCHEM et les comparons pour évaluer leurs différences. Les deux codes peuvent simuler les radiations ionisantes jusqu'à l'eV ainsi que la production d'espèces radiolytiques suite à la radiolyse de l'eau entre la picoseconde et la microseconde. Les modèles biophysiques permettent des calculs de dose complexes à l'échelle du voxel en les couplant à des codes de calcul Monte Carlo. Nous avons développé un outil pour la plateforme de calcul Monte Carlo GATE, le ''Biodose actor'', dans le but d'estimer la dose biologique pour des pics de Bragg étalés issus de lignes cliniques et précliniques, irradiant avec des faisceaux de protons, d'ions hélium et d'ions carbone. Nous avons comparé les codes Geant4-DNA et LPCHEM pout la simulation de spectres nanodosimétriques dans le cœur de trace d’ion et la production d'espèce radiolytiques dans l’eau par des particules chargées (10 MeV protons). Les spectres totaux d’énergie spécifique dans des cibles nanométriques ainsi que les rendements d’espèces radiolytiques pour les deux codes sont en bon accord. En plus de l’implémentation du BioDose actor dans GATE, l’outil a été testé et validé avec des données expérimentales de survie cellulaire obtenues grâce à différents pics de Bragg étalés. Cet outil facilitera les comparaisons et évaluation des diffèrents modèles biophysiques.

One of the current challenges in hadrontherapy is the evaluation of the biological effects due to microscopic pattern of energy deposition of ions. Treatment Planning Systems (TPS) should optimize beam parameters taking into account their predictions through the calculation of the biological dose in addition to the physical dose. To estimate the biological dose, biophysics models have been developed such as the mMKM and NanOx models. Some input parameters of the models are generally estimated with Monte Carlo Track Structure Codes such as Geant4-DNA and LPCHEM codes. Both codes are able to perform the simulation of ion and electron transport in water down to some eV as well as the evaluation of the chemical species generated during water radiolysis between 10-12 and 10-6 s. In this work, we first compared the outcome of LPCHEM and Geant4-DNA in terms of specific energy in nano and micro targets as well as yields of chemical species (input of the biophysical models). Then, we enhanced the GATE Monte Carlo simulation platform by creating a “Biodose actor” in order to estimate the biological dose for different clinical Spread-out Bragg Peaks (SOBP) with hydrogen, helium and carbon ion beams. We performed the first comparison between the LPCHEM and Geant4-DNA codes for the simulation of nanodosimetry spectra in the track core and the production of chemical species yields for water irradiations with charged particles (10 MeV protons). The total specific energy spectra in nanometric targets and the chemical yields predicted by the two codes are in good agreement. Besides the implementation of the BioDose actor in GATE has been tested and validated with comparison against experimental cell survival obtained in several SOBP. This tool paves the way of facilitated benchmarking between different models and evaluation approaches.