Etude et validation clinique d'un modèle aux moments entropique pour le transport de particules énergétiques : application aux faisceaux d'électrons pour la radiothérapie externe

Study and clinical validation of a deterministic moments based algorithm dedicated to the energetic particles transport simulations : application to the electron beams in external radiotherapy

• Auteur / Autrice : Jérôme Caron
• Direction : Jean-Luc Feugeas, Guy Kantor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 07/12/2016
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Kieffer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Feugeas, Guy Kantor, Jean-Claude Kieffer, Loïc de Carlan, Xavier Franceries, Philippe Nicolaï, Vladimir Tikhonchuk, Éric Suraud, Catherine Dejean-Viellard, Régis Ferrand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc de Carlan, Xavier Franceries

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles aux moments entropiques

Modèles aux moments angulaires

Monte-Carlo, Méthode de

Systèmes de planification de traitement

Entropie maximale, Méthode d'

Théorie du transport

Faisceaux électroniques

Radiothérapie

Mots clés libres

Radiothérapie externe

Système de planification de traitement

Modèle aux moments entropique

Algorithmes déterministes

Codes Monte-Carlo

External radiotherapy

Treatment Planning System

Entropic model

Moments based model

Deterministic algorithm

Monte-Carlo code

Résumé

En radiothérapie externe, les simulations des dépôts de dose aux patients sont réalisées sur des systèmesde planification de traitement (SPT) dotés d'algorithmes de calcul qui diffèrent dans leur modélisationdes processus physiques d'interaction des électrons et des photons. Or ces SPT, bien que rapides enclinique, montrent parfois des erreurs significatives aux abords des hétérogénéités du corps humain. Montravail de thèse a consisté à valider le modèle aux moments entropique M1 pour des faisceaux d'électronscliniques. Cet algorithme développé au CELIA dans le cadre de la physique des plasmas repose sur larésolution de l'équation cinétique de transport de Boltzmann linéarisée selon une décomposition auxmoments. M1 nécessite une fermeture du système d'équations basée sur le H-Théorème (maximisationde l'entropie). Les cartographies de dose 1D de faisceaux d'électrons de 9 et 20 MeV issues de M1 ontété comparées à celles issues de codes de référence : macro Monte-Carlo clinique (eMC) et full Monte-Carlo (GEANT-MCNPX) ainsi qu'à des données expérimentales. Les cas tests consistent en des fantômesd'abord homogènes puis de complexité croissante avec insertion d'hétérogéenéités mimant les tissus osseuxet pulmonaire. In fine, le modèle aux moments M1 démontre des propriétés de précision meilleures quecertains algorithmes de type Pencil Beam Kernel encore utilisés cliniquement et proches de celles fourniespar des codes full Monte-Carlo académiques ou macro Monte-Carlo cliniques, même dans les cas testscomplexes retenus. Les performances liées aux temps de calcul de M1 ont été évaluées comme étantmeilleures que celles de codes Monte-Carlo.

In radiotherapy field, dose deposition simulations in patients are performed on Treatment Planning Systems (TPS) equipped with specific algorithms that differ in the way they model the physical interaction processes of electrons and photons. Although those clinical TPS are fast, they show significant discrepancies in the neighbooring of inhomogeneous tissues. My work consisted in validating for clinical electron beams an entropic moments based algorithm called M1. Develelopped in CELIA for warm and dense plasma simulations, M1 relies on the the resolution of the linearized Boltzmann kinetic equation for particles transport according to a moments decomposition. M1 equations system requires a closure based on H-Theorem (entropy maximisation). M1 dose deposition maps of 9 and 20 MeV electron beams simulations were compared to those extracted from reference codes simulations : clinical macro Monte-Carlo (eMC) and full Monte-carlo (GEANT4-MCNPX) codes and from experimental data as well. The different test cases consisted in homogeneous et complex inhomogeneous fantoms with bone and lung inserts. We found that M1 model provided a dose deposition accuracy better than some Pencil Beam Kernel algorithm and close of those furnished by clinical macro and academic full Monte-carlo codes, even in the worst inhomogeneous cases. Time calculation performances were also investigated and found better than the Monte-Carlo codes.