GATE Monte Carlo simulation and dosimetry in intra-operative radiation therapy for breast cancer

La radiothérapie externe représente une part importante du traitement conservateur du sein. Le calendrier classique consiste à délivrer une dose totale de 50 Gy en 25 fractions sur 5 semaines. Pour certaines catégories de femmes, une radiothérapie de 5 à 6 semaines, avec des transports longs et fréquents est parfois difficile à réaliser. La radiothérapie peropératoire (RIOP) permet de prévenir le risque de récidive locale dans le lit tumoral, et ne nécessite que quelques jours d’hospitalisation. Cette étude se concentre sur l’utilisation d'une source de rayons X miniaturisée de faible énergie (50kV). Après résection chirurgicale de la tumeur, un applicateur est inséré dans le lit tumoral et le système délivre une dose unique de 20 Gy à sa surface. Cependant, il n'y a pas de prescription personnalisée ni d'information sur la dose délivrée et ce point est contestable, car un texte officiel recommande une optimisation de la dose individuelle. Dans ce contexte, un calcul Monte Carlo permet d'évaluer avec précision la dose délivrée à la patiente en simulant le transport des particules. Cette thèse propose d'évaluer ce critère de dose absorbée le plus justement possible à partir d'une modélisation réaliste de la source de rayons X et de calculs de dose individuels à l'aide de simulations de Monte Carlo en prenant en compte les hétérogénéités tissulaires du sein. Des mesures dosimétriques in vivo viennent également confirmer les résultats de simulations.External radiation therapy is an important part of breast conservative treatment. The conventional calendar is to deliver a total dose of 50 Gy in 25 fractions over 5 weeks. For certain categories of women, 5 to 6 weeks of radiotherapy, with long and frequent transport is sometimes difficult to achieve. Intra-operative radiotherapy (IORT) helps to prevent the risk of local recurrence in the tumor bed, and only requires a few days of hospitalization. This study focuses on the use of a miniaturized low energy X-ray source (50kV). After surgical resection of the tumor, an applicator is inserted into the tumor bed and the system delivers a single dose of 20 Gy on its surface. However, there is no custom prescription and this is questionable since an official text recommends optimizing the individual dose. In this context, a Monte Carlo calculation makes it possible to accurately assess the dose delivered to the patient by simulating the transport of particles. This thesis proposes to assess the absorbed dose criterion as accurately as possible from a realistic model of the X-ray source and individual dose calculations using Monte Carlo simulations taking into account the tissue heterogeneities of the breast. In vivo dosimetric measurements also confirm the results of simulations

A simulation based dosimetric study for a Kypho-IORT treatment using Intrabeam(TM)

International audienc

Modélisation et validation sur Monte Carlo d'un traitement de métastases vertébrales sur fantôme par Kyphoplastie et RT peropératoire (Kypho-IORT).

International audiencePour de nombreux patients cancéreux qui développent des métastases vertébrales dans le cours naturel de la maladie, la kyphoplastie percutanée est une option de traitement précieuse. En utilisant la radiothérapie peropératoire avec INTRABEAM™ en cours de kyphoplastie, les métastases peuvent être stérilisées et la vertèbre stabilisée en même temps. Cette solution entraîne la réduction de l'inconfort du patient et restaure également la mobilité, ce qui améliore la qualité de la vie du patient. Le but de notre étude est de modéliser le système Intrabeam™ avec l'applicateur " aiguille " dédiée à l'application de kypho-IORT et de vérifier et valider les doses réellement reçues pour un tel traitement. Une première étape consiste à calibrer le modèle avec l'applicateur aiguille par de simples simulations dans une cuve à eau. Dans un second temps, une simulation de traitement en clinique est effectuée sur un fantôme anthropomorphique RANDO et les mesures de doses sont relevées à partir de détecteurs thermoluminescents disposés sur la peau et à l'intérieur du fantôme autour de la source RX. Enfin des calculs de dose personnalisés sont réalisés sur la plate-forme GATE Monte Carlo en intégrant des images scanner du fantôme RANDO avec l'applicateur intégré dans le fantôme. La validation est effectuée en comparant simulations et mesures expérimentales sur fantôme. Les premiers résultats de simulation montrent une bonne adéquation avec les mesures expérimentales et se confirment avec l'étude personnalisée sur images scanner du fantôme. L'écart relatif moyen entre mesures expérimentales et doses calculées est de 1.5% (Min : 0.2% Max :7.5%) et une incertitude maximale dans GATE de 0.3%. Ce modèle a été validé pour le sein et peut être considéré comme validé pour les métastases vertébrales. Il est cependant nécessaire de confirmer cette étude sur plusieurs patients en prenant en compte les hétérogénéités tissulaires

