ETUDES DOSIMETRIQUES POUR LA CURIETHERAPIE AVEC GATE(MC), OPTIMISATION DES TEMPS DE CALCUL SUR LA GRILLE EGEE

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1 Plateforme de Calcul pour les Sciences du Vivant Prague, ctobre 2006 ETUDES DOSIMETRIQUES POUR LA CURIETHERAPIE AVEC GATE(MC), OPTIMISATION DES TEMPS DE CALCUL SUR LA GRILLE EGEE Cheick O. THIAM LPC-PCSV Clermont Ferrand France Crédits: V. Breton, D.Donnarieix, L. Maigne, B. Habib G A T E 23èmes journées des LARD, Prague Octobre 2006

2 Contenu Simulations MC GATE pour les calculs dosimétriques en radiothérapie/curiethérapie - Etude de l influence de la physique définie dans geant4 sur les résultats - Simulations avec trois versions différentes de GATE (comparaisons) Les électrons : étude de la diffusion multiple Validation de GATE pour les photons de basses énergies - étude de la distribution de doses avec les sources I 125 utilisées en curiethérapie Evolution de GATE sur la grille de calcul EGEE Optimisation des temps de calcul Monte Carlo - déploiements des simulations GATE sur grille de calcul 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

3 Validation de la plate-forme GATE pour une source ponctuelle d électrons GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) Large collaboration: Production de simulations Monte Carlo pour la physique médicale -- SPECT/PET -- Applications aux calculs dosimétriques GATE: a simulation toolkit for PET and SPECT, S. Jan et al, Phys. Med. Biol., 49 (2004) èmes journées des LARD, Prague Octobre

4 Source d électrons mono-énergétiques Premiers résultats et comparaisons 4 MeV 1 MeV Conditions de simulation: j r r E r D r E r E 2 ( / E, ) = 4 πρ (, ) E / dr dr = 0,05 r E Statistique: e- r E = CSDA (Continuous Slowing- Down Approximation) NIST = 2,037 cm pour e - de 4 MeV = 0,4367 cm pour e - de 1 MeV Coupure : 0,0043 mm Package: Standard = 2 kev dans l eau 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

5 Source d électrons mono-énergétiques Influence des coupures et du volume de détection (1) 1 ere simulation (Sphères concentriques) Sphère d eau découpée en couches dr concentriques d épaisseur 0,05 r E 2 e simulation (Grand volume) Sphère d eau homogène Analyse dans ROOT r d r Récupération de l énergie déposée directement dans chacun des volumes sensibles X Analyse dans ROOT Z r dr Y Découpage virtuel en couches concentriques d épaisseur dr = 0,05 r E Trois coupures testées pour les électrons : 10 kev, 6 kev et 2 kev 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

6 Source d électrons mono-énergétiques Influence des coupures et du volume de détection (2) 4 MeV 4 MeV Grand volume Sphères concentriques Variation du dépôt de dose avec la coupure dans le milieu homogène Stabilité des résultats pour la simulation dans les sphères concentriques quelque soit la coupure 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

7 Source d électrons mono-énergétiques Influence du package de physique utilisé dans GEANT4 Modèle standard: 1keV 10 GeV Modèle basse énergie: 250eV 1GeV Différences entre les packages dues à l implémentation des processus d ionisation 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

8 Premières conclusions Influence de la géométrie dans GEANT4 Résultats dans le volume divisé en sphères concentriques = Résultats dans le volume homogène avec la plus petite coupure Influence de l ionisation Ecarts entre les deux packages différents des écarts observés entre les versions de GEANT4 Ecarts observés entre les versions de GEANT4 dus à l implémentation du processus de diffusion multiple Version GEANT4.6.2 la plus proche des autres codes Monte-Carlo 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

9 Source d électrons mono-énergétiques Etude de la diffusion multiple Conditions de simulation: Source électrons E= 4 MeV À 1,273 cm de la couche d eau Couche d eau d épaisseur 1.02 mm dans un milieu en air Coupure: 2 kev dans l eau et 1 kev dans l air Comparaison G4.6 et G4.7 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

10 Source d électrons poly-énergétiques Etude de la diffusion multiple Conditions de simulation: Source électrons: gaussienne FWHM= 3 MeV, énergie moyenne 2 MeV À 1,273 cm de la couche d eau Couche d eau d épaisseur 1.02 mm dans un milieu en air Coupure: 2 kev dans l eau et 1 kev dans l air Comparaison G4.6 et G4.7 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

11 Modélisation des sources I 125 Sources I 125 modélisées avec GATE ( Curiethérapie à bas débit de dose) Modèle Symmetra d UroMed/Bebig : Formalisme du TG-43 de l A.A.P.M. g(r), Λ, F(r,θ) (American Association of Physicists in Medicine) Modèle 2301 de Best Medical International : Couronne de récupération de l énergie déposée Schéma de désintégration I 125 par capture électronique Source 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

