Modele entropique pour le calcul de dose en radiothérapie externe et curiethérapie

par Gabriele Birindelli

Thèse de doctorat en Astrophysique, Plasmas, nucléaire

Sous la direction de Vladimir Tikhonchuk et de Jean-Luc Feugeas.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Centre Lasers Intenses et Applications (laboratoire) .


  • Résumé

    Ce travail est dédié au développement et à la validation d'un nouvel algorithme de résolution de l'équation de Boltzmann sur une grille cartésienne pour le transport et le dépôt d'énergie de particules énergétiques et de rayons X dans les tissus humains. Ce modèle basé sur une fermeture entropique fournit un outil mathématique efficace permettant de calculer la dose délivrée avec une précision comparable à celle des codes référents de Monte Carlo (MC) en un temps de calcul fortement réduit et sans exigence de puissance de calcul. Contrairement aux méthodes basées sur une discrétisation angulaire aux ordonnées discrètes de la solution, telles que le modèle développé dans le logiciel Acuros®, le modèle entropique est basé sur l'écriture d'un nombre réduit d'équations aux moments pour les électrons et les photons dont la fermeture est assurée par le H-théorème de Boltzmann. En conservant une bonne précision de calcul, l'algorithme peut simuler différentes techniques de traitement telles que la radiothérapie externe - éventuellement en présence de champ magnétique pour la radiothérapie guidée par IRM - la curiethérapie ou la radiothérapie intra-opératoire. Le modèle a été comparé aux simulations MC en utilisant le code PENELOPE ; il a montré une excellente précision et de bonnes performances pour différents matériaux et structures géométriques. Le protocole de validation mis en place a consisté à simuler les distributions de doses dans des fantômes numériques complexes en termes de géométries (hétérogénéités) et de composition (os, poumons, air, prothèses). Pour la curiethérapie et la radiothérapie externe, des simulations réalistes basées sur des tomographies et utilisant l'espace de phase réel de la source ont été effectuées. Le code est capable de calculer des distributions de dose tridimensionnelles avec des voxels de 1mm x 1mm x 1mm sans incertitudes statistiques en quelques secondes au lieu de plusieurs minutes comme PENELOPE le propose. Dans les applications à la curiethérapie, nous montrons que les distributions de dose diffèrent significativement de celles calculées avec les approximations TG-43, grâce à une prise en compte plus précise des inhomogénéités et des compositions chimiques des matériaux ainsi que des forts gradients de densité. Pour les deux applications, le modèle entropique montre un excellent accord avec les calculs PENELOPE dans le critère de mesure d'erreur gamma-index 1% / 1 mm. Cette thèse de doctorat présente les bases mathématiques et les différentes étapes d'optimisation et de validation du modèle entropique pour la radiothérapie. Les comparaisons avec les simulations MC démontrent une excellente précision et efficacité du modèle. Grâce au temps de calcul considérablement réduit et à sa précision, ce modèle est un candidat prometteur pour devenir un algorithme de calcul de dose en temps réel référent.

  • Titre traduit

    Entropic model for dose calculation in external beam radiotherapy and brachytherapy


  • Résumé

    This work is dedicated to development of a completely new Grid-Based Boltzmann Solver (GBBS) for the transport and energy deposition by energetic particles and x-rays in human tissues. The entropic closure and structured mathematical formulation provide an efficient framework enabling calculations of the delivered dose with an accuracy comparable to Monte Carlo (MC) codes in a strongly reduced computational time and without any special processing power requirement. In contrast to discrete ordinates angular discretization methods, such as Acuros®, the entropic model is based on a reduced number of moment equations for the electrons and photons closed with Boltzmann's H-theorem. Keeping a good accuracy of calculations, the algorithm can simulate different treatment techniques such as the external radiotherapy even in presence of magnetic field (e.g., MRI&-guided radiotherapy), brachytherapy or intra-operative radiation therapy. The model has been compared with the full MC simulations by using the code PENELOPE and showed a good accuracy and performance for different materials and geometric structures. The validation procedure consisted in simulating dose distributions in complex numerical phantoms including a large number of heterogeneity shapes and materials such as bone, lung and air. For both, brachytherapy and external beam radiotherapy, simulations based on CT scans and using the real phase-space of the source, have been performed. The code is capable of calculating three-dimensional dose distributions with 1 mm3 voxels without statistical uncertainties in a few seconds instead of several minutes like PENELOPE. In brachytherapy applications the calculated dose distributions significantly differ from the ones calculated with the TG-43 approximations, thanks to a more accurate account for the material inhomogeneities and strong density gradients. For both applications the entropic model shows an excellent agreement with PENELOPE calculations within the 1%/1mm gamma-index criterion. This Ph. D. thesis presents the mathematical background and different steps of optimization and validation of the entropic model for the radiotherapy applications. Comparisons with the MC simulations demonstrates an excellent accuracy and efficiency of the model. Thanks to the significantly reduced computational time and its accuracy, this model is a promising candidate to become a real-time dose calculation algorithm.