Simulation du mouvement pulmonaire personnalisé par réseau de neurones artificiels pour la radiothérapie externe

Le développement de nouvelles techniques en radiothérapie externe ouvre de nouvelles voies dans la recherche de gain de précision dans la distribution de dose en passant notamment par la connaissance du mouvement pulmonaire. La simulation numérique NEMOSIS (Neural Network Motion Simulation System) basée sur les Réseaux de Neurones Artificiels (RNA) développée ici permet, en plus de déterminer de façon personnalisée le mouvement, de réduire les doses nécessaires initiales pour le déterminer. La première partie présente les techniques actuelles de traitement, les mouvements pulmonaires ainsi que les méthodes de simulation ou d estimation du mouvement déjà existantes. La seconde partie décrit le réseau de neurones artificiels utilisé et les étapes de son paramétrage pour répondre à la problématique posée. Une évaluation précise de notre approche a été réalisée sur des données originales. Les résultats obtenus sont comparés avec une méthode d estimation du mouvement. Les temps de calcul extrêmement faibles, de l ordre de 7 millisecondes pour générer une phase respiratoire, ont permis d envisager son utilisation en routine clinique. Des modifications sont apportées à NEMOSIS afin de répondre aux critères de son utilisation en radiothérapie externe et une étude sur le mouvement de contours tumoraux est effectuée. Ces travaux ont mis en place les bases de la simulation du mouvement pulmonaire par RNA et ont validé cette approche. Son exécution en temps réel couplé à la précision de la prédiction fait de NEMOSIS un outil prometteur dans la simulation du mouvement synchronisé avec la respiration.The development of new techniques in the field of external radiotherapy opens new ways of gaining accuracy in dose distribution, in particular through the knowledge of individual lung motion. The numeric simulation NEMOSIS (Neural Network Motion Simulation System) we describe is based on artificial neural networks (ANN) and allows, in addition to determining motion in a personalized way, to reduce the necessary initial doses to determine it. In the first part, we will present current treatment options, lung motion as well as existing simulation or estimation methods. The second part describes the artificial neural network used and the steps for defining its parameters. An accurate evaluation of our approach was carried out on original patient data. The obtained results are compared with an existing motion estimated method. The extremely short computing time, in the range of milliseconds for the generation of one respiratory phase, would allow its use in clinical routine. Modifications to NEMOSIS in order to meet the requirements for its use in external radiotherapy are described, and a study of the motion of tumor outlines is carried out. This work lays the basis for lung motion simulation with ANNs and validates our approach. Its real time implementation coupled to its predication accuracy makes NEMOSIS promising tool for the simulation of motion synchronized with breathing.BESANCON-Bib. Electronique (250560099) / SudocSudocFranceF

Data Processing using Artificial Neural Networks to Improve the Simulation of Lung Motion

International audienceTo optimize the delivery in lung radiation therapy, a better understanding of the tumor motion is required. On the one hand to have a better tumor-targeting efficiency, and on the other hand to avoid as much as possible normal tissues. The 4D-CT allows to quantify tumor motion, but due to artifacts it introduces biases and errors in tumor localization. Despite of this disadvantage, we propose a method to simulate lung motion based on data provided by the 4D-CT for several patients. To reduce uncertainties introduced by the 4D-CT scan, we conveniently treated data using artificial neural networks. More precisely, our approach consists in a data augmentation technique. The data resulting from this processing step are then used to build a training set for another artificial neural network that learns the lung motion. To improve the learning accuracy, we have studied the number of phases required to precisely describe the displacement of each point. Thus, from 1118 points scattered across 5 patients and defined over 8 or 10 phases, we obtained 5800 points of 50 phases. After training, the network is used to compute the positions of 40 points from five other patients on 10 phases. These points allow to quantify the prediction performance. In comparison with the original data, the ones issued from our treatment process provide a significant increase of the prediction accuracy: an average improvement of 16% can be observed. The motion computed for several points by the neural network that has learnt the lung one exhibits an hysteresis near the one given by the 4D-CT, with an error smaller than 1 mm in the cranio-caudal axis

EQUIVOX: an example of adaptation using an artificial neural network on a case-based reasoning platform

International audienceIn case of a radiological emergency situation involving accidental human exposure, a dosimetry evaluation must be established as soon as possible. In most cases, this evaluation is based on numerical representations and models of victims. Unfortunately, personalised and realistic human representations are often unavailable for the exposed subjects. However, accuracy of treatment depends on the similarity of the phantom to the victim. The EquiVox platform (Research of Equivalent Voxel phantom) developed in this study uses Case-Based Reasoning (CBR) principles to retrieve and adapt, from among a set of existing phantoms, the one to represent the victim. This paper introduces the EquiVox platform and the Artificial Neural Network (ANN) developed to interpolate the victim's 3D lung contours. The results obtained for the choice and construction of the contours are presented and discussed

Basic principles of the evaluation methods in the fast neutron spectrometry..

