Development and validation of Monte Carlo dose computations for contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy

La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovante utilisant un faisceau synchrotron de rayons X monochromatiques entre 50 et 100 keV. Une augmentation de dose par prise de contraste est obtenue localement par effet photoélectrique sur unélément lourd injecté dans le volume cible (tumeur cérébrale). Des essais cliniques de SSRT sont encours de préparation à l’ESRF (établissement européen de rayonnement synchrotron). Un systèmede planification de traitement (TPS) est nécessaire pour le calcul de l’énergie déposée au patient(dose) pendant le traitement. Une version dédiée du TPS ISOgray a donc été développée. Ce travaildécrit l’adaptation du TPS réalisée, particulièrement au niveau du module de simulation virtuelleet de dosimétrie. Pour un calcul de dose, le TPS utilise une simulation Monte Carlo spécifique desphotons polarisés et de basse énergie. Les simulations sont réalisées depuis la source synchrotron,à travers toute la géométrie de la ligne de lumière modélisée et dans le patient. Pour ce calcul, desmatériaux spécifiques ont été notamment ajoutés pour la modélisation voxélisée du patient, afin deprendre en compte la présence d’iode dans certains tissus. Le processus de calcul Monte Carlo a étéoptimisé en vitesse et précision. De plus, un calcul des doses absolues et des temps d’irradiation,particulier à la SSRT, a été ajouté au TPS. Grâce à des mesures de rendements, profils de dose, etdoses absolues, réalisées à l’ESRF en cuve à eau et en fantôme solide avec ou sans couche d’os, lecalcul de dose du TPS a été validé pour la SSRT.Contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy (SSRT) is an innovative techniquebased on localized dose-enhancement effects obtained by reinforced photoelectric absorption inthe tumor. Medium energy monochromatic X-rays (50 - 100 keV) are used for irradiating tumorspreviously loaded with a high-Z element. Clinical trials of SSRT are being prepared at the EuropeanSynchrotron Radiation Facility (ESRF), an iodinated contrast agent will be used. In order tocompute the energy deposited in the patient (dose), a dedicated treatment planning system (TPS)has been developed for the clinical trials, based on the ISOgray TPS. This work focuses on the SSRTspecific modifications of the TPS, especially to the PENELOPE-based Monte Carlo dose engine. TheTPS uses a dedicated Monte Carlo simulation of medium energy polarized photons to compute thedeposited energy in the patient. Simulations are performed considering the synchrotron source, themodeled beamline geometry and finally the patient. Specific materials were also implemented inthe voxelized geometry of the patient, to consider iodine concentrations in the tumor. The computationprocess has been optimized and parallelized. Finally a specific computation of absolute dosesand associated irradiation times (instead of monitor units) was implemented. The dedicated TPSwas validated with depth dose curves, dose profiles and absolute dose measurements performedat the ESRF in a water tank and solid water phantoms with or without bone slabs

Planification de traitement en radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron. Développement et validation d'un module de calcul de dose par simulations Monte Carlo

Contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy (SSRT) is an innovative techniquebased on localized dose-enhancement effects obtained by reinforced photoelectric absorption inthe tumor. Medium energy monochromatic X-rays (50 - 100 keV) are used for irradiating tumorspreviously loaded with a high-Z element. Clinical trials of SSRT are being prepared at the EuropeanSynchrotron Radiation Facility (ESRF), an iodinated contrast agent will be used. In order tocompute the energy deposited in the patient (dose), a dedicated treatment planning system (TPS)has been developed for the clinical trials, based on the ISOgray TPS. This work focuses on the SSRTspecific modifications of the TPS, especially to the PENELOPE-based Monte Carlo dose engine. TheTPS uses a dedicated Monte Carlo simulation of medium energy polarized photons to compute thedeposited energy in the patient. Simulations are performed considering the synchrotron source, themodeled beamline geometry and finally the patient. Specific materials were also implemented inthe voxelized geometry of the patient, to consider iodine concentrations in the tumor. The computationprocess has been optimized and parallelized. Finally a specific computation of absolute dosesand associated irradiation times (instead of monitor units) was implemented. The dedicated TPSwas validated with depth dose curves, dose profiles and absolute dose measurements performedat the ESRF in a water tank and solid water phantoms with or without bone slabs.La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovante utilisant un faisceau synchrotron de rayons X monochromatiques entre 50 et 100 keV. Une augmentation de dose par prise de contraste est obtenue localement par effet photoélectrique sur unélément lourd injecté dans le volume cible (tumeur cérébrale). Des essais cliniques de SSRT sont encours de préparation à l’ESRF (établissement européen de rayonnement synchrotron). Un systèmede planification de traitement (TPS) est nécessaire pour le calcul de l’énergie déposée au patient(dose) pendant le traitement. Une version dédiée du TPS ISOgray a donc été développée. Ce travaildécrit l’adaptation du TPS réalisée, particulièrement au niveau du module de simulation virtuelleet de dosimétrie. Pour un calcul de dose, le TPS utilise une simulation Monte Carlo spécifique desphotons polarisés et de basse énergie. Les simulations sont réalisées depuis la source synchrotron,à travers toute la géométrie de la ligne de lumière modélisée et dans le patient. Pour ce calcul, desmatériaux spécifiques ont été notamment ajoutés pour la modélisation voxélisée du patient, afin deprendre en compte la présence d’iode dans certains tissus. Le processus de calcul Monte Carlo a étéoptimisé en vitesse et précision. De plus, un calcul des doses absolues et des temps d’irradiation,particulier à la SSRT, a été ajouté au TPS. Grâce à des mesures de rendements, profils de dose, etdoses absolues, réalisées à l’ESRF en cuve à eau et en fantôme solide avec ou sans couche d’os, lecalcul de dose du TPS a été validé pour la SSRT

Planification de traitement en radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron. Développement et validation d'un module de calcul de dose par simulations Monte Carlo

La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovanteutilisant un faisceau synchrotron de rayons X monochromatiques entre 50 et 100 keV. Une augmentationde dose par prise de contraste est obtenue localement par effet photoélectrique sur unélément lourd injecté dans le volume cible (tumeur cérébrale). Des essais cliniques de SSRT sont encours de préparation à l ESRF (établissement européen de rayonnement synchrotron). Un systèmede planification de traitement (TPS) est nécessaire pour le calcul de l énergie déposée au patient(dose) pendant le traitement. Une version dédiée du TPS ISOgray a donc été développée. Ce travaildécrit l adaptation du TPS réalisée, particulièrement au niveau du module de simulation virtuelleet de dosimétrie. Pour un calcul de dose, le TPS utilise une simulation Monte Carlo spécifique desphotons polarisés et de basse énergie. Les simulations sont réalisées depuis la source synchrotron,à travers toute la géométrie de la ligne de lumière modélisée et dans le patient. Pour ce calcul, desmatériaux spécifiques ont été notamment ajoutés pour la modélisation voxélisée du patient, afin deprendre en compte la présence d iode dans certains tissus. Le processus de calcul Monte Carlo a étéoptimisé en vitesse et précision. De plus, un calcul des doses absolues et des temps d irradiation,particulier à la SSRT, a été ajouté au TPS. Grâce à des mesures de rendements, profils de dose, etdoses absolues, réalisées à l ESRF en cuve à eau et en fantôme solide avec ou sans couche d os, lecalcul de dose du TPS a été validé pour la SSRT.Contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy (SSRT) is an innovative techniquebased on localized dose-enhancement effects obtained by reinforced photoelectric absorption inthe tumor. Medium energy monochromatic X-rays (50 - 100 keV) are used for irradiating tumorspreviously loaded with a high-Z element. Clinical trials of SSRT are being prepared at the EuropeanSynchrotron Radiation Facility (ESRF), an iodinated contrast agent will be used. In order tocompute the energy deposited in the patient (dose), a dedicated treatment planning system (TPS)has been developed for the clinical trials, based on the ISOgray TPS. This work focuses on the SSRTspecific modifications of the TPS, especially to the PENELOPE-based Monte Carlo dose engine. TheTPS uses a dedicated Monte Carlo simulation of medium energy polarized photons to compute thedeposited energy in the patient. Simulations are performed considering the synchrotron source, themodeled beamline geometry and finally the patient. Specific materials were also implemented inthe voxelized geometry of the patient, to consider iodine concentrations in the tumor. The computationprocess has been optimized and parallelized. Finally a specific computation of absolute dosesand associated irradiation times (instead of monitor units) was implemented. The dedicated TPSwas validated with depth dose curves, dose profiles and absolute dose measurements performedat the ESRF in a water tank and solid water phantoms with or without bone slabs.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Modeling the dynamics of mosquito breeding sites vs rainfall in Barkedji area, Senegal

