Personnalized dosimetry using GATE Monte Carlo simulations on a grid architecture. Application in ocular brachytherapy.
Dosimétrie personnalisée par simulation Monte Carlo GATE sur grille de calcul. Application à la curiethérapie oculaire.
Résumé
Although often quite time consuming, Monte Carlo method is the calculation algorithm that most closely models the actual physics of the energy deposition process. The idea is to use Monte Carlo calculations in daily cancer treatment using radiation to compete with treatment planning systems (TPS) in the delivering of absorbed dose to tumour for specific treatments. To achieve this goal, two points have been particularly studied in this thesis: the validation of the GATE platform for dosimetry applications using electrons, with a specific study concerning ocular brachytherapy treatments using 106Ru/106Rh ophthalmic applicators and the deployment of GATE simulations in a grid environment to reduce the very high computation time of those simulations.
Monoenergetic and polyenergetic electron dose point kernels have been simulated using the GATE platform and compared with other Monte Carlo codes. Three versions of the GEANT4 physics package have been used for the comparisons (5.2, 6.2 and 7.0). Results show that the Multiple Scattering implementation is responsible for the discrepancies observed between the codes. Simulations of ocular brachytherapy treatments compared with Monte Carlo and measurements show a good agreement. The transcription of Hounsfield units from CT images of patient's anatomy to tissue parameters is the other work presented for a next usage of GATE on voxelized images for personnalized dosimetry. The DataGrid and then the EGEE infrastructures were used to deploy GATE simulations to reduce their computation time in order to use them in clinical practice.
The method used to parallelize the GATE simulations is the splitting of the random number generator (RNG) into independent sequences. Computing time tests performed on the grid testbeds show that a significant speed-up is obtained. Functionalities to split, launch and monitor GATE simulations on a grid infrastructure have been implemented on the GENIUS web portal. A first prototype of this portal is accessible from hospital to use the accurate Monte Carlo algorithms in a transparent and secure way for ocular cancer treatments.
Monoenergetic and polyenergetic electron dose point kernels have been simulated using the GATE platform and compared with other Monte Carlo codes. Three versions of the GEANT4 physics package have been used for the comparisons (5.2, 6.2 and 7.0). Results show that the Multiple Scattering implementation is responsible for the discrepancies observed between the codes. Simulations of ocular brachytherapy treatments compared with Monte Carlo and measurements show a good agreement. The transcription of Hounsfield units from CT images of patient's anatomy to tissue parameters is the other work presented for a next usage of GATE on voxelized images for personnalized dosimetry. The DataGrid and then the EGEE infrastructures were used to deploy GATE simulations to reduce their computation time in order to use them in clinical practice.
The method used to parallelize the GATE simulations is the splitting of the random number generator (RNG) into independent sequences. Computing time tests performed on the grid testbeds show that a significant speed-up is obtained. Functionalities to split, launch and monitor GATE simulations on a grid infrastructure have been implemented on the GENIUS web portal. A first prototype of this portal is accessible from hospital to use the accurate Monte Carlo algorithms in a transparent and secure way for ocular cancer treatments.
Bien que souvent assez consommatrice en temps de calcul, la méthode Monte Carlo est l'algorithme de calcul qui modélise au plus près la physique liée aux processus de dépôts d'énergie. L'idée est d'utiliser les calculs Monte Carlo dans le traitement quotidien du cancer par rayonnement pour rivaliser avec les systèmes de planification de traitement (TPS) existants dans le but de délivrer une dose absorbée à la tumeur pour des traitements spécifiques. Pour atteindre cet objectif, deux points ont été particulièrement étudiés au cours de cette thèse : la validation de la plate-forme de simulation GATE pour des applications en dosimétrie utilisant des électrons, une étude particulière est faite concernant les traitements de curiethérapie oculaire utilisant des applicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh, et le déploiement des simulations GATE dans un environnement de grille pour réduire les temps de calcul très élevés de ces simulations.
Des points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et poly-énergétiques ont été simulés en utilisant la plate-forme GATE et comparés à d'autres codes Monte Carlo. Trois versions des packages de librairies ont été utilisées pour les comparaisons (5.2, 6.2 et 7.0). Les résultats montrent que l'implémentation de la diffusion multiple est responsable des différences observées entre les codes. Les simulations de traitements de curiethérapie oculaire comparées avec d'autres Monte Carlo et des mesures montrent un bon accord. La transcription des unités Hounsfield, à partir des données scanner sur l'anatomie du patient, en paramètres tissulaires est l'autre étude présentée pour une utilisation prochaine de GATE sur des images voxélisées pour la dosimétrie personnalisée. Les infrastructures des projets DataGrid puis d'EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul dans le but de les utiliser en routine clinique.
La méthode utilisée pour paralléliser les simulations GATE est la division du générateur de nombres aléatoires (RNG) en séquences indépendantes. Des tests de temps de calcul réalisés sur des bancs tests de grille montrent qu'un gain significatif est obtenu. Les fonctionnalités pour diviser, lancer et contrôler les simulations GATE sur une infrastructure de grille ont été implémentées sur le portail web GENIUS. Un premier prototype de ce portail est accessible à partir d'un centre hospitalier pour l'utilisation de la précision des algorithmes Monte Carlo de manière transparente et sécurisée pour des traitements de cancer de l'œil.
Des points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et poly-énergétiques ont été simulés en utilisant la plate-forme GATE et comparés à d'autres codes Monte Carlo. Trois versions des packages de librairies ont été utilisées pour les comparaisons (5.2, 6.2 et 7.0). Les résultats montrent que l'implémentation de la diffusion multiple est responsable des différences observées entre les codes. Les simulations de traitements de curiethérapie oculaire comparées avec d'autres Monte Carlo et des mesures montrent un bon accord. La transcription des unités Hounsfield, à partir des données scanner sur l'anatomie du patient, en paramètres tissulaires est l'autre étude présentée pour une utilisation prochaine de GATE sur des images voxélisées pour la dosimétrie personnalisée. Les infrastructures des projets DataGrid puis d'EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul dans le but de les utiliser en routine clinique.
La méthode utilisée pour paralléliser les simulations GATE est la division du générateur de nombres aléatoires (RNG) en séquences indépendantes. Des tests de temps de calcul réalisés sur des bancs tests de grille montrent qu'un gain significatif est obtenu. Les fonctionnalités pour diviser, lancer et contrôler les simulations GATE sur une infrastructure de grille ont été implémentées sur le portail web GENIUS. Un premier prototype de ce portail est accessible à partir d'un centre hospitalier pour l'utilisation de la précision des algorithmes Monte Carlo de manière transparente et sécurisée pour des traitements de cancer de l'œil.
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