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Optimization of radiation protection in nuclear medicine (from reference dosimetry to personalized dosimetry)

En médecine nucléaire, les radiopharmaceutiques administrées au patient déposent une fraction de l'énergie émise dans différents tissus. Une évaluation dosimétrique précise est donc indispensable afin d'assurer la radioprotection du patient. Les doses absorbées sont actuellement basées sur des modèles mathématiques standards ainsi que des approximations quant au transport des électrons. La Commission Internationale de Protection Radiologique (CIPR) a récemment choisi d'adopter des modèles voxelisés, plus réalistes pour représenter l'adulte de référence. Cette thèse avait pour premier objectif d'étudier l'influence de l'utilisation des nouveaux modèles de référence et de l'approche Monte Carlo sur les principales grandeurs dosimétriques. Par ailleurs, l'apport d'une géométrie spécifique au patient sur la dosimétrie a été comparé à une géométrie standard. Dans un deuxième temps, une dosimétrie précise de l'os pour des particules alpha a été réalisée sur la base d'images microscopiques de plusieurs régions de l'os spongieux. Les résultats ont montré des variations des fractions d'énergie absorbées en fonction de l'énergie des particules alpha, du site squelettique et de la concentration de graisse dans la moelle, trois paramètres non pris en compte dans les valeurs actuellement publiées par la CIPR. Enfin, la prise en compte de l'hétérogénéité de la répartition du radiopharmaceutique a été étudiée dans le cadre d'un traitement du carcinome hépatocellulaire par radiothérapie interne sélective à l'Yttrium-90. Les développements réalisés dans cette thèse montrent l'importance et la faisabilité de la réalisation d'une dosimétrie plus spécifique au patient en médecine nucléaire.PARIS7-Bibliothèque centrale (751132105) / SudocSudocFranceF

Structure, propriétés, mécaniques et résistance à l'oxydation de revbêtements durs de type nanocomposite élaborés par pulvérisation magnétron réactive (influence de la nature des éléments constitutifs de films Zr-Si-N, Zr-Ge-N et Ti-Si-N)

Les revêtements nanocomposites, apparus dans le milieu des années 90, permettent d'accroître efficacement les propriétés mécaniques et la résistance à l'oxydation à chaud de nitrure de métaux de transition traditionnellement rencontrés dans la protection d'outils de coupe et de mise en forme. L'objectif de ce travail consiste en l'étude des effets du non-métal sur les propriétés de revêtements durs des systèmes Zr-Si-N, Zr-Ge-N et Ti-Si-N élaborés par pulvérisation magnétron réactive. Une étude préliminaire a permis de distinguer les conditions opératoires permettant d'obtenir des films de ZrN et de TiN les plus proche de la stœchiométrie. Nous montrons que les systèmes dopés au silicium passent d'une solution solide à une structure nanocomposite puis amorphe selon la teneur en silicium des couches. Les effets de la composition et de la tension de polarisation sur l'ensemble des propriétés de ces films sont aussi envisagés. Nos investigations montrent que leur structure nanocomposite apportent une amélioration de la résistance à l'oxydation et des propriétés mécaniques aux films à base de silicium. Pour le système Zr-Ge-N, la nitruration plus difficile du germanium ne semble pas conduire à la ségrégation nécessaire à l'établissement d'une structure nanocomposite mais conduit à une meilleure tenue à l'oxydation. De manière générale, le dopant joue un rôle actif dans la stabilisation par effet de " taille de grains " de la couche d'oxyde formée.Nanostructured coatings, born in the middle of nineteenth, are able to improve efficiently mechanical and oxidation resistance of transition metal nitrides usually encountered in the field of tool protecting and forming coatings. The aim of this work consists in the study of sputter deposited Zr-Si-N, Zr-Ge-N and Ti-Si-N hard coatings. Preliminary study presents the best elaboration conditions bringing to the nearest stoichiometric nitride films. This work shows that the structure of silicon containing systems passes from a solid solution to a nanocomposite and an amorphous one versus the film's silicon contents. Composition and bias voltage effects are also envisaged in term of control of the main properties of the films. Oxidation resistance and mechanical properties show a good compromise when a nanocomposite structure is reached. Despite a good oxidation resistance, the lower nitridation of the Ge seems not leading to the formation of nanocomposite coatings for the Zr-Ge-N system. By and large, the occurrence of the oxide phase is linked by a grain size effect when adding a doping element.BELFORT-BU L. FEBVRE (900102102) / SudocSudocFranceF

Développement de modèles dosimétriques en radiothérapie externe par méthodes de Monte Carlo (étude des effets liés à la présence d'implants artificiels)

