Mesure de la dose physique par lms radiochromiques et simulation Monte Carlo pour l'hadronthérapie, Dose measurement using radiochromic lms and Monte Carlo simulation for hadrontherapy

Mohamad Nabil Zahra

Description

Sous la direction de Philippe Lautesse, David Sarrut
Thèse soutenue le 25 juin 2010: Lyon 1
En raison des forts gradients de dose générés par les interactions des particules avec la matière, les traitements par hadronthérapie nécessitent un contrôle très précis de la dose délivrée au patient. Les codes Monte Carlo représentent des outils indispensables dans la validation des systèmes de planification de traitement utilisé en clinique. Nous nous intéressons dans cette thèse au calcul de la dose physique à l'aide des simulations Monte Carlo Geant4/Gate. Nous étudions l'ajustement de plusieurs paramètres qui peuvent influencer la précision du calcul de dose requise en clinique (2%, 2mm) pour un faisceau d'ions carbone de 300 MeV/u dans l'eau. Ces paramètres sont : le seuil de production des particules secondaires et la taille maximale d'un segment de la trace de particule. Les critères de tolérance sur la valeur et la localisation de la dose sont fixés de manière à avoir le meilleur compromis en termes de distribution spatiale et de temps de calcul. Nous proposons ici des paramètres permettant d'atteindre ces critères de précision. Dans la deuxième partie du travail, nous étudions la réponse des films radiochromiques MDv2-55 pour le contrôle qualité des faisceaux d'ions carbone et protons. Nous avons en particulier observé et étudié l'effet de saturation de ces films dosimétriques pour les irradiations à TEL élevés (≥ 20 KeV/µm) dans des milieux homogènes et hétérogènes. Cet effet est dû à la forte densité d'ionisation autour de la trace de particule. Nous avons proposé et développé un modèle appelé « RADIS RAdiochromic films Dosimetry for Ions using Simulations » qui permet de prédire la réponse de ces films avec la prise en compte de cet effet de saturation. Ce modèle est basé sur la réponse des films en photons et la saturation des films à des dépôts d'énergies linéïques élevés calculée par Monte Carlo. Plusieurs types de faisceaux ont été étudiés : ions carbone, protons et photons à différentes énergies. Ces expérimentations ont été menées au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), au Centre de protonthérapie d'Orsay (CPO), au Centre A. Lacassagne (CAL) et au Centre Léon Bérard (CLB). A l'aide du modèle, nous pouvons ainsi reproduire la densité optique des films le long du profil de Bragg pour tous les faisceaux avec une précision meilleure que 2%.
-Hadronthérapie
-Simulations Monte Carlo
-Gate/Geant4
-Dosimétrie films radiochromiques
-Dépôt d'énergie linéïque
Because of the increase in dose at the end of the range of ions, dose delivery during patient treatment with hadrontherapy should be controlled with high precision. Monte Carlo codes are now considered mandatory for validation of clinical treatment planing and as a new tool for dosimetry of ion beams. In this work, we aimed to calculate the absorbed dose using Monte Carlo simulation Geant4/Gate. The ejffect on the dose calculation accuracy of dierent Geant4 parameters has been studied for mono-energetic carbon ion beams of 300 MeV/u in water. The parameters are : the production threshold of secandary particules and the maximum step limiter of the particle track. Tolerated criterion were choosen to meet the precision required in radiotherapy (2%, 2mm) and to obtain the best compromise on dose distribution and computational time.We propose here the values of parameters in order to satisfy the precision required. In the second part of this work, we will study the response of radiochromic lms MD-v2-55 for quality control in proton and carbon ion beams. We have particularly observed and studie the quenching effect of dosimetric lms for high LET (20 KeV/m) irradiations in homogeneous and heterogeneous medium. This eject is due to the high ionization density around the track of the particule. We have developped a method to predict the response of radiochromic lms taking into account the saturation effect. This model is called the RADIS model forRAdiochromic films. Dosimetry for Ions using Simulations. It is based on the response of lms under photon irradiations and the saturation of lms due to high linear energy deposit calculated by Monte Carlo. Four beams were used in this study and aimed to validate the model for hadrontherapy applications : carbon ions, protons and photons at different energies. Experiments were performed at Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Proton therpay center of Orsay (CPO), A. Lacassagne proton center (CAL) and Leon Berard cancer center (CLB). The model showed very good agreement between the measured and calculated optical density with an error less than 2%.
-Hadrontherapy
-Monte Carlo Gate/Geant4 simulation
-Dosimetry
-Radiochromic films
-Linear Energy Deposit
Source: http://www.theses.fr/2010LYO10088/document

Sujets

• Hadronthérapie

Informations

• Publié par: Thesee
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• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 10 Mo