12 Paramètres dosimétriques calculés Fonction de dose radiale g(r) = [D(r, π/2)/g(r, π/2)] [D(r, π/2)/g(r, π/2)] 0 0 Permet de tenir compte des effets d absorption et de diffusion dans le milieu situé entre le point de référence et le point de mesure de la dose P(r,θ) Fonction d anisotropie F(r, θ) = [D(r, θ)/g(r, θ)] [D(r, π/2)/g(r, π/2)] Exprime le caractère non ponctuel de la source, traduit les phénomènes d absorption et de diffusion dans le milieu ainsi que l encapsulation de la source Constante de débit de dose Λ =. D(r = 1cm,θ = π/2) 0 0 S K. π S = K air,air (r, )* r² K 2 Débit de dose dans l eau à 1 cm sur l axe de la source pour une unité de «kerma strength» 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

13 Fonction de dose radiale g(r) Fonction de dose radiale g(r) dans l eau liquide avec événements : (a) Modèle 2301 BMI (b) Modèle Symmetra UroMed/Bebig Variations relatives observées: 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

14 Fonction d anisotropie F(r,θ) Fonction d anisotropie dans l eau liquide avec : Modèle 2301 de BMI 20 mm de la source 70 mm de la source Fonction d anisotropie dans l eau liquide avec : Modèle Symmetra de UroMed/Bebig 20 mm de la source 70 mm de la source 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

15 Constante de débit de dose Λ Constante de débit de dose dans l eau liquide : comparaisons a EXPL=1.025 cgy.h-1.u-1(nath and Yue and Meigooni et al.); MCL= 1.01 cgy.h-1.u-1 (Sowards et al.) b EXPL=1.033 cgy.h-1.u-1(patel et al.); MCL= cgy.h-1.u-1 (Hedjärn et al.) Variations relatives observées: 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

16 GATE sur la grille de calcul : Evolution Grille de calcul EGEE: Objectif scientifique : Etablir un service à grande échelle de grille de production - pour accéder à de la puissance de calcul et de données dans le monde - un support pour la science et la technologie - avec de larges collaborations nationales et régionales Objectif scientifique pour GATE: produire des simulations réalistes et précises pour la physique médicale - Le but est d utiliser la grille de calcul pour accélérer les calculs Monte Carlo La grille EGEE courante (Enabling Grids for E-sciencE) : - 71 institutions dans 27 pays fédérer en des grilles régionales - avec des capacités combinés de CPUs et 5PB - groupe de travail Biomed : 69 CE, 5000 CPUs, 120 TB, 76 utilisateurs 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

17 GATE sur la grille de calcul : Evolution GATE installation courante sur la grille EGEE : (GATE-2.2.0/geant4.7.1) CPUs Total =1500, Utilisateurs : 4 au LPC France et 2 en Espagne IFIC Tests datant de MAI 2006 Large impact sur les temps de calcul - Jobs courts: Gain=30 (Dosimétrie ) - Jobs longs: Gain=800 ( Gamma camera) 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

18 Utiliser GATE avec le portail web GENIUS3 GENIUS3 : les services pour biomed et l application GATE : Services existants avec la précédente version du portail GENIUS (Soumission et gestion des travaux GATE sur la grille: - Créer des macros GATE - Faire les fichiers JDL( Job Description Language) pour GATE - Soumission des travaux GATE - Gérer les travaux et voir les résultats Nouveaux services pour la gestion de données - Access aux données, copie et réplication sur la grille (SE) - Gestion des fichiers (Nom Logique de fichier :LFN) Nouveaux services pour la gestion des images médicales - Copie des images médicales - Anonymisation des images - Visualisation GENIUS3 : testes en cours avec le CLCC-CJP centre anticancéreux à Clermont-Ferrand 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

19 GENIUS3 Page web 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

20 GENIUS3: Création de macros GATE 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

21 GENIUS3: Visualisation des images 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

22 GENIUS3: Anonymisation des images 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

23 GENIUS3: Copie sur la grille (SE) 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

24 GATE sur grille de calcul: futurs travaux Besoins réels pour les applications cliniques : Produire des simulations GATE en utilisant des données DICOM RT (DICOM3 + les informations sur le contour de la tumeur) Utilisation des images médicales du PACS dans les calculs dosimétriques PACS : Système de gestion des images médicales utilisées dans les centres anticancéreux et hôpitaux incluant : - source information patient - images sous un même format DICOM3 - stockage et calcul Besoins: - bonne connaissance du système PACS - intégrer le format DICOM RT dans le PACS - accès direct aux images médicales - obtenir le PACS au LPC 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

25 Conclusions GATE est bien validée pour les modèles I 125 «Symmetra» et «2301» (Ecarts relatifs moyens 2 % pour les trois paramètres dosimétriques calculés) La physique des photons de basses énergies ne varie pas d une version de Geant4/GATE à l autre Efforts à faire pour les électrons (Geant4.8.0 à tester) Perspectives : - Valider GATE de façon clinique en simulant un traitement complet de curiethérapie oculaire utilisant les sources I 125 (Comparaison avec le logiciel analytique «Plaque Simulator» utilisé en clinique) - Interfacer le système PACS et la grille: (projets LifeGrid et Auvergrid) - Permettre une utilisation aisée du portail GENIUS3 à l hôpital 23èmes journées des LARD, Prague Octobre

26 MERCI Pour plus d informations d contacts: Equipe PCSV/LPC: Denise DONNARIEIX: Denise.donnarieix@cjp.fr Vincent BRETON: breton@clermont.in2p3.fr Lydia MAIGNE: maigne@clermont.in2p3.fr Cheick 0. THIAM: thiam@clermont.in2p3.fr 23èmes journées des LARD, Prague Octobre