dosimétrie des émetteurs à léchelle cellulaire et tissulaire par méthode de monte carlo j....
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Dosimétrie des émetteurs Dosimétrie des émetteurs à à l’échelle cellulaire et l’échelle cellulaire et
tissulaire par méthode de tissulaire par méthode de Monte CarloMonte Carlo
J. Coulot1, M. Ricard1, A. Faggiano2, N. Bellon3 F. Lavielle1, M. Schlumberger2
1 Service de Physique, 2Service de Médecine Nucléaire & Cancérologie Endocrinienne, 3Service Statistiques
Institut Gustave-Roussy
JJC 2003
Aussois
CONTEXTECONTEXTE ProblématiqueProblématique FormalismeFormalisme OutilsOutils
Cancers de la thyroïdeDonnées de baseModélisation géométriqueCalculs et résultats
APPLICATIONSAPPLICATIONS
Introduction - la dosimétrie interneIntroduction - la dosimétrie interne
Dosimétrie interne : déterminer la dose déposée dans les tissus par des radionucléides distribués dans l’organisme : De façon accidentelle ou dans un but diagnostic :
radioprotection Dans un but thérapeutique : relation dose-effet
Concept de base : la fraction absorbéeConcept de base : la fraction absorbée
GrayKgJ
massedeunité
déposéeénergieDose
0
kk E
E:absorbéeFraction
0
kk E
E:absorbéeFraction
Cible kCible k
Source hSource h
Énergie Énergie émise Eémise E00
Énergie Énergie absorbée Eabsorbée Ekk
k
kk m
: massiqueabsorbéeFraction
k
kk m
: massiqueabsorbéeFraction
Fraction absorbéeFraction absorbée
Fonction de la géométrie et de la nature du rayonnement :
Concept valable uniquement pour un
radionucléide distribué de façon homogène
dans la source
Méthode du Medical Internal Radiation Dose Méthode du Medical Internal Radiation Dose ComityComity
Principe du MIRD : estimation de la dose à l’échelle de l’organe, dans des fantômes anthropomorphiques décrits par âge et par sexe :
Activité cumulée (nombre Activité cumulée (nombre total de particules émises) total de particules émises) estimée grâce aux images estimée grâce aux images
fonctionnellesfonctionnelles
Énergie totale Énergie totale émiseémise
X% d’énergie absorbée% d’énergie absorbée
DoseDosekk = = Masse de l’organeMasse de l’organe
Un peu plus loin…Un peu plus loin…
Tabulé
CalculéCalculé
Mesuré
kS : Dose par MBq.h
déposée dans le volume k
De l’organe… à la celluleDe l’organe… à la cellule
Concept de fraction absorbée valable Concept de fraction absorbée valable à toutes les échellesà toutes les échelles
Nécessite un Nécessite un MODELE MODELE GEOMETRIQUE REPRESENTATIFGEOMETRIQUE REPRESENTATIF
On peut recalculer les facteurs S On peut recalculer les facteurs S à l’échelle qui nous convientà l’échelle qui nous convient
Femme MIRD
Thyroïde
Vésicules thyroïdiennes
OutilsOutils
Plusieurs codes de calculs dans le domaine public : MCNP, PENELOPE, GEANT, EGS,
etc. (www.nea.fr)
A l’IGR: utilisation de EGSnrc : Expérience du code EGS (P. Telenczak, J.
Gouriou, I. Clairand) Transport des particules chargées ++
Développement d’outils autour de cet environnement
NRC-CNRC
Le usercode EGS - DOSE3DLe usercode EGS - DOSE3D
Utilise la Utilise la géométrie géométrie combinatoirecombinatoire
Calcule la Calcule la fraction fraction absorbéeabsorbée dans dans chaque volume chaque volume d’intérêt défini par d’intérêt défini par l’utilisateurl’utilisateur
1 2
OR +1 OR +2+1 -2
+1 +2
Principe de la géométrie combinatoire
DOSE3D - évolutionsDOSE3D - évolutions
Adapté à EGSnrc et validé aux échelles cellulaires et tissulaires
INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY
Phys. Med. Biol. 48 (2003) 1–12 PII: S0031-9155(03)61049-3
Validation of the EGS usercode DOSE3D for internal beta dose calculation at the cellular and tissue levels J Coulot, M Ricard and B Aubert
INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY
Phys. Med. Biol. 48 (2003) 1–12 PII: S0031-9155(03)61049-3
Validation of the EGS usercode DOSE3D for internal beta dose calculation at the cellular and tissue levels J Coulot, M Ricard and B Aubert
Clairand Clairand et alet al. Improvement of internal . Improvement of internal dose calculations using mathematical dose calculations using mathematical models of different adult heights. models of different adult heights. Phys Phys Med BiolMed Biol 45 (2000). 45 (2000).
