Optimisation de l’estimateur de longueur de traces de GATE pour l’émission prompt-γ en hadron-thérapie (p, He, C)

Thématique : Physique nucléaire appliquée au médicale

Contexte :

De nombreuses simulations Monte Carlo (MC) sont nécessaires pour optimiser un système d'imagerie prompt-γ
(PG) et pour entraîner des algorithmes de reconstruction basés sur l'IA. Des méthodes de réduction de la
variance ont été étudiées parallèlement au développement de l'utilisation des simulations MC, et parmi les
techniques de réduction de la variance MC, les estimateurs de longueur de trace (TLE) constituent des méthodes
d’évaluation intéressantes pour obtenir une simulation MC rapide et précise d'événements rares, comme cela a
été initialement proposé dans les années 80 pour l'évaluation de la dose de photons avec l'approximation du
Kerma.

Le calcul de la source PG par l'estimateur de longueur de trace (vpgTLE), qui produit une carte 3D du rendement
énergétique PG (sans information temporelle), a été proposée pour la première fois en 2015 par la collaboration
entre les équipes IP2I et CREATIS de Lyon et mise en œuvre dans la plateforme MC GATE version 9 [El
Kanawati 2015]. Un gain d'environ 1000 en incertitude relative a été rapporté pour un plan de traitement par
protonthérapie d'un patient. En 2024, ce module GATE vpgTLE a été étendu au temps d'émission PG dans le
cadre des travaux de doctorat d'Oreste Allegrini [Letang 2024]. Récemment, deux stages M2 successifs ont
permis aux équipes de réaliser deux avancées majeures : (i) le portage du module vpgTLE vers la dernière
version de GATE basée sur Python, à savoir la version 10 sortie à l'automne 2024, et (ii) l'intégration de la
distribution d'énergie et de temps des PG issus des processus nucléaires inélastiques secondaires des neutrons.


Description du travail demandé :

Plusieurs tâches sont prévues pour aller plus loin et rendre le module vpgTLE plus robuste et plus flexible. Tout
d'abord, la base de données PG, qui doit être reconstruite hors ligne à chaque mise à jour de la physique
Geant4, bénéficie d'un exécutable G4 efficace de bas niveau, mais sa configuration reste délicate. Ensuite,
l'extension aux hadrons plus lourds (ions hélium et carbone) doit être entreprise. Enfin, il est nécessaire de
supprimer certaines hypothèses, en particulier l'indépendance des distributions d'énergie et de temps, qui
pénalisent la précision sur certaines lignes gamma discrètes retardées.

énergie déposée et VOIdistribution en énergie et temps au VOI

Figure 1. En haut : énergie totale déposée sur un scan CT pour un faisceau proton (107 – 130 MeV) incident placé sur l'axe antéro-postérieur et un carré noir pour pour situer le voxel d'intérêt (VOI). Milieu et bas : comparaison entre la simulation analogue (rouge) et vpgTLE (bleu) des rendements PG selon leur énergie (gauche) et leur temps (droite) pour le VOI.

Tâches :

  • Extension du module aux projectiles ions hélium et carbone
  • Consolidation de la représentation des bases de données gamma-prompts
  • Étude de la modélisation alternative par intégration d’énergie
  • Développement du module 4D (spatial+temps) Gate 10 de sources de gamma prompts
  • Tests du vpgTLE sur dispositifs de détection du LabEx (TIARA et PGEI)

Localisation : Centre de lutte contre le cancer Léon Bérard, Lyon 8

Contact : Jean M Létang