MSPT : Motion Simulator for Proton Therapy

MSPT : Simulateur de Mouvement pour la Proton Thérapie

• Auteur / Autrice : Paul Morel
• Direction : Stéphane Vialette
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 17/11/2014
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique de l'Institut Gaspard Monge (1997-2009) - Ligm
• Jury : Président / Présidente : Cyril Nicaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Vialette, Xiaodong Wu, Dongxu Wang, Guillaume Blin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pascal Desbarats, Serge Miguet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dosimétrie chimique

Irradiation

Systèmes de balayage

Protonthérapie

Mots clés libres

Proton thérapie

Photon thérapie

Simulateur

Mouvements intra-Fraction

Décomposition de collimateurs multilames

Proton therapy

Photon therapy

Simulator

Intra-Fraction motion

Multileaf collimator decomposition

Résumé

En proton thérapie, la technique de balayage, permet de traiter efficacement le patient vis à vis de l'irradiation de la tumeur et la protection des tissus sains. Ces bénéfices dosimétriques peuvent cependant être grandement dégradés par les mouvements intra-fraction. Par conséquent, l'étude de méthodes d'atténuation ou d'adaptation est nécessaire. C'est pour cela, que nous avons développé un logiciel ”open-source” de calcul et d'évaluation de dose en 4D, MSPT (Motion Simulator for Proton Therapy), pour la technique de balayage. Son but est de mettre en avant l'impact des mouvements intra-fraction en calculant la répartition de dose dans le patient. En outre, l'utilisation de MSPT nous a permis de mettre au point et de proposer une nouvelle méthode d'atténuation du mouvement basée sur l'ajustement du poids du faisceau quand celui-ci balaye la tumeur. En photon thérapie, un enjeu principal pour les traitements délivrés à l'aide de collimateurs multi-lames (MLC) consiste à trouver un ensemble de configurations du MLC permettant d'irradier correctement la tumeur. L'efficacité d'un tel ensemble se mesure par le total beam-on time et le total setup time. Dans notre étude, nous nous intéressons à la minimisation de ces critères, d'un point de vue algorithmique, pour de nouvelles technologies de MLC: le MLC rotatif et le MLC à double couche. De plus, nous proposons un algorithme d'approximation pour trouver un ensemble de configurations minimisant le total beam-on time pour le MLC rotatif

In proton therapy, the delivery method named spot scanning, can provide a particularly efficient treatment in terms of tumor coverage and healthy tissues protection. The dosimetric benefits of proton therapy may be greatly degraded due to intra-fraction motions. Hence, the study of mitigation or adaptive methods is necessary. For this purpose, we developed an open-source 4D dose computation and evaluation software, MSPT (Motion Simulator for Proton Therapy), for the spot-scanning delivery technique. It aims at highlighting the impact of intra-fraction motions during a treatment delivery by computing the dose distribution in the moving patient. In addition, the use of MSPT allowed us to develop and propose a new motion mitigation strategy based on the adjustment of the beam's weight when the proton beam is scanning across the tumor. In photon therapy, a main concern for deliveries using a multileaf collimator (MLC) relies on finding a series of MLC configurations to deliver properly the treatment. The efficiency of such series is measured by the total beam-on time and the total setup time. In our work, we study the minimization of these efficiency criteria from an algorithmic point of view, for new variants of MLCs: the rotating MLC and the dual-layer MLC. In addition, we propose an approximation algorithm to find a series of configurations that minimizes the total beam-on time for the rotating MLC