Dédié à la dosimétrie à l’échelle de Dédié à la dosimétrie à l’échelle de l’organel’organe
CONTEXTECONTEXTE ProblématiqueProblématique FormalismeFormalisme OutilsOutils
Cancers de la thyroïdeCancers de la thyroïde Données de baseDonnées de base Modélisation géométriqueModélisation géométrique Calculs et résultatsCalculs et résultats
APPLICATIONSAPPLICATIONS
Application - Cancers de la ThyroïdeApplication - Cancers de la Thyroïde
Outil de calcul validé utilisable dans de nombreuses configurations
Première application : étude de l’influence de la distribution de l’iode-131 dans la thyroïde
Contexte : conséquences de l’accident de Chernobyl
Épidémiologie Épidémiologie (M. Schlumberger)(M. Schlumberger)
Cancers de la thyroïde des enfants, Belarus 1977-86: 8 cancers 1990-98: 583 cancers
Risque relatif en fonction de l’âge lors de l’accident Risque relatif en fonction de l’âge lors de l’accident 1 ans : 237 1 ans : 237 10 ans : 610 ans : 6 Adultes : pas de risque significatif.Adultes : pas de risque significatif.
Ces données ne sont pas corrélées aux Ces données ne sont pas corrélées aux estimations dosimétriques (MIRD)estimations dosimétriques (MIRD)
0
10
20
30
40
50
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 1314 15161718192021
BELARUS
N°
OF
CA
SE
S
AGE AT DIAGNOSIS (Years)
0
10
20
30
40
50
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ITALIE & FRANCE
N°
OF
CA
SE
S
AGE AT DIAGNOSIS (Years)
Âge au Âge au diagnosticdiagnostic
Étude pluridisciplinaire : anatomopathologie-médecine
nucléaire-statistique-physique-biologie
31 échantillons de thyroïdes saines (ablations
préventives) ont été étudiés :
Étude morphométrique des tailles de vésicules
thyroïdiennes
Étude des caractéristiques fonctionnelles par
immunohistochimie : localisation du transporteur de
l’iode Na+/I- Symporter (NIS)
Étude IGRÉtude IGR
La thyroïdeLa thyroïde
Thyroïde
Cellules épithéliales
Colloïde
0
5
10
15
20
25
30
% v
ésic
ule
s
40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440
diamètres (µm)
Données de base - distribution de Données de base - distribution de diamètresdiamètres
Diamètres moyen vésicules (p<0,001): 12 ans : 131 µm > 12 ans : 171 µm
12 ans
> 12 ans
CIPR 23 – homme CIPR 23 – homme de référence : de référence :
Adultes : 300 µm
12-15 ans : 250 µm
CIPR 23 – homme CIPR 23 – homme de référence : de référence :
Adultes : 300 µm
12-15 ans : 250 µm
2 groupes morphologiques isolés : 12 ans et > 12 ans
Données de base - expression du transporteur de Données de base - expression du transporteur de l’iode NISl’iode NIS
Expression du transporteur de l’iode NIS préférentiellement dans les petites vésicules
Marqueur NIS Âge Moyenne Gamme p - value
% vésicules marquées
12 ans 50-75%50-75% [25-75] <0,01
> 12 ans <25%<25% [25-50] <0,01
Faggiano Faggiano et alet al., J. Nucl Med., in press., J. Nucl Med., in press
Expression NIS Activité métabolique
(capacité à concentrer l’iode)
Modélisation – outils développésModélisation – outils développés
Le programme CLUSTER3D, utilise le hasard pour associer des sphères de rayons différents de façon aléatoire dans l’espace sous contraintes de compacité
BUT : améliorer la représentativité des modèles en évitant l’écueil d’une organisation trop géométrique et éloignée de la réalité