Monte Carlo simulation on GATE V6.1 of an intraoperative device Intrabeam\texttrademark for early breast cancers

International audienc

Dosimetric validation of an intrabeam gate model based on monte carlo geant4 toolkit, for IORT applications

International audiencePurpose: Intraoperative RadioTherapy (IORT) with Intrabeam is delivered using a miniaturized radiation device with applicators generating the prescribed dose directed to the tumor bed. However, the dose delivered to the patient is not well known. In this context, a Monte Carlo (MC) calculation can accurately assess the dose delivered to the patient by simulating the particle transport. The aim of this study is to create and validate an Intrabeam model on the GATE platform, a MC code based on Geant4

Simulation Monte Carlo sur GATE V6.1 d'un appareil peropératoire Intrabeam TM pour le cancer du sein

International audienceObjectifs : Ce travail s'inscrit dans le contexte de la simulation Monte-Carlo en radiothérapie peropératoire. Il visait à étudier la modélisation d'un nouvel appareil installé au centre hospitalier universitaire de Brest en 2011 nommé Intrabeam(TM)sur la plate forme GATE. Méthodes : Le système Intrabeam(TM) est principalement destiné au traitement du cancer du sein. Des applicateurs sphériques de diamètres variables en fonction de la taille de la tumeur (2,5 à 5 cm), sont montés sur le système afin d'avoir une distribution isotrope de la dose. Après extraction de la tumeur par chirurgie, le système délivre une seule séance 20 Gy à la surface de l'applicateur pour irradier le lit tumoral grâce à un faisceau de rayons X de basse énergie (50 kV). Ce traitement est délivré pour des tumeurs de diamètre inférieur à 2 cm. Cette étude se présentait en deux étapes : modélisation de l'appareil peropératoire Intrabeam(TM) sur la plateforme GATE version 6.1 ; étude dosimétrique préliminaire sur fantôme d'eau pour situer la fiabilité et le réalisme de la simulation. Les simulations Monte-Carlo sur la plateforme GATE ont été réalisées en respectant précisément la configuration géométrique expérimentale. Les courbes de dose en fonction de la profondeur dans l'eau pour la sonde nue et pour le lot d'applicateurs disponibles ont été analysées. Les mesures de doses expérimentales ont été réalisées avec une chambre d'ionisation PTW. L'isotropie de la source a également été vérifiée. Les résultats de la simulation ont ensuite été comparés avec les mesures expérimentales. Résultats : L'interface utilisateur de la plateforme GATE a facilité la modélisation du système Intrabeam(TM). Les résultats de simulation obtenus à partir du modèle créé étaient en bonne adéquation avec les mesures expérimentales. Conclusion : La simulation sur Monte-Carlo a permis une évaluation précise de la dose réellement délivrée et ouvre la voie à une dosimétrie personnalisée tenant compte des hétérogénéités tissulaires

Personalized 3D dose prediction for intrabeam treatments based on patien CT imaging with Monte Carlo Gate simulations

