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Leste , Jérémy. Mise en œuvre et apports cliniques d'un modèle Monte-Carlo d'un accélérateur linéaire de radiothérapie externe

Leste , Jérémy (2020). Mise en œuvre et apports cliniques d'un modèle Monte-Carlo d'un accélérateur linéaire de radiothérapie externe.

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Résumé en francais

La validation des traitements de radiothérapie repose sur le calcul de la dose absorbée. Les algorithmes utilisés en routine clinique sont rapides mais limités dans certains cas. Dans ces situations, le calcul Monte-Carlo (MC) reste la référence. Cependant, celui-ci est complexe à mettre en place, et nécessite d'importantes ressources de calcul. Dans ce contexte, ces travaux de thèse ont consisté à élaborer une solution de double calcul MC applicable sur des cas cliniques, et à en étudier les apports. Pour ce faire nous avons développé un package nommé GAMMORA (GAte Monte carlo MOdel for RAdiotherapy). Il comprend la modélisation MC du TrueBeam (Varian) implémenté sur la plateforme GATE, ainsi qu'un script Python permettant de générer automatiquement les macros des simulations pour tous les types de traitements (électrons, VMAT, SRS, SBRT, VMAT-SBRT) à partir des données DICOM du patient. Le modèle étant déjà validé pour des applications simples de faisceaux de photons (X-RTE), nous l'avons complété en y intégrant la modélisation des faisceaux d'électrons (e-RTE) et celles de cas cliniques complexes. En parallélisant les simulations sur le mésocentre de calcul CALMIP, nous atteignons des temps de calcul raisonnables avec une incertitude statistique toujours inférieure à 2% dans les zones d'intérêts (de 10 min pour l'e-RTE à 3 h pour l'X-RTE). Pour éviter l'utilisation de fichiers d'espaces des phases (PHSP) volumineux, nous avons créé et validé un générateur de particules à partir d'un apprentissage profond (GAN) basé sur les PHSP constructeur. Pour l'e-RTE, les applicateurs ont été modélisés pour des champs simples et complexes. Les simulations ont été validées en les comparant aux mesures de référence faites dans l'eau pour les énergies 6, 9, 12, et 18 MeV. Nous avons également comparé les performances de GAMMORA et l'algorithme clinique eMC à des mesures (films radiochromiques) pour un fantôme complexe avec hétérogénéité (os et poumon) ou irrégularité de surface. Les résultats de GAMMORA étaient supérieurs ou équivalents à ceux d'eMC dans presque toutes les configurations. L'étude de cas cliniques a aussi montré des écarts de distributions de dose importants entre les deux algorithmes (particulièrement dans les régions de hautes densités). Une étude de l'effet interplay (IE) a ensuite été réalisée. Tout d'abord, des mesures ont été réalisées à l'aide d'un fantôme de contrôle qualité (Octavius 4D) placé sur une plateforme de mouvement 3D programmable. Il s'agissait d'abord d'évaluer qualitativement l'IE pour quelques configurations. Ensuite, ces dernières ainsi que 300 autres ont été simulées à l'aide de GAMMORA pour étudier l'IE de façon extensive en modifiant différents paramètres physiques (période, amplitude et forme du mouvement, dose par fraction ou marges de sécurité). Une méthodologie adaptée nous a permis d'isoler l'IE du blurring. Les résultats ont montré que l'IE seul induisait des écarts statistiquement significatifs entre la distribution de dose prévisionnelle et celle délivrée. Le nombre de cycles respiratoires et l'amplitude antéro-postérieure du mouvement sont les paramètres clés pour l'IE. Au moins 20 cycles respiratoires doivent être effectués pendant un traitement pour réduire l'IE à moins de 2%. Par ailleurs, le gating respiratoire ne semble pas réduire significativement l'IE. Enfin, près de 40 cas de stéréotaxie extra-crânienne ont été simulés avec GAMMORA. Le modèle a tout d'abord été validé par comparaison aux mesures de contrôle qualité faites en milieu homogène (eau) avec l'Octavius 4D. Ensuite, les distributions de dose dans le patient ont été comparées à celles de l'algorithme clinique (AAA). Les résultats montrent que AAA surestime la dose absorbée par rapport à GAMMORA. La couverture des volumes cibles (D98%) est surestimée en moyenne de +18,4% pour les SBRT pulmonaires (13 faisceaux), +6,3% pour les SBRT osseuses (15) et +7,2% pour les SBRT hépatiques (9). L'impact des paramètres de simulation et le mode de report de la dose (Dm ou Dw) ont également été analysés et discutés pour ces cas cliniques.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Simon, Luc
Franceries, Xavier
Ecole doctorale:Génie électrique, électronique, télécommunications (GEET)
laboratoire/Unité de recherche :Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse (CRCT), UMR 1037
Mots-clés libres :Monte-Carlo - Radiothérapie externe - Faisceaux d'électrons - Effet interplay - Stéréotaxie extra-crânienne - GATE - GAMMORA
Sujets :Physique
Déposé le :16 Apr 2021 09:22