[PDF] Etude du rôle des hôtes définitifs impliqués dans la contamination

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THÈSETHÈSE

En vue de l"obtention du

DOCTORAT DE L"UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par :l"Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)

Présentée et soutenue le16/12/2020par :

Jérémy LESTE

Mise en œuvre et apports cliniques d"un modèle Monte-Carlo d"un accélérateur linéaire de radiothérapie externe JURY

Régine GSCHWIND

Professeur des Universités, HDRRapporteur

Philippe MEYER

Physicien Médical, HDRRapporteur

Julien DARRÉON

Physicien MédicalExaminateur

Isabelle BERRY

Professeur des Universités, HDRExaminatrice

Luc SIMON

Physicien Médical, HDRDirecteur

Xavier FRANCERIESMaître de Conférence, HDR Co-Directeur

École doctorale et spécialité :

GEET : Radio-physique et Imagerie Médicale

Unité de Recherche :

Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse (INSERM UMR 1037)

Directeur(s) de Thèse :

Luc SIMONetXavier FRANCERIES

Rapporteurs :

Régine GSCHWINDetPhillipe MEYER

Remerciements

Avec ces quelques lignes je tiens à remercier toutes les personnes qui m"ont permis de mener à bien ces travaux. Tout d"abord j"aimerais exprimer ma profonde gratitude au Docteur Luc Simon, physicien

médical qui a dirigé ce travail. Merci de m"avoir fait confiance et de m"avoir conseillé aussi bien

sur le plan scientifique que personnel. J"ai particulièrement apprécié ton expertise clinique, ton

investissement à toutes les étapes de la thèse, ton ouverture d"esprit et surtout ta simplicité

et ta gentillesse. Merci à Maxime Chauvin, mon collègue de bureau et ami. Merci de m"avoir apporté ta

rigueur scientifique et d"avoir toujours été disponible pour répondre à mes questions avec

gentillesse et pertinence pendant ces trois années de thèse. Sans ton aide ce travail n"aurait

pas était le même, ça a été un plaisir de travailler avec toi, les géographes ont de la chance!

Merci à Xavier Franceries, co-directeur de cette thèse, pour ta gentillesse et ton aide, tout particulièrement sur les versants administratifs et d"enseignements. Merci à Isabelle Berry d"avoir présidé mon jury de thèse et d"avoir accompagné mon activité d"enseignement à la faculté de médecine. Merci à Régine Gschwind et Philippe Meyer d"avoir été rapporteur de mon manuscrit. Je vous remercie de m"avoir accordé du temps et d"avoir apporté votre expertise sur mon travail.

Merci à Julien Darréon d"avoir accepté d"être examinateur à mon jury de thèse. Je regrette

de ne pas avoir pu trinquer avec vous lors d"un véritable pot de thèse. Merci à Imène Medjahed pour ton aide précieuse sur la partie expérimentale de l"étude sur l"effet interplay. Merci à Manuel Bardiès pour ta gentillesse et ton aide au cours de ces trois ans dans ton

équipe.

Merci à tous mes collègues de l"équipe 15 avec qui j"ai pu collaborer de près ou de loin et

qui ont rendu cette expérience d"autant plus forte. Merci à Marie-Claude pour ton aide pour la préparation des commissions et ta gentillesse. Merci à Johnatan pour nos nombreuses discussions philosophiques et débats. Merci à Rita pour ta gentillesse et ton aide sur mon travail. Et encore un grand merci à Gunjan, Tony, Erick, Julien, Joey, Gustavo, Fédéric, Richard, Alexia, Laure et Régis.