International audiencePurpose: The aim of partial breast irradiation is to reduce the risk of local recurrence into the tumor bed. After surgical resection of the tumor, the Intrabeam tm system delivers a single dose fraction of 20 Gy at the surface of the applicator, irradiating the tumor bed through a 50keV X-ray beam. However, there is currently no latitude for personalized dose prescription which is in contrast to official recommendations for individual dose optimization in radiotherapy. In this context, the study aim was to perform personalized 3D dose prediction for Intrabeam tm treatments based on patient CT imaging using Monte Carlo (MC) simulations. Methods: A model of the Intrabeam™ system was developed with GATE1 taking into account the different parts of the device2. A preoperative CT acquisition of the patient breast is performed and included in the simulation allowing accurate dose calculation. During intra-operative radiotherapy, thermoluminescent dosimeters are placed on the skin at 1 and 3 cm around the spherical applicator. Comparison between simulation results and TLD measurements are performed to confirm the dose prediction at the TLD locations. The dosimetric influence of the applicator's position is also studied on the patient CT with simulations on GATE. This study was performed on 10 patients, including 3 who had an intraoperative CT acquisition in order to validate the overall dosimetry evaluation protocol. Results: Patient results show good agreement between clinical experiments and simulations. Indeed the relative mean deviation between TLD dose measurements and GATE dose scoring is 0.09% ± 0.11% with a maximum of 0.334% and less than 1% of dose estimation uncertainty (min 0.41% max 0.95%). Conclusion: We propose the use of an accurate model of the Intrabeam system on the GATE platform based on Geant4 MC Toolkit. The dosimetric evaluation of the proposed platform with patient datasets supports its use for patient specific dosimetry planning

Personalized 3D dose prediction for intrabeam tm treatments based on patient CT imaging with monte carlo GATE simulations

International audiencePurpose: The aim of partial breast irradiation is to reduce the risk of local recurrence into the tumor bed. After surgical resection of the tumor, the Intrabeam tm system delivers a single dose fraction of 20 Gy at the surface of the applicator, irradiating the tumor bed through a 50keV X-ray beam. However, there is currently no latitude for personalized dose prescription which is in contrast to official recommendations for individual dose optimization in radiotherapy. In this context, the study aim was to perform personalized 3D dose prediction for Intrabeam tm treatments based on patient CT imaging using Monte Carlo (MC) simulations. Methods: A model of the Intrabeam™ system was developed with GATE1 taking into account the different parts of the device2. A preoperative CT acquisition of the patient breast is performed and included in the simulation allowing accurate dose calculation. During intra-operative radiotherapy, thermoluminescent dosimeters are placed on the skin at 1 and 3 cm around the spherical applicator. Comparison between simulation results and TLD measurements are performed to confirm the dose prediction at the TLD locations. The dosimetric influence of the applicator's position is also studied on the patient CT with simulations on GATE. This study was performed on 10 patients, including 3 who had an intraoperative CT acquisition in order to validate the overall dosimetry evaluation protocol. Results: Patient results show good agreement between clinical experiments and simulations. Indeed the relative mean deviation between TLD dose measurements and GATE dose scoring is 0.09% ± 0.11% with a maximum of 0.334% and less than 1% of dose estimation uncertainty (min 0.41% max 0.95%). Conclusion: We propose the use of an accurate model of the Intrabeam system on the GATE platform based on Geant4 MC Toolkit. The dosimetric evaluation of the proposed platform with patient datasets supports its use for patient specific dosimetry planning

Simulation Monte Carlo du système Intrabeam avec la plateforme GATE (Geant4) pour le cancer du sein

International audienceThe system INTRABEAM ™ is mainly for breast cancer treatment for tumors less than or equal to 2 cm in diameter. Spherical applicators with varying diameters depending on the tumor size (2.5 cm to 5 cm) are mounted on the system to have an isotropic distribution of the dose. After resection of the tumor, the surgeon inserts the applicator in place of the tumor and the system delivered a single fraction of 20 Gy to the surface of the applicator for irradiating the tumor bed with a beam of X-rays low-energy (50 kV). There is no requirement customized and this is questionable since an official document recommends a single dose optimization. This study is divided into two stages:(1) A model of the INTRABEAM™ system was created realistically and simple simulations in a water phantom were performed to validate the model.(2) In the second part, the model is used to perform dose calculations customized from CT images of the patient, to take into account tissues heterogeneities. Monte Carlo simulations on the GATE platform are made precisely as the experimental geometry. The depth dose curves for the bare probe and for applicators available are analyzed. The experimental dose measurements were performed with an ionization chamber PTW and thermoluminescent dosimeters. The isotropy of the source has been also verified. The simulation results are compared with experimental measurements

External dosimetry and in vivo measurements improve surgical comprehension of intraoperative radiotherapy using Intrabeam(TM)

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