En radiothérapie externe, l'élaboration d'un plan de traitement est menée selon deux objectifs : optimiser l'irradiation du volume cible et épargner au maximum les organes à risque avoisinants. Dans le cas d'un patient porteur d'implants métalliques qui se trouvent à proximité de la tumeur, ces deux objectifs sont difficiles à atteindre. Le but de ce travail de thèse a consisté, d'une part à calculer les modifications de dose produites en présence de prothèses de hanche au cours d'une irradiation du pelvis au moyen du code Monte Carlo OMEGA / BEAMnrc, et d'autre part à proposer une évaluation des systèmes de planification de traitement, utilisés en routine en milieu hospitalier, dans ces cas limites.In external radiotherapy, the elaboration of a treatment is carried out with two objectives, the optimisation of the target volumes irradiation and the protection of organs at risk. For patients having metallic implants near the tumor, these aims are difficult to achieve. Because of the ageing of the population, an increasing number of patients with hip prostheses are undergoing pelvic irradiation. Treatment planning systems (TPS) currently available are not always adapted to accurately predict the dose distribution around such implants. In fact, only Monte Carlo simulations have the ability to precisely calculate the impact of a hip prosthesis during radiotherapeutic treatment. So, the objectives of this thesis are first, to calculate the dose modifications caused by a hip prosthesis during a pelvic irradiation using the OMEGA / BEAMnrc code and secondly, to propose an evaluation of some TPS in these limit conditions.BELFORT-BU L. FEBVRE (900102102) / SudocSudocFranceF

Evaluation théorique et expérimentale des doses délivrées en radiothérapie externe aux organes en mouvements (étude de cas : l'oesophage)

The aim of the conformal radiotherapy (CRT) is to irradiate the tumor volume with a protection of the surrounding healthy tissue. However treatment planning is based on morphological or functional static informations. But during the treatment, the patient s physiological movements exist and often lead to displacement or deformation tumor. For organs located in the thorax and under diaphragmatic, the dominant physiological movement is breathing. At present, there are two manners to take into account the internal movement in radiotherapy either by dilating tumour volume with an internal margin or by treating in the respiratory gated radiotherapy. The purpose of this work was to study the mobility of esophageal cancers during a respiratory cycle and analyse their dosimetric consequences. In a first step, an automatic method for evaluating the internal margin was applied to seven patients with esophagus cancer. As a result of a consistent value margin, a dosimetry study was carried out of for patients in particular with the EUD (Equivalent Uniform Dose) volume, which has led us to create a dynamic tool in order to take into account the deformation tumor during a respiratory cycle, EUDrespiratory . However such a margin could carry out to dose increase in organ at risk and particularly at lung. That s why, a computing deformation technic, morphing, has been developed, validated and applied for esophagus. The morphing gives information on the correlation between organ studied and breathing movement. This method could answer both weaknesses of the technology 4DCT and in preoccupation of the patient radioprotection. Finally in the last chapter, measures on films in dynamic radiotherapy, have been conducted with a dynamic platform simulating 2D breathing movement. The establishment of a predosimetric margin was then shown. Moreover, Monte Carlo calculus were introduced to complete these results.L objectif de la radiothérapie conformationnelle (RTC) est d irradier le volume tumoral tout en épargnant au maximum les tissues sains environnants. Cependant la planification du traitement est basée sur des informations morphologiques ou fonctionnelles statiques. Or, durant une séance de traitement, les mouvements physiologiques du patient entraînent souvent des déplacements ou déformations tumorales. Pour les organes situés dans la zone thoracique et sous diaphragmatique, le mouvement physiologique dominant est la respiration. Actuellement en radiothérapie, il existe deux façons de prendre en compte le mouvement interne soit en dilatant le volume tumoral par ajout d une marge interne, soit en traitant le patient en radiothérapie asservie à la respiration (RAR). Le but de ce travail a consisté à étudier la mobilité des tumeurs oesophagiennes au cours d un cycle respiratoire et d en analyser les conséquences dosimétriques. Dans un premier temps, une méthode automatique d évaluation de la marge interne a été appliquée à sept patients atteints du cancer de l œsophage. Du fait d une valeur de marge conséquente, une étude dosimétrique a été réalisée pour ces patients avec le concept de l EUD (Equivalent Uniform Dose) volumique, qui nous a amené à créer un outil d évaluation dynamique prenant en compte les déformations tumorales au cours d un cycle respiratoire, l EUDrespiratoire . Cependant une telle marge pourrait conduire à des surdosages aux organes à risque et notamment au niveau pulmonaire. C est pourquoi une technique de déformation informatique, le morphing, a été développée, validée et appliquée au cas de l œsophage en se référant aux images obtenues par le scanner 4DCT. Le morphing donne une information sur la corrélation entre l organe étudié et le mouvement respiratoire. Cette technique pourrait répondre à la fois aux faiblesses de la technologie 4DCT et au préoccupation de la radioprotection du patient. Enfin, dans le dernier chapitre, des mesures sur films, à l aide d une plateforme dynamique simulant le mouvement respiratoire en 2D, en RTC dynamique ont été réalisées et ont conduit à l établissement d une marge pré-dosimétrique . De plus, des calculs Monte Carlo ont été initiés pour compléter ces résultats.BELFORT-BU L. FEBVRE (900102102) / SudocSudocFranceF

Use of organic scintilators for the spectrometry of photon radiation in a mixed neutron-gamma field

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The role of Monte Carlo numeric simulations in fields associated to the ionising radiations physics

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