Pendant ces trois années j"ai pu intégrer une équipe de recherche spécialement dédié à la

physique médicale et je suis conscient de la chance que j"ai pu avoir. Même si l"expérience

s"arrête malheureusement ici pour l"équipe 15 je suis sur que celle-ci sera riche d"enseignements

pour l"avenir de la recherche en physique médicale. i ii J"aimerais également remercié toute l"équipe de physique médicale de l"IUCT pour leurs gentillesses et leur aide. J"aimerais aussi remercier Christine Boutry et Aurélie Sors physiciennes médicales à Mon- tauban qui m"ont donné le goût de la recherche en Master 1. Pour finir j"aimerais remercier tout mes amis qui m"ont toujours soutenu et qui mettent dupepsdans ma vie. Merci à Mathilde de m"avoir accompagné et soutenu tout particulièrement sur la fin de ce travail. Merci pour tout l"amour qu"on partage depuis trois saisons! Merci à Marie ma petite soeur et à Samuel mon petit frère pour votre amour et votre soutien. Merci à ma mamie, Marie-Luce, merci pour ta sagesses, ton aide précieuse, ton soutien et ton amour. Je dédie ce travail à mes parents, Jean-Marie et Nathalie qui ont toujours su se sacrifier

pour que ma soeur, mon frère et moi même puissions bénéficier du meilleur. Vous êtes sûrement

fier de moi mais c"est vous qui avez fait la plus grande partie du travail.

Merci.