Extrait

Numero d’ordre :88-2010 Annee 2010
THESE DE L’UNIVERSITE DE LYON
Delivree par
L’UNIVERSITE CLAUDE BERNARD LYON 1
ECOLE DOCTORALE : PHAST
DIPLOME DE DOCTORAT
(arr^ete du 7 aou^t 2006)
soutenue publiquement le 25 Juin 2010
par
M. Nabil Zahra
Mesure de la dose physique par lms radiochromiques
et simulation Monte Carlo pour l’hadrontherapie
Directeurs de these :
Philippe Lautesse Ma^ tre de conferences des universites (MCU)
David Sarrut Charge de recherche CNRS (CR)
Jury :
Joel Herault Physicien medical, Centre A. Lacassagne Nice Rapporteur
Daniel Sillou Directeur de recherche, LAPP Annecy Rapporteur
Jean-Louis Habrand Professeur, Institut Curie Paris Examinateur
Jean Colin Professeur, LPC Caen-Universite de Caen-Basse Normandie Examinateur
Bernard Ille Directeur de recherche, IPNL Lyon Examinateur
tel-00520876, version 2 - Resume
En raison des forts gradients de dose generes par les interactions des particules avec la
matiere, les traitements par hadrontherapie necessitent un control^ e tres precis de la dose
delivree au patient. Les codes Monte Carlo representent des outils indispensables dans la
validation des systemes de plani cation de traitement utilises en clinique.
Nous nous interessons dans cette these au calcul de la dose physique a l’aide des si-
mulations Monte Carlo Geant4/Gate. Nous etudions l’ajustement de plusieurs parametres
qui peuvent in uencer le calcul de dose dont la precision requise pour l’activite clinique en
valeur et localisation de la dose est de 2% et 2mm, pour un faisceau d’ions carbone de 300
MeV/u dans l’eau. Ces parametres sont : le seuil de production des particules secondaires
et la taille maximale d’un segment de la trace d’une particule. Les criteres de tolerance sur
la valeur et la localisation de la dose sont xes de maniere a avoir le meilleur compromis
en terme de distribution spatiale et de temps de calcul. Nous proposons ici des parametres
permettant d’atteindre ces criteres de precision.
Dans la deuxieme partie du travail, nous etudions la reponse des lms radiochromiques
MD-v2-55 pour le contr^ole qualite des faisceaux d’ions carbone et protons. Nous avons
en particulier observe et etudie l’e et de saturation de ces lms dosimetriques pour les
irradiations a TEL eleves (20 keV/m) dans des milieux homogenes et heterogenes. Cet
e et est du^ a la forte densite d’ionisation autour de la trace de particule. Nous avons pro-
pose et developpe un modele appele RADIS\RAdiochromic lms Dosimetry for Ions using
Simulations" qui permet de predire la reponse de ces lms avec la prise en compte de cet
e et de saturation. Ce modele est base sur la reponse des lms en photons et la saturation
des lms a des dep^ ots d’energies lineques eleves calcules par Monte Carlo. Plusieurs types
de faisceaux ont ete etudies : ions carbone, protons et photons a dierentes energies. Ces
experimentations ont ete menees au Grand Accelerateur National d’Ions Lourds (GANIL),
au Centre de protontherapie d’Orsay (CPO), au Centre Antoine Lacassagne (CAL) et au
Centre Leon Berard (CLB). A l’aide du modele, nous pouvons ainsi reproduire la densite
optique des lms le long du pro l de Bragg pour tous les faisceaux avec une precision
meilleure que 2%.
Mots cles : Hadrontherapie, Simulations Monte Carlo, Gate/Geant4, Dosimetrie, Films
radiochromiques, Depot^ d’energie lineque.
tel-00520876, version 2 - 3
Abstract
Because of the increase in dose at the end of the range of ions, dose delivery during
patient treatment with hadrontherapy should be controlled with high precision. Monte
Carlo codes are now considered mandatory for validation of clinical treatment planning
and as a new tool for dosimetry of ion beams.
In this work, we aimed to calculate the absorbed dose using Monte Carlo simulation
Geant4/Gate. The e ect on the dose calculation accuracy of di erent Geant4 parameters
has been studied for mono-energetic carbon ion beams of 300 MeV/u in water. The pa-
rameters are : the production threshold of secondary particules and the maximum step
limiter of the particle track. Tolerated criterion were chosen to meet the precision requi-
red in radiotherapy in term of value and dose localisation (2%, 2mm respectively) and
to obtain the best compromise on dose distribution and computational time. We propose
here the values of parameters in order to satisfy the precision required.
In the second part of this work, we study the response of radiochromic lms MD-v2-55
for quality control in proton and carbon ion beams. We have particularly observed and
studied the quenching e ect of dosimetric lms for high LET ( 20 keV/m) irradiation in
homogeneous and heterogeneous media. This e ect is due to the high ionization density
around the track of the particle. We have developed a method to predict the response
of radiochromic lms taking into account the saturation e ect. This model is called the
RADIS model for \RAdiochromic lms Dosimetry for Ions using Simulations". It is based
on the response of