pÔle - nouvel algorithme de haute performance pour la radiothÉrapie … · 2018-02-13 · pour la...
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PÔLE -NOUVEL ALGORITHME DE HAUTE PERFORMANCE
POUR LA RADIOTHÉRAPIE MODERNEJean-Luc Feugeas
LABORATOIRE CELIA - UNIVERSITÉ DE BORDEAUX
6IÈMES JOURNÉES SCIENTIFIQUES FRANCOPHONES DE LA SOCIÉTÉ FRANÇAISE DE RADIOPROTECTIONCODES DE CACUL EN RADIOPROTECTION, RADIOPHYSIQUE ET DOSIMÉTRIE – 1er et 2 février 2018
Contexte – PROGRAMME POPRA
FINANCÉ PAR CEA, CNRS, UBDX, CRNA ET FEDER
POPRA - PROGRAMME OPTIQUE, PHYSIQUE ET RADIOTHÉRAPIE
EN AQUITAINE 5 ANS – 2014-2019
PROGRAMME DE RECHERCHE TRANSVERSAL
ANIMÉ PAR LE PR KANTOR
Multi-laboratoiresMulti-institutionsInstitut Bergonié, CHU, CELIA, CENBG, IMB, LABRI
Multi-disciplinaireoncologie, radiothérapie, radiologie, physique théorique, biologie, physique médicale, mathématiques appliquées, informatique
PROGRAMME DE RECHERCHEMISSION DE VALORISATION
PROGRAMME DE RECHERCHE MENÉ EN RÉGION NOUVELLE AUITAINE DANS LE DOMAINE DE L’ONCOLOGIE
DEPUIS 2008
Contexte – PROJET D’ONCOSPHERE/CRCB EN COURS
CRCB CENTRE DE RECHERCHES EN CANCÉROLOGIE DE BORDEAUX
~1000 CHERCHEURS
ONCOSPHERE RÉGION NOUVELLE AQUITAINEPROJET DE STRUCTURATION DES RECHERCHES EN CANCÉROLOGIE EN RÉGION NOUVELLE AQUITAINE
~100 PERSONNES TRAVAILLENT SUR CE PROJET
¤CRCT
Toulouse
¤CRCM
Marseille
¤Lyon
¤ IRCL
¤Nantes-Angers
¤
¤
¤IRCM
MontpellierCRCB
Bordeaux
Limoges
Poitiers
LaRochelle
Pau
Chercheurs
PlateformesStart-up
Techniciens
Cliniciens
Entrepreneurs
Enseignants
Patients
Mathématiques
Santé publique
Physique
Biologie
Épidémiologie
Informatique
Chimie
Sciences humaines
Modélisation
Imagerie
Laser
NanosciencesRadiothérapie
Étudiants
Radiologie
Contexte – axes de recherche de S&T appliqués à l’oncologie développés au CELIA
S
NOUVELLES SOURCES DE PROTONSPOUR LA RADIOTHERAPIE CRÉÉS PAR LASER ULTRA INTENSEACCELERATION ET TRANSPORTPROJET POPRA
Radiothérapie Interne VectoriséeProduction de radio-isotopes
ProtonthérapieEtudes prospectives pour le développement de nouvelles sources plus compactes et moins chères
NOUVELLES SOURCES XPOUR UNE IMAGERIE PLUS EFFICACEPAR LASERS INTENSESPROJET XPULSE
RadiographieDétection précoce du cancer du sein
NOUVEAUX ALGORITHMES POURLES SYSTÈMES DE PLANIFICATION DE TRAITEMENT POUR LA RADIOTHÉRAPIEPROJET POPRA
Radiothérapie externe, Curiethérapie, Radiothérapie Interne VectoriséeNouveaux enjeux pour les installations modernes
S
NOUVELLES SOURCES DE PROTONSPOUR LA RADIOTHERAPIE CRÉÉS PAR LASER ULTRA INTENSEACCELERATION ET TRANSPORTPROJET POPRA
Radiothérapie Interne VectoriséeProduction de radio-isotopes
ProtonthérapieEtudes prospectives pour le développement de nouvelles sources plus compactes et moins chères
NOUVELLES SOURCES XPOUR UNE IMAGERIE PLUS EFFICACEPAR LASERS INTENSESPROJET XPULSE
RadiographieDétection précoce du cancer du sein
NOUVEAUX ALGORITHMES POURLES SYSTÈMES DE PLANIFICATION DE TRAITEMENT POUR LA RADIOTHÉRAPIEPROJET POPRA
Radiothérapie externe, Curiethérapie, Radiothérapie Interne VectoriséeNouveaux enjeux pour les installations modernes
Contexte – axes de recherche de S&T appliqués à l’oncologie développés au CELIA
Contexte – axes de recherche de S&T appliqués à l’oncologie développés au CELIA
S
NOUVELLES SOURCES DE PROTONSPOUR LA RADIOTHERAPIE CRÉÉS PAR LASER ULTRA INTENSEACCELERATION ET TRANSPORTPROJET POPRA
Radiothérapie Interne VectoriséeProduction de radio-isotopes
ProtonthérapieEtudes prospectives pour le développement de nouvelles sources plus compactes et moins chères
NOUVELLES SOURCES XPOUR UNE IMAGERIE PLUS EFFICACEPAR LASERS INTENSESPROJET XPULSE
RadiographieDétection précoce du cancer du sein
NOUVEAUX ALGORITHMES POURLES SYSTÈMES DE PLANIFICATION DE TRAITEMENT POUR LA RADIOTHÉRAPIEPROJET POPRA
Radiothérapie externe, Curiethérapie, Radiothérapie Interne VectoriséeNouveaux enjeux pour les installations modernes