Table des matières

Table des sigles et acronymesxxvii

Introduction1

1 État de l"art5

1.1 Le contexte clinique................................ 7

1.1.1 Généralités sur le cancer.......................... 7

1.1.2 Le cancer broncho-pulmonaire....................... 8

1.2 La radiothérapie.................................. 13

1.2.1 Définition.................................. 13

1.2.2 Historique.................................. 14

1.2.3 L"accélérateur linéaire de radiothérapie externe............. 16

1.2.4 Les étapes du traitement en radiothérapie externe........... 20

1.2.5 Techniques de traitements en radiothérapie externe........... 23

1.2.6 La stéréotaxie extra-crânienne...................... 24

1.2.7 Résultats cliniques de la SBRT...................... 27

1.3 Cadre théorique de la physique en radiothérapie................. 31

1.3.1 Les interactions rayonnements-matière.................. 31

1.3.2 Grandeurs dosimétriques fondamentales................. 35

1.4 Mesure de la dose absorbée............................ 41

1.4.1 Théories de la cavité............................ 41

1.4.2 dosimétrie absolue............................. 43

1.4.3 dosimétrie relative............................. 44

1.5 Calcul de la dose absorbée............................. 49

1.5.1 Les données patients............................ 49

iii ivTABLE DES MATIÈRES

1.5.2 Méthodes globales............................. 49

1.5.3 Méthodes par superposition........................ 50

1.5.4 Méthodes déterministes : Acuros XB................... 55

1.5.5 Méthodes Monte-Carlo........................... 55

1.5.6 Générateur de nombres aléatoires :.................... 56

1.5.7 La plateforme GATE/GEANT4...................... 60

1.5.8 Comparaison des méthodes de calcul de dose absorbée......... 63

2 Description de GAMMORA65

2.1 Introduction..................................... 67

2.2 Sources de particules................................ 69

2.2.1 Espaces des phases :IAEA........................ 70

2.2.2 Espaces des phases :Root......................... 71

2.2.3 Espaces des phases :Numpy........................ 72

2.2.4 Espaces des phases :Gaga-phsp...................... 72

2.3 Tête de l"accélérateur............................... 80

2.3.1 Tête de l"accélérateur : Modélisation................... 81

2.3.2 Tête de l"accélérateur : Résultats de validation............. 82

2.4 Collimateur multi-lames.............................. 84

2.4.1 MLC : Modélisation............................ 84

2.4.2 MLC : Résultats de validation...................... 85

2.5 Faisceaux d"électrons................................ 88

2.5.1 Faisceaux d"électrons : Introduction................... 88

2.5.2 Faisceaux d"électrons : Matériel et méthodes.............. 88

2.5.3 Faisceaux d"électrons : Résultats..................... 93

2.5.4 Faisceaux d"électrons : Discussion et conclusion............. 101

2.6 Table de radiothérapie............................... 102

TABLE DES MATIÈRESv

2.6.1 Table de radiothérapie : Introduction................... 102

2.6.2 Table de radiothérapie : Matériel et méthodes.............. 103

2.6.3 Table de radiothérapie : Résultats.................... 103

2.6.4 Table de radiothérapie : Discussion et conclusion............ 104

2.7 EPID........................................ 105

2.7.1 EPID : Introduction............................ 105

2.7.2 EPID : Modélisation............................ 105

2.7.3 EPID : Résultats de validation...................... 105

2.8 Le package GAMMORA.............................. 107

2.8.1 Données DICOM.............................. 108

2.8.2 Le programme Python........................... 109

2.9 Les ressources de calcul.............................. 116

2.10 Conclusion..................................... 118

3 Étude expérimentale de l"effet interplay121

3.1 Introduction..................................... 122

3.2 Matériel et méthodes................................ 124

3.2.1 Plateforme de mouvement programmable et fantôme.......... 124

3.2.2 Modélisation du mouvement respiratoire................. 124

3.2.3 Créations des plans de traitements.................... 126

3.2.4 Acquisition expérimentale......................... 129

3.2.5 Analyse dosimétrique........................... 129

3.3 Résultats...................................... 131

3.3.1 Profils de dose............................... 131

3.3.2 Statistiques de doses au CTV....................... 131

3.4 Discussion...................................... 134

viTABLE DES MATIÈRES

4 Étude de l"effet interplay avec GAMMORA139

4.1 Introduction..................................... 139

4.2 Matériel et méthodes................................ 140

4.2.1 Créations des plans de traitements.................... 140

4.2.2 Indices de complexité........................... 140

4.2.3 Simulations Monte-Carlo avec GAMMORA............... 140

4.2.4 Analyse dosimétrique........................... 147

4.3 Résultats...................................... 148

4.3.1 Indices de complexité........................... 148

4.3.2 Validation de GAMMORA........................ 149

4.3.3 Profils de dose............................... 149

4.3.4 Statistiques de doses au CTV....................... 153

4.3.5 Modélisation du Gating respiratoire................... 153

4.4 Discussion...................................... 153

4.5 Conclusion..................................... 164

5 Étude de cas cliniques avec GAMMORA165

5.1 Introduction..................................... 166

5.2 Matériel et méthodes................................ 166

5.2.1 Cohorte de patient............................. 166

5.2.2 Validation de GAMMORA pour la simulation de faisceaux cliniques en

conditions simples............................. 166

5.2.3 Utilisation des images TDM des patients................. 168

5.2.4 Paramètres des simulations........................ 168

5.2.5 Évaluation des énergies de coupures................... 169

5.2.6 Analyse dosimétrique........................... 169

5.3 Résultats...................................... 171

TABLE DES MATIÈRESvii

5.3.1 Validation de GAMMORA pour la simulation de faisceaux cliniques en

conditions simples............................. 171

5.3.2 Évaluation des énergies de coupures................... 171

5.3.3 Analyse dosimétrique........................... 173

5.4 Discussion...................................... 179

5.4.1 Validation de GAMMORA pour des faisceaux cliniques........ 179

5.4.2 Évaluation des énergies de coupures................... 188

5.4.3 Analyses dosimétriques.......................... 189

5.5 Conclusion..................................... 192

Conclusion193

A L"algorithme eMC de Varian197

A.1 Le modèle initial d"espace des phases...................... 197 A.2 Le modèle de transport MMC........................... 198 A.2.1 Simulations locales............................. 198 A.2.2 Pré-traitement géométrique........................ 199 A.2.3 Simulation globale............................. 201

B Calcul du Gamma Index205

C Fichier de configuration de GAMMORA207

D Calcul du Modulation Complexity Score Index211

E Productions scientifiques213

Bibliographie231

Table des figures

1.1 Taux d"incidence cancer broncho-pulmonaire. Évolution des taux d"incidence

du CBP standardisé sur la population mondiale, par type histologique, selon le sexe, entre 1990 et 2018 en France métropolitaine [53]............ 8

