Problématique de l irradiation α suite à une contamination. interne: calculs des doses à l échelle cellulaire

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1 Problématique de l irradiation α suite à une contamination interne: calculs des doses à l échelle cellulaire M. Elbast 1, F. Petitot 2, A. Saudo 1, V. Holler 3, A. Desbrée 1 1 DRPH/ SDI/ LEDI BP Fontenay aux Roses Cedex 2 DRPH/ SRBE/ LRTOX Site de Tricastin-BP , Pierrelatte Cedex 3 DRPH/ SRBE/ LRTE BP Fontenay aux Roses Cedex

2 1. Problématique 2. Objectifs 3. Résultats Validation des codes de calcul Geant4 pour la microdosimétrie Comparaison MCNPX / Geant4 pour des géométries simples et voxélisées Création du fantôme 3D à partir des images optiques ou confocales 4. Conclusion 5. Perspectives 8 ème SFRP Juin Tours 2/18

3 Problématique CIPR: Travailleurs exposés Les voies de contamination en dosimétrie interne (Inhalation, Ingestion, Passage percutané), Manque des données concernant l incorporation suite à une plaie contaminée, Une distribution homogène de l U au niveau du rein, Etudes antérieures 8 ème SFRP Juin Tours 3/18

4 Rappels Eα = 4.2 MeV Approche microdosimétrique 8 ème SFRP Juin Tours 4/18 Gy

5 Objectifs Modèle microdosimétrique d irradiation alpha au niveau cellulaire du rein prenant en compte les paramètres histologiques et cinétiques de l uranium: Validation des codes de calcul Monte Carlo pour la microdosimétrie Reconstruction réaliste en 3D du rein à partir des coupes histologiques (fantôme voxélisé), Calcul de dose à l échelle cellulaire 8 ème SFRP Juin Tours 5/18

6 f1(z)/dz (1/Gy) Validation des codes de calcul Geant4 pour la microdosimétrie Comparaison avec des résultats déjà publiés pour différentes géométries et énergies, Exp: Source-cible confondu, sphère de rayon 5 µm, E=8,78 MeV Littératures Codes de calcul utilisé MCNPX Geant4 Probabilité de dépôt lors d un impact ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 Energie spécifique (Gy) MCNPX Geant4 Stinchcomb et al.* <z 1 > (Gy) 0,0724 0,0713 0,0684 Ecart avec Stinchcomb (%) 5,5 4 - * Stinchcomb T. G., Roeske J.C. (1999). Values of S, <z1>, and <z2> for dosimetry using alpha-particle emitters. Med. Phys. 26 (9) ème SFRP Juin Tours 6/18

7 Comparaison MCNPX / Geant4 Géométries voxélisées Voxélisation La méthode est-elle toujours valable? Etude de la taille des voxels Géométrie étudiée: A= 9 µm; R= 20 µm E α = 4,2 MeV. R Volume d où sont émis les alphas Carré voxelisé A 8 ème SFRP Juin Tours 7/18

8 f1(z) Problématique Objectifs Résultats Conclusion Perspectives Résultats obtenus avec MCNPX MCNPX_carre_simple MCNPX_carre_simple MCNPX_carre_simple MCNPX_carre_vox_1 MCNPX_carre_vox_1 µm µm µm MCNPX_carre_vox_0,9 µm MCNPX_carre_vox_0,5 µm MCNPX_carre_vox_0,9 µm ,00 0,00 0,10 0,10 0,20 0,20 0,30 0,30 0,40 0,40 0,50 0,50 0,60 0,60 Energie spécifique (Gy) Energie spécifique (Gy) Avec MCNPX, les courbes obtenues pour des voxels de moins de 1 µm de côté sont différentes de celle d un carré simple 8 ème SFRP Juin Tours 8/18

9 f1(z) Problématique Objectifs Résultats Conclusion Perspectives Résultats obtenus avec Geant4 3 2,5 Geant4_carre_simple Geant4_carre_simple Geant4_carre_simple Geant4_carre_vox_0,5µm Geant4_carre_vox_0,5µm Geant4_carre_vox_0,1µm Geant4_carre_vox_0,05µm Geant4_carre_vox_0,1µm 2 1,5 1 0,5 0,5 0 0,00 0,00 0,12 0,12 0,24 0,24 0,36 0,36 0,48 0,48 0,60 0,60 0,72 0,72 0,84 0,84 0,96 0,96 1,08 1,08 1,20 1,20 z1 (Gy) Avec GEANT4, les courbes obtenues restent identiques à celle d un carré simple pour des voxels allant de 1 à 0,05 µm de côté 8 ème SFRP Juin Tours 9/18