S
E. d’Humières et al.
Accélération de proton par laser ultra-intense
J. Santos et al.
Lentilles magnétiques
Contexte – axes de recherche de S&T appliqués à l’oncologie développés au CELIA
NOUVELLES SOURCES DE PROTONSPOUR LA RADIOTHERAPIE CRÉÉS PAR LASER ULTRA INTENSEACCELERATION ET TRANSPORTPROJET POPRA
Radiothérapie Interne VectoriséeProduction de radio-isotopes
ProtonthérapieEtudes prospectives pour le développement de nouvelles sources plus compactes et moins chères
Contexte – axes de recherche de S&T appliqués à l’oncologie développés au CELIA
S
NOUVELLES SOURCES DE PROTONSPOUR LA RADIOTHERAPIE CRÉÉS PAR LASER ULTRA INTENSEACCELERATION ET TRANSPORTPROJET POPRA
Radiothérapie Interne VectoriséeProduction de radio-isotopes
ProtonthérapieEtudes prospectives pour le développement de nouvelles sources plus compactes et moins chères
NOUVELLES SOURCES XPOUR UNE IMAGERIE PLUS EFFICACEPAR LASERS INTENSESPROJET XPULSE
RadiographieDétection précoce du cancer du sein
NOUVEAUX ALGORITHMES POURLES SYSTÈMES DE PLANIFICATION DE TRAITEMENT POUR LA RADIOTHÉRAPIEPROJET POPRA
Radiothérapie externe, Curiethérapie, Radiothérapie Interne VectoriséeNouveaux enjeux pour les installations modernes
UN NOUVEAU MODÈLE
Modèles DéterministesEvaluation en cours
Monte-Carlo Rapides Radiothérapie guidée par IRM ?
Méthodes Statistiques (Monte-Carlo) Robustes et référentes Les temps de calcul sont longsInadaptées dans un contexte de traitement
Modèles Ad-hocRobustes et rapidesManque de précision pour des géométries complexesInadaptés pour les besoins modernes (IRM…)
Nouveaux algorithmes rapides et précis pour les Systèmes de Planification de Traitement modernesRadiothérapie externe, Curiethérapie, Radiothérapie Interne Vectorisée
2 - une solution aux normes imposées de « double calcul » - double TPS ou calcul de dose en un point
1 - une alternative aux algorithmes Rapides et/ou Précis existants…
QUEL MODÈLE ?
NOUVEAUX ALGORITHMES, UN ENJEU POUR LA RADIOTHÉRAPIE MODERNE ?
Nouvelles propositions
Ding,G.X.,etal,Int.J.Rad.Onc.Biol.Phys.(2005)
air
bon
water
air
bone bone bonebone
water
spine
NOUVEAUX ALGORITHMES, UN ENJEU POUR LA RADIOTHÉRAPIE MODERNE ?
Depth dose curves for the 6 MV photonbeamscalculations, at 4 cm off-axis on the heterogeneity sideElongated field – 2.8 cm × 13 cmFogliata,A.etal,Phys.Med.Biol.52(2007)
type-a(PBC-ECL,PB-TMSandFFTC-XiO)andtype-b(CC- TMS,CC-PIN,MGS-XiO andAAA-ECL)algorithmsandMC
ECL:VarianEclipse TMS- Nucletron Helax XiO - CMS PIN- PhilipsPinnacle MC- EGSnrc
NOUVEAUX ALGORITHMES, UN ENJEU POUR LA RADIOTHÉRAPIE MODERNE ?
QUEL MODÈLE ?