1.2 Descripteurs pour catégories T et M. Regroupements de stade [204]...... 10

1.3 Classification détaillée TNM des cancers broncho-pulmonaires [204]...... 10

1.4 Exemple d"imagerie diagnostique de CBP.a. Radiographie pulmonaire de face :

opacité arrondie de plus de 3 cm d"allure excavée -b. Coupe axialle d"un TDM thoracique : masse excavée à contours irréguliers et spiculés.......... 11

1.5 Prise en charge d"un CBPNPC. Résumé des modalités thérapeutiques en fonc-

tion du stade.................................... 12

1.6 Résections pulmonaires chirurgicales pour CBPNPC.a. résection en coin -b.

segementectomie -c. lobectomie -d. pneumectomie............... 12

1.7 Découverte des rayons X [78]. Roentgen (à gauche) réalise le premier cliché

radiographique de l"histoire (la main de sa femme, à droite).......... 14

1.8 Évolution de la radiothérapie [203].a. Appareil de télécobalt -b. Linac minia-

turisé monté sur un bras robotique spécialement conçu pour la stéréotaxie -c. poste de commande moderne........................... 15

1.9L"escalade de dose. Augmentation de la dose prescrite à la prostate avec les

avancées technologiques [203]........................... 16

1.10 Filtre égalisateur. Profil de dose absorbée d"un faisceau de photons à une pro-

fondeur de référence dans l"eau avec (à droite) et sans (à gauche) filtre égali- sateur........................................ 18

1.11 Distribution de dose absorbée pour les faisceaux de photons : 6X et 10X avec

et sans filtre égalisateur (FF et FFF) pour un champ d"irradiation de 10×10 cm 2 dans de l"eau [17]............................... 18

1.12 Collimateur multi-lames (MLC).......................... 19

1.13 Schéma d"un accélérateur de RTE [160]...................... 20

1.14 Représentation schématique des différents volumes définis dans l"ICRU 62 [93].22

ix xTABLE DES FIGURES

1.15 Exemple de HDV. En vert : 50% du volume reçoit au moins une dose de 40

Gy - En rouge : allure idéale d"un HDV de PTV pour une prescription de dose de 60 Gy (couverture homogène) - En bleu : allure idéale d"un HDV de OAR (une toute petite fraction du volume reçoit seulement quelques cGy)..... 23

1.16 Comparaison 3D-IMRT vs. SBRT [19]...................... 25

1.17 L"hypofractionnement et la destruction micro-vasculaire tumorale [107]. À gauche :

imagerie RX d"un modèle murin de mélanome humain avant et 1 semaine après une unique exposition à une dose de 10 Gy (micro-vaisseaux en noir) - Á droite : imagerie échographique Doppler 3D d"un modèle murin de tumeur du cancer du sein avant et 24 heures après une unique exposition à une dose de 16 Gy.27

1.18 Exemple de répartition des localisations traitées en SBRT [51]. Basé surRS-

Search: un registre multi-institutionnel d"observation établi pour normaliser la collecte de données auprès de patients traités par SRS et SBRT (2013)... 30

1.19 Schéma pour le paramètre d"impactb[160].................... 31

1.20 Interactions electrons-matière........................... 32

1.21 Domaine de prédominance de trois interactions photons-matière en fonction de

l"énergie et du matériau.............................. 33

1.22 Interactions photons-matière........................... 34

1.23 Relation entre leK

coll et la dose absorbée. A gauche cas théorique, à droite cas réel. [160]...................................... 41

