pÔle - nouvel algorithme de haute performance pour la radiothÉrapie … · 2018-02-13 · pour la...

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

workshop.stim@gmail.com

jean-luc.feugeas@u-bordeaux.fr

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.)