Étude de dosimétrie dans des tumeurs chez la souris et chez l’humain, et conception et réalisation d’une interface graphique pour le calcul de la dose absorbée et des interactions des particules

Abstract

Dans le traitement du cancer par la radiothérapie, des images tomographiques (3D) du patient sont d'abord obtenues avec un scanner de rayons X afin de localiser non seulement la tumeur à traiter, mais aussi les autres tissus sur la trajectoire des faisceaux de rayonnement ciblant la tumeur. Ces images servent aussi aux calculs préalables de la distribution de dose autour de la tumeur, et pour l'évitement de certains organes sensibles. Il existe plusieurs programmes informatiques qui permettent l'analyse et le suivi des particules et le calcul des dépôts de dose dans les tissus. Parmi ceux-ci, on trouve l’outil de simulation Monte Carlo GEANT4 (Geometry and Tracking). Par la variété de ses puissants modèles physiques et son architecture en C++, GEANT4 est un outil flexible capable de s’adapter aux simulations physiques. La contrepartie de son potentiel de calcul est sa difficulté de prise en main par des chercheurs désireux de résultats fiables sans se soucier des détails d’implémentation. C’est pourquoi, le besoin est pertinent d'avoir une interface graphique conviviale et intuitive capable de paramétrer une simulation physique. L'interface que nous avons réalisée, G4DARI (GEANT4 Dose And Radiation Interaction), est un outil convivial et flexible pour l'utilisateur, même non familier avec la programmation. L'utilisateur peut spécifier le type de rayonnement à simuler (photon, électron ou autres), définir la position, la géométrie et la constitution de la cible, ou bien en désignant comme cible une image TDM 3D d'un petit animal ou d'un humain sous format DICOM. Toutes les étapes des interactions des rayonnements directement et indirectement ionisants et de toutes les particules secondaires produites pendant la simulation sont enregistrées dans un fichier, et peuvent être par la suite analysées. G4DARI produit aussi des matrices 3D de la dose absorbée, de l'énergie déposée et des différents types d'interactions toutes sous format d'images DICOM.

Abstract: In the treatment of cancer by radiotherapy, tomographic (3D) images of the patient are first obtained with X-ray computed tomography (CT) in order to locate not only the tumor to be treated, but also the other tissues in the trajectory of the radiation beams targeting the tumor. These images are also used for preliminary calculations of the dose distribution around the tumor, and for the avoidance of certain sensitive organs. There are several computer programs which allow the analysis and monitoring of particles and the calculation of dose deposition in tissues. Among them, we found the Monte Carlo simulation tool GEANT4 (Geometry and Tracking). By the variety of its powerful physical models and its architecture in C++, GEANT4 is a flexible tool able to adapt to physical simulations. The counterpart to its computational potential is its difficulty to be exploited by researchers who want reliable results without worrying about the details of implementation. This is why it is pertinent to have a user-friendly and intuitive graphical interface capable of easily providing physical simulations. The interface we developed, G4DARI (GEANT4 Dose And Radiation Interaction), is a user-friendly and a flexible tool for the user, even with no knowledge in computer programming. The user can specify the type of radiation (photon, electron or others), define the position, geometry and constitution of the target, which can be made from any pure or composite material to be specified by its molecular formulas or by designating as a target a 3D CT image of a mouse or a human in DICOM format. All the steps of the interactions of the particles and all the secondary particles produced during the simulation are saved in files and can be subsequently analyzed. G4DARI also produces 3D matrices of absorbed dose, deposited energy and different types of interactions all in DICOM image format. Simulations of dosimetry in a digital mouse, in a human with prostate cancer and having a hip metallic implant, and in a human with brain cancer were also performed.