PROBLÈME : MODÉLISATION DE L’INTERACTION D’UN RAYONNEMENT AVEC LA MATIÈRE (TISSUS, INSERTS, …)
MODÈLE DE RÉFÉRENCE : ÉQUATIONS TRANSPORT LINÉARISÉES DE BOLTZMANN (LBTE)
INCONNUE : FONCTION DE DISTRIBUTION
OBJECTIF : CALCUL DE LA DOSE
Energie
1keV 1MeV
Espace
Angle
OUTIL : ENTROPIE – MESURE DU DÉSORDREH-THÉORÈME DE BOLTZMANN
IRRÉVERSIBILITÉ – FLÈCHE DU TEMPS
QUEL MODÈLE ?
Macroscopique – grandeurs hydrodynamiques Irréversibilité (2e principe de la thermodynamique)
MAISInsuffisante pour décrire des effets cinétiques complexes
PHYSIQUE DES PARTICULES
DEUX ÉCHELLES
Microscopique – particulaire (Newton)Cinétique (boules de billard)
MAISInaccessible à nos sens et aux moyens de calcul modernes
Réversible → perte de la flèche du temps (film)
Mésoscopique – statistique – fonction de distributionH-théorème de Boltzmann (1872)
« Tout système physique abandonné à lui même tend vers un état de désordre maximum autrement appelé "équilibre détaillé" pour lequel chaque événement est exactement compensé par un évènement inverse. »
1 – Le désordre est la règle et l’équilibre c’est le désordre
2 – Irréversibilité - flèche du temps démontrée à partir de considérations cinétiques
L’entropie d’un système abandonné à lui-même croit vers un état d’équilibre
stationnaire (Maxwell) et unique (Boltzmann), d’entropie (de désordre) maximum
QUEL MODÈLE ?
PROBLÈME : MODÉLISATION DE L’INTERACTION D’UN RAYONNEMENT AVEC LA MATIÈRE (TISSUS, INSERTS, …)
MODÈLE DE RÉFÉRENCE : ÉQUATIONS TRANSPORT LINÉARISÉES DE BOLTZMANN (LBTE)
Energie
1keV 1MeV
Espace
AngleQUEL MODÈLE ?
ENTROPIE – MESURE DU DÉSORDRE
H-THÉORÈME DE BOLTZMANN
• Résolution des moments angulairesLBTE résolues sur un espace réduit :
FERMETURE ENTROPIQUE – SIMULATION DU DÉPÔT DE DOSE PLUS RAPIDE ET PLUS PRÉCISE
Méthodes aux Moments Entropiques• Le calcul de la dose repose sur la résolution deséquations de LBTE qui requiert la discrétisation del’espace des phases (énergie, direction) et physique(position) :
Energie
1keV 1MeV
Espace
Propriétés attractives• Fonction de distribution : exponentielle - positive
• Hyperbolicité : méthodes numériques efficaces
• Continuité des équations aux moments : dérivabilitépour résolution du problème inverse
• Toutes les particules sont traitées - photons,positrons, électrons, primaires, diffusées ou secondaire
• Effets physiques supplémentaires (B, …)
• Le système d’équations est fermé en utilisant le principede maximisation d’entropie de Boltzmann (H-Théorème)
MOINS D’INCONNUS → MEILLEUR EFFICACITÉTEMPS DE CALCUL ET ESPACE MÉMOIRE REDUITS
PRÉCISION ?
Angle
Maximisation de l’entropie du système qui résout les deux premiers moments
Radiothérapie externe (électrons, photons, protons)
COMPARAISONSQUALITATIVES– CAS“TRAVERSÉEDEVERTÈBRES”
M1
Ding, G. X., et al, Int. J. Rad. Onc. Biol Phys. (2005) 63:622-633
trachea : air
bone bone bonebone
water
spine
9 MeV, 10×10 cm2
Phantom in the watertank (15x15x4.7 cm3) :- trachea : long cylindricalair hole at 2 mm below thesurface - diameter of 2.6cm- spine : 4 hard bonematerial disks1.4 cm thick - 2.5 cmdiameter - 0.5 cm belowthe trachea - separated0.5 cm edge to edge.
