Applications des codes Monte Carlo «MCNP» et «PENELOPE» en radiothérapie du cancer.

Applications des codes Monte Carlo «MCNP» et «PENELOPE» en radiothérapie du cancer. E.Franchisseur, B.Serrano, S.Hachem, R.J.Bensadoun, A.Monnier, P.Iacconi, J.Barthe Laboratoire de Physique Electronique des Solides Centre de Recherche sur les Solides et leurs Applications Université de Nice Sophia Antipolis

En collaboration avec : Centre Antoine Lacassagne, Nice Centre hospitalier Général A-Boulloche, Montbéliard DETECS - CEA/Saclay

SOMMAIRE La Radiothérapie Conformationnelle à Modulation d Intensité Validation de la simulation Monte Carlo à l aide de MCNP-X Application à un cas proche de la sphère ORL Simulation à l aide du code PENELOPE Conclusions et perspectives

Nécessité de la modulation d intensité Traitement d un volume cible concave entourant un volume sain 0.25 0.25 0.5 1 0.25 0.5 0.25 0.125 0.25 0.75 0.5 0.75 0.25 0.5 1 0.75 1 0.125 0.25 0.75 0.5 0.75 0.5 0.25 0.5 0.25 0.125 0.25

Les avantages de la RCMI Balistique Optimisation Séquençage Radiothérapie Conformationnelle à Modulation d Intensité Champ d irradiation Fluence obtenue Collimateur multilame conformation précise au volume cible Modulation d intensité gradient de dose important traitement de zones hétérogènes (tête et cou)

Deux codes de calcul Monte Carlo différents MCNP-X Monte Carlo N-Particles PENELOPE PENetration & Energy LOss of Positrons & Electrons in matter e -, e +,X (1 KeV 1 GeV) (1 KeV 100 GeV) e -,, X, e + (100 ev 1 GeV) n, p système de cartes complexe deux langages de programmation programme utilisateur PENDOSES subroutines Fortran Input : particule, énergie, direction géométrie (surfaces quadriques), matériaux tally de dose

Données de simulation et d étude ETUDE chambre d ionisation 130mm 3 Matériel fantôme d eau 56 cm (l) x 60 cm (L) x 44 cm (h) avec déplacement motorisé de la chambre SIMULATION géométrie de la tête de l accélérateur PRIMUS spectre énergétique : SIEMENS gaussien énergie moyenne de 19MeV pour l X25 faisceau uniforme de 2mm

Photons / cm² / particle Validation sur un milieu homogène Comparaison des spectres en énergie 0.020 0.015 MCNPX simulation PENELOPE simulation 0.010 0.005 0.000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Photon energy (MeV))

Relative Dose (%) Relative Dose (%) Validation sur un milieu homogène Etude des profils de dose 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 x 10 cm² field Monte carlo simulation Ionisation chamber 0-10 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Off axis distance 19 MeV rectification de l énergie 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 mauvaise corrélation avec la mesure? 10 x 10 cm² field Monte Carlo simulation Ionisation Chamber 0-10 -9-8 -7-6 -5-4 -3-2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Off axis distance 15 MeV

Relative dose (%) Relative dose (%) Relative Dose (%) Relative dose (%) Relative dose (%) Validation sur un milieu homogène Comparaison à 15MeV pour différents champs 110 110 100 100 90 80 70 2x2 cm² field Monte Carlo simulation Ionisation chamber 90 80 70 10x10 cm² field Monte Carlo Simulation Ionisation chamber 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Depth in water (cm) 110 110 100 100 60 50 40 30 20 10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 100 Depth in water (cm) 20 x 20 cm² field Monte Carlo simulation Ionisation chamber 2 x 2 cm² field Monte Carlo simulation Ionisation chamber 90 80 70 60 90 20x20 cm² field Monte 80 Carlo simulation Ionisation 70 chamber 60 20x2080cm² field Monte Carlo simulation Ionisation chamber 60 50 40 30 50 40 30 40 20 20 20 0 0 5 10 15 20 25 0 30 5 35 1040 1545 20 25 30-15,0-12,5 35-10,040-7,5 45-5,0-2,5 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 Depth in water (cm) Depth in water (cm) Off axis distance

Etude d un milieu hétérogène Approche de la sphère ORL Fantôme hétérogène proche Plaques de matériaux équivalents PLEXIGLASS GRAISSE OS PLEXIGLASS 4 x 1 cm 2 x 1 cm

Etude d un milieu hétérogène Comparaison Monte Carlo-TPS en X6 140,00 120,00 Os 100,00 Plexiglass Graisse Plexiglass 80,00 60,00 OTP CC 40,00 OTP PB Monte ISIS DDCarlo ISIS Monte DDCarlo 20,00 0,00 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00

Etude d un milieu hétérogène Comparaison Monte Carlo-ISIS en X25 140,00 120,00 100,00 Os 80,00 Plexiglass Graisse Plexiglass 60,00 40,00 20,00 0,00 0 2 4 6 8 10 12

Implémentation de méthode d accélération Réduction de variance : Interaction Forcing : Russian Roulette : Splitting : augmentation du taux d une interaction donnée (FP, type d interaction) disparition selon une probabilité donnée (P kill, condition) multiplication du nombre de particules d intérêt (N split, condition) Espace des phases (PSF) : 1 er run 2 ème run particule E, (x,y,z), (U,V,W), plan Z stockage dans le PSF réémission du PSF au dessus de la cible

Résultats sur un milieu homogène Diamètre du faisceau à 15MeV : 2mm, 2.4, 2.8, 4 18000000 20000000 16000000 35000000 16000000 140 120 14000000 30000000 14000000 15000000 12000000 25000000 12000000 100 10000000 10000000 20000000 10000000 8000000 8000000 15000000 6000000 6000000 10000000 5000000 4000000 4000000 80 60 40 5000000 2000000 20 0 0-15 -10-5 0 5 10 15

Conclusions et perspectives Etude réalisée validation des paramètres de l accélérateur rectification de certains problèmes L utilisation des codes Monte Carlo est donc validée! Optimisation (en cours) énergie-taille du faisceau paramètres réduction de variance Etudes et développements PENELOPE MCNP-X résultats milieu hétérogène voxellisation de la cible modélisation du MLC comparaison expérimentale avec gels dosimétriques impact des photoneutrons

Je remercie M.Decossas pour l organisation de ces journées du LARD 2004