Monte Carlo simulation of active scanning proton therapy system with Gate/Geant4 : Towards a better patient dose quality assurance

par Loïc Grevillot

Thèse de doctorat en Physique: Simulation Monte Carlo pour la radiothérapie

Sous la direction de Nicolas Freud et de David Sarrut.

Soutenue le 14-10-2011

à Lyon, INSA , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image et du Son, UMR5515 (Lyon, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Irène Buvat.

Le jury était composé de Nicolas Freud, David Sarrut, Irène Buvat, Harald Paganetti, Frank Verhaegen, Katia Parodi, Jacques Balosso, Damien Bertrand.

Les rapporteurs étaient Harald Paganetti, Frank Verhaegen.

mots clés

• Imagerie médicale
• Radiothérapie
• Protonthérapie
• Traitement cancer
• Calcul de dose
• Simulation Monte Carlo
• Imagerie médicale

Titre traduit

Simulation Monte Carlo d’un système de protonthérapie à balayage actif avec Gate/Geant4 : Vers une meilleure assurance qualité de la dose délivrée au patient

Résumé

L’hadronthérapie est une technique avancée de traitement du cancer par radiothérapie. Elle offre une ballistique d’irradiation bien supérieure à la radiothérapie conventionnelle, mais nécessite également un contrôle qualité plus poussé. Dans ce travail, nous avons implémenté de nouveaux outils dans la plateforme Monte Carlo GATE, afin de pouvoir recalculer des plans de traitements issus d’un Système de Plannification de Traitement (TPS). Tout d’abord, nous avons défini un environnement de simulation permettant de réaliser des calculs précis et éfficaces. Les simulations ont été validées avec des mesures et d’autres codes Monte Carlo, pour des profils de dose en profondeur et transverses. Un bon accord a été obtenu pour les profils de dose en profondeur, mais des écarts plus marqués ont été observés pour les profils transverses. Ensuite, une méthode de modélisation pour des systèmes de traitement à balayage actif de faisceau étroit (PBS) a été proposée. Elle a été appliquée à un système de protonthérapie IBA et validée par comparaison à des mesures pour des champs complexes. Une interface permettant de faire le lien entre GATE et des fichiers DICOM RT ION PLAN et DICOM RT DOSE a également été réalisée. Enfin, nous avons comparé des distributions de dose TPS et Monte Carlo en milieux homogènes et hétérogènes. Les modèles de faisceau implémentés dans ces deux outils dosimétriques ont montré un accord satisfaisant en milieu homogène, mais les limites du TPS ont été mises en évidence dans des milieux hétérogènes. Un plan de prostate composé de deux champs latéraux opposés a été simulé et comparé avec le TPS, démontrant les nouvelles capacités de la plateforme. Dans cette thèse de doctorat, nous avons montré que la plateforme Monte Carlo GATE est un bon candidat pour la simulation de plans de traitements PBS et peut permettre l’évaluation des algorithmes de calcul de dose implémentés dans les TPSs. Cette plateforme supporte également des applications d’imagerie, telles que l’imagerie PET ou gamma-prompt et ouvre la porte à des recherches multidisciplinaires innovantes.

mots clés

• Medical Imaging
• Radiotherapy
• Protontherapy
• Monte Carlo Simulation

Résumé

Hadron Therapy is an advanced radiotherapy technique for cancer treatment. It offers a better irradiation ballistic than conventional techniques and therefore requires appropriate quality assurance procedures. In this work, we upgraded the GEANT4-based GATE Monte Carlo platform in order to recalculate the TPS dose distributions in view of further benchmarking. In a first step, we selected an appropriate simulation environment (physics models and parameters) in order to produce accurate and efficient simulations. GATE simulations were validated using measurements and other Monte Carlo codes for depth-dose and transverse profiles. While a good agreement was found for depth-dose profiles, larger discrepancies were pointed out for transverse profiles. In a second step, we developed a modeling method to simulate active scanning beam delivery systems, which does not require to simulate the components of the treatment nozzle. The method has been successfully applied to an IBA proton therapy system and validated against measurements for complex treatment plans. Interfaces have also been developed in order to link DICOM RT ION PLAN and DICOM RT DOSE with GATE. Finally, we compared in a third step the TPS and Monte Carlo dose distributions in homogeneous and heterogeneous configurations. The beam models of both dose engines were in satisfactory agreement, allowing further evaluation of clinical treatment plans. A two-field prostate plan has been evaluated, showing a satisfactory agreement between the TPS and Monte Carlo, and demonstrating the novel capabilities of the platform for the evaluation of the TPS. To summarize, we selected an appropriate simulation environment for proton therapy, proposed a modeling method for active scanning systems and presented a method to compare the TPS and Monte Carlo dose distributions. All tools developed in GATE were or will be publicly released. A detailed validation stage of the system including absolute dosimetry is still necessary, in order to quantitatively evaluate its accuracy in various homogeneous and heterogeneous configurations. In this thesis, we have demonstrated that the GATE Monte Carlo platform is a good candidate for the simulation of active scanning delivery systems, allowing further TPS benchmarking. Moreover, the GATE platform also handles imaging applications, such as PET or prompt-gamma imaging towards online treatment monitoring and paves the way of interdisciplinary research advances.