Dosimétrie en radiothérapie et curiethérapie par simulation Monte-Carlo GATE sur grille informatique

N° d'ordre : DU 1771, EDSF : 542Accurate radiotherapy treatment requires the delivery of a precise dose to the tumour volume and a good knowledge of the dose deposit to the neighbouring zones. Computation of the treatments is usually carried out by a Treatment Planning System (TPS) which needs to be precise and fast. The GATE platform for Monte-Carlo simulation based on GEANT4 is an emerging tool for nuclear medicine application that provides functionalities for fast and reliable dosimetric calculations. In this thesis, we studied in parallel a validation of the GATE platform for the modelling of electrons and photons low energy sources and the optimized use of grid infrastructures to reduce simulations computing time. GATE was validated for the dose calculation of point kernels for mono-energetic electrons and compared with the results of other Monte-Carlo studies. A detailed study was made on the energy deposit during electrons transport in GEANT4. In order to validate GATE for very low energy photons ( < 35 keV), three models of radioactive sources used in Brachytherapy and containing iodine 125 (2301 of Best Medical International; Symmetra of UroMed/Bebig and 6711 of Amersham) were simulated. Our results were analyzed according to the recommendations of task group N°43 of American Association of Physicists in Medicine (AAPM). They show a good agreement between GATE, the reference studies and AAPM recommended values. The use of Monte-Carlo simulations for a better definition of the dose deposited in the tumour volumes requires long computing time. In order to reduce it, we exploited EGEE grid infrastructure where simulations are distributed using innovative technologies taking into account the grid status. Time necessary for the computing of a radiotherapy planning simulation using electrons was reduced by a factor 30. A Web platform based on GENIUS portal was developed to make easily available all the methods to submit and manage GATE jobs on the grid as well as to handle the medical data (patient information, images CT, IRM...). The final aim is to make GATE a tool reliable for clinical treatment planning for radiotherapy with a computing of less than 12 hours.Les traitements de radiothérapie nécessitent la délivrance d'une dose précise au niveau de la tumeur et une bonne connaissance de la dose dans les zones avoisinantes. Ce calcul, habituellement réalisé par les TPS, exige des outils précis et rapides. La plate-forme de simulation Monte-Carlo GATE, basée sur le code GEANT4, offre un outil performant pour les applications de la médecine nucléaire mais aussi des fonctionnalités permettant de faire des calculs dosimétriques de façon fiable et rapide. Dans cette thèse, deux études ont été menées en parallèle: la validation de la plate-forme GATE pour la modélisation de sources d'électrons et de photons de basse énergie et l'exploitation optimisée des infrastructures de grille informatique pour réduire les temps de calculs des simulations. GATE a été validé pour le calcul de points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et comparé avec les résultats d'autres études Monte-Carlo. Une étude détaillée a été faite sur la gestion du dépôt d'énergie au cours du transport des électrons dans GEANT4. Nous nous sommes intéressés aussi à la validation de GATE concernant le dépôt de dose de photons de très basse énergie ( < 35 keV). Pour cela, trois modèles de sources radioactives utilisés en curiethérapie et contenant de l'iode 125 (modèle 2301 de Best Medical International ; Symmetra de UroMed/Bebig et 6711 d'Amersham) ont été simulés. Plusieurs caractéristiques dosimétriques ont été étudiées selon les recommandations du groupe de travail N°43 de l'AAPM (American Association of Physicists in Medecine). Les résultats obtenus montrent une bonne concordance entre GATE et les études prises comme référence et recommandées par l'AAPM. L'utilisation de simulations Monte-Carlo dans les applications médicales pour une meilleure définition de la dose déposée dans un volume tumoral, nécessite des temps de calculs longs. Afin de réduire ces temps, nous avons exploité l'infrastructure de la grille EGEE sur laquelle nos simulations sont distribuées en utilisant des techniques novatrices pour la prise en compte de l'état de la grille de calcul. Les temps nécessaires pour la simulation d'une radiothérapie utilisant des électrons ont été réduits jusqu'à un facteur 30. Une plate-forme web basée sur le portail GENIUS a été développée pour rendre accessible de façon simple toutes les modalités de soumission et de gestion des simulations ainsi que la gestion de données médicales (informations sur les patients, images CT, IRM...) sur les ressources de la grille. L'objectif final visé est de faire de GATE un outil fiable et utilisé en clinique pour des planifications de traitements de radiothérapie avec des temps de calculs acceptables (pas plus de 12 heures de calcul)