International audienceMosquito-borne diseases like Rift Valley Fever and Malaria that cause serious health threat to human and livestock populations are known to correlate with the tremendous increase of associated mosquito vectors following periods of widespread and heavy rainfall. In the Barkedji area, Senegal, rainfall occur only during the July–October wet season, and mosquito breeding sites are provided by relatively small temporary ponds, which account for the vast majority of the water surfaces during the rainy season. Given that rain fed ponds play a key role in the epidemiology of the mosquito-borne diseases, we have developed an approach allowing to model the flooding/drying dynamics of rain fed ponds in the Barkedji area by combining the detection of ponds using optical remote sensing techniques, field data on a small set of monitored ponds and modeling of both the pond profile, shapes and the flooding/drying dynamics at the single-pond level for each pond in the entire region.As a result, we have computed on output the daily flooding/drying dynamics for each of the 1345 rain fed ponds detected in Barkedji area as a function of the daily rainfall in input. As dry and fluctuating ponds are less productive in mosquitoes, the ponds are characterizes in terms of flooding-drying fluctuations and of resistance to dryness by computing the total number of time per year a pond dries out and the pond lifetime, respectively. And, clusters of ponds with identical behavior, i.e., clusters of temporary, semi-permanent and permanent ponds, were subsequently identified.As a perspective, we show how this work can be used for modelling mosquito population dynamics and addressing the issues of associated impacts of climate change

[Synchroton radiotherapy].

International audienceRadiation therapy is commonly used in the treatment of cancer. The normal tissue tolerance can be a limit to deliver enough dose to the tumor to be curative. The synchrotron beam presents some interesting physical properties, which could decrease this limitation. Synchrotron beam is a medium energy X-ray nearly parallel beam with high intensity. Three methods are under preclinical investigations: the microbeam, the minibeam and the stereotactic radiotherapy. The first two use a geometric irradiation effect called spatial fractioning. The last one use highly conformational irradiation geometry combined with a dose enhancement due to the presence of high-Z element in the target. Synchrotron radiotherapy preclinical experiments have shown some curative effect on rodent glioma models. Following these encouraging results a phase I/II clinical trial of iodinated enhanced stereotactic synchrotron radiotherapy is currently being prepared at the European Synchrotron Radiation Facility

Radiation Therapy Using Synchrotron Radiation: Preclinical Studies Toward Clinical Trials

International audienceAfter decades of intensive research, high-grade gliomas are still resistant to therapies, including surgery, chemotherapy, and radiotherapy or a combination thereof. The most important advance in the treatment of these tumors has been the introduction of a new chemotherapy drug called temozolomide, in combination with external beam photon irradiation [1]. One of the goals of the association of the CHU/UJF/ INSERM and ESRF teams has been to develop research on synchrotron radiotherapy up to clinics