1.24 Conditions de référence pour les mesures de dose absorbée de référence pour

les faisceaux de photons et d"électrons de hautes énergies............ 44

1.25 Schéma pour la dosimétrie relative. À gauche profil de dose, à droite rendement

en profondeur.................................... 45

1.26 Fantôme Octavius 4D (voir le document constructeur surwww.ptwdosimetry.com).

............................................ 46

1.27 Octavius 1000SRS.a.Photographie -b.schématisé avec dimensions (voir le

document constructeur surwww.ptwdosimetry.com)............... 47

1.28 Architecture d"un film EBT3............................ 47

1.29 Photographie de film EBT3.a.vierge -b.irradié............... 48

1.30 Photographie de la calibration de films radiochromiques.a.0UM-b.64 UM

-c.160 UM -d.400 UM............................. 48

TABLE DES FIGURESxi

1.31 Courbe de calibration du TDM du service de radiothérapie de l"IUCT. Les

points sont mesurés après acquisition et analyse d"images TDM d"un fantôme constitué d"échantillons de densités électroniques connues............ 50

1.32 Représentation schématique du principe de calcul de la dose absorbée par mé-

thode de convolution/superposition........................ 51

1.33 Illustrations géométriques des kernels.a.point kernel-b.pencil kernel[3]..52

1.34 Composant de la tête de l"accélérateur et discrétisation du faisceau enbeamlet

[190]......................................... 54

1.35 Schéma pour la détermination du type d"interaction des photons à partir des

sections efficaces dans un code Monte-Carlo................... 57

1.36 Exemple de comparaisons des méthodes de calcul de dose absorbée.a.[108] -

b.[58]........................................ 64

2.1 Représentation schématique du modèle GATE du TrueBeam. Exemple pour

un faisceau photons : SBRT poumon....................... 68

2.2 Représentation schématique du modèle GATE du TrueBeam. Exemple pour

un faisceau d"électrons : Irradiation sur fantôme (cuve à eau)......... 69

2.3 Représentation schématique des étapes de simulation.a. Création de fichiers

d"espaces des phases secondaires à partir des fichiersVariannatifs après la tête de l"accélérateur (head simulation)-b. Simulation dans le patient (ou fantôme) à partir des fichiers d"espaces des phases secondaires (patient simulation)... 70

2.4 Images synthétiques générées par GAN.a.Edmond de Belamy, premier portrait

peintpar un GAN. Le nomBelamya été donné en référence à Goodfellow [73]. Le tableau à été vendu 432 500 $ en 2018 -b. Photographie synthétique générée parStyleGAN[100]................................. 73

2.5 Principe et architecture du GAN utilisé pour la création degaga-phsp..... 74

2.6 Fonctions de coût du générateur (en orange) et du discriminateur (en bleu).76

2.7 Comparaison des distributions en énergie (Energy), position (X, Y) et direction

(dX, dY et dZ) pour des particules générées par GAN ou tirées d"un PHSP IAEA pour l"énergie 6XFF............................. 77

2.8 Comparaison des distributions en énergie (Energy), position (X, Y) et direction

(dX, dY et dZ) pour des particules générées par GAN ou tirées d"un PHSP IAEA pour l"énergie 6XFFF............................ 78 xiiTABLE DES FIGURES

2.9 Comparaison des distributions en énergie (Energy), position (X, Y) et direction

(dX, dY et dZ) pour des particules générées par GAN ou tirés d"un PHSP IAEA pour l"énergie 10XFF................................ 79

2.10 Comparaison des distributions en énergie (Energy), position (X, Y) et direction

(dX, dY et dZ) pour des particules générées par GAN ou tirés d"un PHSP IAEA pour l"énergie 10XFFF............................... 80

2.11 Modélisation des mâchoires X/Y [17]. Visualisation de l"ouverture pour une

taille de champ de 3×3cm 2

à20×20cm

2 (de gauche à droite) ....... 81

2.12 Modélisation des mâchoires X/Y. Visualisation de l"ouverture pour une taille

de champ de 3×3cm 2

à20×20cm

2 (de gauche à droite)........... 81

2.13 Modélisation des mâchoires X/Y [17]. Visualisation de l"ouverture pour une

taille de champ de 3×3cm 2

à20×20cm

2 (de gauche à droite)....... 81

2.14 Modélisation du baseplate [17]........................... 81

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