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
Radiothérapie externe (électrons, photons, protons)
COMPARAISONSQUANTITATIVESAVECLECODEPENELOPE(MONTE-CARLO)– CAS“FOGLIATA”
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
MATERIALS AND METHODS – ENTROPIC CLOSURE - ACCURACY
radiothérapie externe curiethérapie
Protocole de validation
Numérique – code à code – simulations Monte-Carlo de référence
Expérimentale - mesure de dépôt de dose dans en cuve
CAS ACADÉMIQUES À LA COMPLEXITÉ CROISSANTE
particles
dose
measures
Reducedmodels
fantômes
KineticsModels
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
Radiothérapie externe (électrons, photons, protons)
half bone
half lung
stick bone
gap bone
head and neck
MCNPx/M1 ION CHAMBER/M12,5 cm
3 cm
4 cm
GAMMA INDEX
94% <1
93% <1
2,5 cm
3 cm
4 cm
2,5 cm
3 cm
4 cm
2,5 cm
3 cm
4 cm
2,5 cm
3 cm
4 cm
80% <1
97% <1
particles
dose
measures
Reducedmodels
fantômes
KineticsModels
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
Radiothérapie externe (électrons, photons, protons)
COMPOSITIONSDESMATÉRIAUX- INSERTSMÉTALLIQUESInsertdeTitane(Z=22)à4,54g/cm3 entre5et6cm
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
INFLUENCESIGNIFICATIVEDELAPRISEENCONSIDÉRATIONDELACOMPOSITIONDUMATÉRIAUSURLEDÉPÔTDEDOSEAUXINTERFACES
Radiothérapie guidée par IRM
�1T �
water air water water air water water air water
eau poumon eau
Ff
MODÉLISATIONDESEFFETSELECTROMAGNETIQUES– FORCEDELORENTZ
INFLUENCESIGNIFICATIVED’UNCHAMPSSURLEDÉPÔTDEDOSEAUXINTERFACES
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
�eau poumon eau
CAMPAGNEEXPÉRIMENTALE– AVRIL2017– INSTITUTBERGONIÉ
Radiothérapie guidée par IRM
MESURESDESEFFETSELECTROMAGNETIQUESAVECUNAIMANTDE0.87T
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
SIMULATIONSDESEFFETSELECTROMAGNETIQUESTRAVERSÉED’UNFAISCEAUDEPHOTONSDE2MV– EAU/AIR/EAU– 0T,0.35TET1.5T
��
water air water water air water water air water
B=1,5TB=0,35T
INFLUENCESIGNIFICATIVEDESCHAMPSDE0.35TET1.5TSURLEDÉPÔTDEDOSE
Radiothérapie guidée par IRM
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
B=0.35T B=1.5T1
0.5
0
1
0.5
0
1.2
0.5
0
+20%
��
Radiothérapie guidée par IRM
SIMULATIONSDESEFFETSELECTROMAGNETIQUESTRAVERSÉED’UNFAISCEAUDEPHOTONSDE6MV– 0T,0.35TET1.5T
INFLUENCESIGNIFICATIVEDESCHAMPSDE0.35TET1.5TSURLEDÉPÔTDEDOSE
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
0T
1
0.5
0
1.2
0.5
0
+30% +20%
1.3
0.5
0
� B=0.35T
Radiothérapie guidée par IRM
� B=1.5T
SIMULATIONSDESEFFETSELECTROMAGNETIQUESTRAVERSÉED’UNFAISCEAUDEPHOTONSDE6MV– 0T,0.35TET1.5T
INFLUENCESIGNIFICATIVEDESCHAMPSDE0.35TET1.5TSURLEDÉPÔTDEDOSE
RECENTESRECOMMENDATIONS(TG-186)POURCURIETHERAPIE
EFFETSDELADENSITÉETDELACOMPOSITIONCHIMIQUE
Curiethérapie
INFLUENCEPEUSIGNIFICATIVEDESEFFETSDELADENSITÉETSIGNIFICATIVEDESEFFETSDELACOMPOSITIONCHIMIQUE
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
Curiethérapie
RECENTESRECOMMENDATIONS(TG-186)POURCURIETHERAPIE
EFFETSDELADENSITÉETDELACOMPOSITIONCHIMIQUE
INFLUENCEPEUSIGNIFICATIVEDESEFFETSDELADENSITÉETSIGNIFICATIVEDESEFFETSDELACOMPOSITIONCHIMIQUE