Langage JAVA Programmation objet
(proche C) Multi-plateforme
(Windows, Linux, MAC OS)
Gratuit... Temps de calculs # 3-5
minutes… Écrit les fichiers de
sortie DOSE3D Rhinoceros (3D)
PrincipePrincipe ÉchantilloneÉchantillone une distribution de diamètres une distribution de diamètres Chaque sphère peut être le Chaque sphère peut être le germegerme de de
création d’une suivante création d’une suivante Des Des contraintescontraintes sont introduites au fur et sont introduites au fur et
à mesure de la construction du modèleà mesure de la construction du modèle
xxyy
zz
Modèles géométriquesModèles géométriques
12 ans
> 12 ans
# 200 sphères de différents rayons
Pour obtenir une organisation différente dans l’espace : changement de la séquence de nombres aléatoires
Cellules épithéliales - observationCellules épithéliales - observation
Prise en compte de l’orientation des cellules épithéliales à la surface des vésicules (observations sur coupes histologiques) :
Sujet de 8 ans
Sujet de 17 ans
Cellules épithéliales - modélisationCellules épithéliales - modélisation
« Petites » vésicules
Vésicules « intermédiaires »
« Grandes » vésicules
100100 mm 100 < 100 < < 200 < 200 mm 200 200 mm
10 m5 m
15 m
Vésicule thyroïdienne
colloïde
Cellules épithéliales
Calculs -hypothèsesCalculs -hypothèses
131I distribué de façon homogène dans toutes
les vésicules
1
131I distribué de façon homogène dans les vésicules exprimant le NIS (les plus petites)
2
Cas n°1Cas n°1131I distribué de façon homogène dans toutes les vésicules
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
,01 ,1 1 5 10 20 30 50 70 80 90 95 99 99,9 99,99
ProbabilitésProbabilités
12 ans : 1 & 212 ans : 1 & 2
> 12 ans : 1 & 2> 12 ans : 1 & 2
Probabilité d’avoir S ordonnée y (%)
S (
mG
y.M
Bq
-1.h
-1)
2
50 99
Écart entre les deux groupes
Cas Cas n°2n°2 131I distribué de façon homogène dans les vésicules
exprimant le NIS
12 ans : 60 % des vésicules expriment le NIS
> 12 ans : 20 % des vésicules expriment le NIS
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
,01 ,1 1 5 10 20 30 50 70 80 90 95 99 99,9 99,99
ProbabilitésProbabilités
Probabilité d’avoir S ordonnée y (%)
S (
mG
y.M
Bq
-1.h
-1)
12 ans12 ans
> 12 ans> 12 ans
ConclusionsConclusions
La dose absorbée dans la thyroïde est hétérogène (« distribution » de la dose)
Les sujets correspondants au modèle > 12 ans toujours moins irradiés que ceux du modèle 12 ans, quelle que soit l’hypothèse.
L’utilisation d’hypothèses fonctionnelles simples augmente l’écart entre les deux groupes de façon significatives
Conclusion - discussionConclusion - discussion
Nos calculs sont basés sur des hypothèses : l’utilisation de données biologiques quantitatives est indispensable :
Localisation intra-thyroïdienne Concentration de l’iode dans les vésicules
En projet / en cours : Étude quantitative de la distribution des isotopes de l’iode
dans la thyroïde à l’aide de la microscopie ionique analytique
Application de la méthode de calcul dans le cadre de la radioimmunothérapie
RemerciemenRemerciementsts
Marcel Ricard Bernard Aubert Frédéric Lavielle Guillaume Bonniaud
Pr. Martin Schlumberger
Antongiulio Faggiano
Médecine Nucléaire & cancérologie endocrinienne
Nicolas BellonStatistique
Physique
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