10 f1(z) Problématique Objectifs Résultats Conclusion Perspectives 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 Résultats obtenus avec Geant4 Distribution cytoplasmique de l U: noyau sphérique Geant4_sphere_simple Geant4_sphere_simple Geant4_sphere_simple Geant4_sphere_vox_1 µm Geant4_sphere_vox_1 µm Geant4_sphere_vox_1 µm Geant4_sphere_vox_0,5 µm Geant4_sphere_vox_0,5 µm Geant4_sphere_vox_0,2 µm Geant4_sphere_vox_0,2 Geant4_sphere_vox_0,1 µm 1 0,5 0 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 Energie spécifique (Gy) Geant4 simple vox_1µm vox_0,5µm vox_0,2µm vox_0,1µm <z 1 > (Gy) 0,218 0,191 0,212 0,214 0,22 Ecart - 12,40% 2,80% 1,90% 1% 8 ème SFRP Juin Tours 10/18

11 Création du fantôme 3D: Imagerie optique Reconstitution à l aide du logiciel «Histolab» d une image optique à partir de 4 images réalisées avec un objx20 avec une résolution de 0.4 µm/pixel Sélection de la même région d intérêt sur une série de 10 coupes histologiques transversales sériées, Une segmentation des régions d intérêt: cellules, noyaux, par ImageJ 8 ème SFRP Juin Tours 11/18

12 Création du fantôme 3D: Imagerie optique Cytoplasmes Noyaux Segmentation par ImageJ (seuillage) Superposition en pseudo couleurs des images par ImageJ cytoplasme noyau milieu externe 8 ème SFRP Juin Tours 12/18

13 Création du fantôme 3D: Imagerie optique Reconstruction de l image histologique 2D Plusieurs coupes sériées, données utiles: Taille de pixels, Epaisseur de la coupe, Coordonnées des noyaux, Image optique Superposition par ImageJ Geant4 8 ème SFRP Juin Tours 13/18

14 Création du fantôme 3D: Imagerie optique Création d un fantôme voxélisé 3D Une série de 10 coupes sériées Un pixel de (0,4 x 0,4 ) µm 2 Une coupe de 5 µm d épaisseur Un point nécessite une amélioration : Discontinuité sur le profil du volume suite à l extrapolation de l image optique surfacique sur l épaisseur de la coupe Microscopie confocale 8 ème SFRP Juin Tours 14/18

15 La microscopie confocale: Améliorations du modèle 3D Balayage laser Déplacement du plan confocal Epaisseur de la coupe 0,4x0,4x0,5 0,4x0,4x5 8 ème SFRP Juin Tours 15/18

16 La microscopie confocale Conditions expérimentales Améliorations du modèle 3D Noyaux cellulaires (Sytox Green), cytoplasmes (Rhodamine Phalloidin), Des coupes de paraffines de 16 µm d épaisseur, 32 plans d acquisitions différentes (dz de 0,5 µm), Un champ de (180x180) µm 2 Geant4 8 ème SFRP Juin Tours 16/18

17 Conclusion 1) Validation des codes de calculs MCNPX et Geant4 pour la microdosimétrie, 2) MCNPX ne permet pas de réaliser des calculs microdosimétriques avec des voxels inférieures à 1 µm, 3) Geant4 est plus adapté pour utiliser des voxels de petites tailles mais le temps de calcul est nettement plus importants par rapport à MCNPX, 4) La microscopie confocale permet une reconstruction plus réaliste du tissu rénal par rapport à la microscopie optique mais la préparation des échantillons est plus complexe 8 ème SFRP Juin Tours 17/18

18 Perspectives Cartographie cellulaire de l uranium au niveau du rein d un rat Calcul microdosimetrique prenant en compte le modèle 3D tissulaire (cellules cibles) et la biodistribution de l uranium (cellules sources) Quantification des effets biologiques au niveau des cellules du rein (γh2ax) Corrélation des effets biologiques aux calculs microdosimetriques 8 ème SFRP Juin Tours 18/18

19 Merci pour votre attention!