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
DOSIMÉTRIECELLULAIRE
Christophe Champion et al
1h 4h 8h
Cf présentation de Christophe Champion
Radiothérapie Interne Vectorisée
FERMETURE ENTROPIQUE – APPLICATIONS – PRÉCISION
CONCLUSION
MODÈLEPLUSRAPIDEQUEMONTE-CARLO(x20)MAISNONOPTIMISÉ – ENCOREPERFECTIBLEENTEMPSCALCULETOCCUPATIONMÉMOIRE– SHÉMASNUMÉRIQUES(AMR,MONTÉEENORDRE…)
MODÈLEPLUSPRÉCISQUELESMODÈLESAD-HOCSURCERTAINESCONFIGURATIONSCOMPLEXES
MODÈLEDIRECTEMENTDÉDUITDESLBTE- PLUSAPTEÀ ÉVOLUERPOURRÉPONDREAUXEXIGENCES- DESNOUVELLESINSTALLATIONS:IRM(CHAMPSMAGNÉTIQUES),…- DESNOUVEAUXENJEUX:COMPOSITIONPHYSIQUEDESMATÉRIAUX
MODÈLECINÉTIQUE– ANALYSEDESEFFETSPHYSIQUESCOMPLEXES
MODÈLECONTINU– DÉRIVABLE– INTÉGRABLEDANSUNPROCESSECUSD’OPTIMISATIONFORMEL
MODÈLE AUX MOMENTS - FERMETUREENTROPIQUE
MODÈLE ACADÉMIQUE QUIDOITMAINTENANTDÉMONTRERSONEFFICACITÉENROUTINECLINIQUE
WorkshopSCIENCESETTECHNOLOGIESpourL’ONCOLOGIE
28MARS2018ÀBORDEAUX
INSCRIPTIONShttps://goo.gl/forms/8KVkYUMHLfFHZoxd2
FERMETURE ENTROPIQUE - CONCLUSION
• MarioEnriqueAlcocer Avila(Physique,CNRS– PhD)• GabrieleBirindelli (Phys.,CEA– PhD)• JulienMoreau(Phys.,CNRS– PhD)• ErwanOlivier(Phys.,CNRS– PhD)• JonathanPage(Phys.,CNRS– PhD)
Collaborationàl’Étranger• McGillHospital - Canada
DrShirinAbbasi Nejad Enger (Phys.Méd.)• InstitutdePhysiquedeRosario - Argentine
PrRobertoRivarola (Phys.)• UniversitédeLiège – BelgiquePrAlainSeret (Radiol.)
• Sandia NationalLaboratory,Albuquerque– USADrPh.Weck (Chim.Quant.)
• CENBG(Centred'EtudesNucléairesdeBordeaux-Gradignan)DrFazia Hanachi (Phys.) - ProjetsIOPRA,POPRA
• LABRI(Laboratoirebordelaisderechercheeninformatique)PrGuillaumeBlin(Info.)
• LCTS(LaboratoireDesCompositesThermostructuraux)DrBrunoDubroca (Math.Appli.)
Collaborationsen France• InstitutBergonié deBordeaux
PrGuyKantor(Radioth.),DrJérômeCaron(Phys.Méd.),SarahBelhomme(Phys.Méd.),EmilieRich(Phys.Méd.)- ProjetsIOPRA,POPRA
Chercheurs• PrChristopheChampion(Phys.,UBdx)• DrJean-LucFeugeas (Math.Appli./Phys.,CEA– HDR)• PrEmmanueld’Humières (Phys.,UBdx),resp.dugroupeIFCIA• DrKatarzyna Jakubowska (Phys.,UBdx)
Administratif• SophieHeurtebise (Dir.Admin.)
ServiceTechnique• LaurentMerzeau (Atelier)
InvestigateursprincipauxauCELIAetcollaborationsenFranceetàl’étranger
• CHU(CentreHospitalierUniversitaire)deBordeaux,INCIAPrElif Hindié (Radiothérapie,MédecineNucléaire),ClémentMorgat(Phys.Méd.),SébastienBuj (Physiquemédicale)- ProjetINFINITY
• IMB(InstitutdeMathématiquesdeBordeaux)DrRaphaëlLoubère (Math.Appli.), PrLucMieussens(Math.Appli.), PrRodolpheTurpault (Math.Appli.)
• CEA(Commissariatàl'énergieatomiqueetauxénergiesalternatives),LIST,Dr.CindyLeLoirec (Phys.Méd.)
ExpertisesScientifiques• PrVladimirTikhonchuk
(Phys.,UBdx)• DrBrunoDubroca
(Math.Appli.,CEA/LCTS– HDR)
• DrPhilippeNicolaï(Phys.,CEA– HDR),resp.dugroupeIFCIA• DrThanh-HaNguyen-Bui (Phys./Math.Appli.,CEA– HDR)• DrJoaoSantos(Phys.,MdC UBdx – HDR)
• IUCT(InstitutUniversitaireduCancerdeToulouseOncopole)LaureVieillevigne (Phys.Méd.),RégisFerrand(Phys.Méd.),TonyYounes(PhD)- ProjetÉmergenceCGSO
• CAL(CentreAntoineLacassagne)deNiceCatherineDejean(Phys.Méd.)