Validation des modèles physiques et - asso-lard.eu · Interaction rayonnement ionisant / vivant ... G e a n t 4 .9 .5 s td .o p t3 .u r b a n 9 0 G e a n t 4 .9 .5 d n a C h a m

Validation des modèles physiques et

radiochimiques intervenant dans l’irradiation de

molécules d’ADN en utilisant le logiciel

GEANT4-DNA dans un environnement de

grille.

Phạm Quang Trung, 3ème année de thèse

Université Blaise Pascal – CNRS/IN2P3

Sous la direction de Sébastien INCERTI et Lydia MAIGNE

[email protected]

Plan

I. Introduction 1. Vers la radiobiologie 2. Utilisation Geant4 pour la radiobiologie

II. Intégration de G4-DNA dans GATE 1. Geant4DNA : Les processus et les modèles

2. Intégrer Geant4DNA dans GATE_v6.1 et GATE_v6.2

III. Validation des modèles de physique G4-DNA 1. Le point kernel de dose DPK 2. Validation des modèles physiques dans Geant4.9.5 avec EGSnrc 3. Comparaison du DPK entre Geant4 et GATE_v6.1 4. Comparaison du parcours des électrons entre G4.9.5 et GATE_v6.2

IV. Protonthérapie IBA – Korea 1. Simulation d’une ligne de protonthérapie IBA 2. Validation le Pic de Bragg entre GATE_v6.1 avec les mesures expérimentales 3. Utilisation de l’espace des phases comme une source

V. Conclusions VI. Perspectives

1. Couplage des modèles de physique STD et DNA dans GATE 2. Géométrie de l’ADN

Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 1 11/10/12

Plan









I.1 Vers la radiobiologie

Radiobiologie:

Interaction rayonnement ionisant / vivant

Amélioration des traitements du cancer par radiothérapie

Simulation Monte Carlo: Geant4 et GATE

Objectifs de la thèse:

1. Validation des modèles de physique à basse énergie développés dans

Geant4 pour les proposer dans la plateforme GATE_v6

2. Proposition de modèles de géométrie d’ADN pour GATE_v6

3. Proposition d’un calcul d’énergie déposée à une échelle nanométrique dans

GATE

4. Utilisation des modèles pour calculer des dépôts d’énergie à l’échelle de

l’ADN lors d’un traitement de protonthérapie et prédire le nombre de

cassures SSB et DSB


I.2 Utilisation Geant4 pour la radiobiologie

Echelle nanométrique:

Cassures et réparation de l’ADN Collaboration Geant4DNA

Echelle microscopique:

Survie cellulaire

Echelle macroscopique:

Dose aux tissus et aux organes Collaboration GATE


Plan









Particles e- p H a, He+, He° C, O, N, Fe…

Elastic Scattering

9eV-1MeV Screened Rutherford 4eV-1MeV Champion

Excitation 9eV-1MeV Born 10eV-500keV Miller Green 500keV-100MeV Born

10eV-500keV Miller Green

Effective charges scaling from same models as for proton

Charge Change 100eV-10MeV Dingfelder

100eV-10MeV Dingfelder

Ionisation 11eV-1MeV Born 100eV-500keV Rudd 500keV-100MeV Born

100eV-100MeV Rudd

1keV-400MeV Effective charge scaling 0.5MeV/u-10^6MeV/u

Vibrational Exitation

2eV-100eV Michaud et al

Attachment 4eV-13eV Melton

II.1 Geant4DNA : Les processus et les modèles


II.2 Intégrer G4-DNA dans GATE_v6.1 et v6.2

GateDNAAttachment

GateDNAChargeDecrease

GateDNAChargeIncrease

GateDNAElastic

GateDNAExcitation

GateDNAIonisation

GateDNAVibExcitation

Ajouter les classes dans GATEv6.1

La version GATE_v6.1 basée sur Geant4.9.4

La version GATE_v6.2 basée sur Geant4.9.5.p01

PhysicsList DNA utilisée en fichier macro


Plan




III. Validation des modèles de physique G4-DNA 1. Le point kernel de dose DPK 2. Validation des modèles physiques dans Geant4.9.5 avec EGSnrc 3. Comparaison du parcours des électrons entre G4.9.5 et GATE_v6.2 4. Comparaison du DPK entre Geant4 et GATE_v6.1





III.1 Le Point Kernel de Dose – DPK

Exemple TestEm12 dans Geant4

Sphère d’eau liquide

400 mm de rayon

Source : électron monoénergétique

Nombre de couches : 24

Epaisseurs des couches : 0,05 x rE

D(r/E) : la dose absorbée (MeV.g-1) dans la couche à la distance r (cm)

rE est la parcours CSDA(g.cm-2) de l’électron d’énergie E (MeV)

J(r/rE, E) grandeur normalisée représentant la part d’énergie déposée dans une couche

sphérique entre les rayons r/rE et r/rE + d(r/rE)

Energie 10keV 15keV 50keV 100keV

RE(g/cm-2) NIST

2.515E-04 5.147E-04 4.320E-03 1.431E-02

RE G4-DNA 2.766E-4 5.478E-4 4.413E-3 1.44E-2


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo

)/d(r/ro)

r/ro

10keV EGSnrc

Geant4.9.5 std.opt3.urban90



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/ro

10keV EGSnrc


Geant4.9.5 EM Livermore

Geant4.9.5 std.GS

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/ro

10keV EGSnrc



Geant4.9.5 std.GS

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/ro

10keV EGSnrc


Geant4.9.5 dna Champion

Geant4.9.5 dna Rutherford

III.2 Validation les modèles physiques de Geant4.9.5 avec EGSnrc


III.2 Validation les modèles physiques de Geant4.9.5 avec EGSnrc

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo

)/d(r/ro)

r/ro

10keV EGSnrc



Geant4.9.5 std.GS



0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo

)/d(r/ro)

r/ro

15keV EGSnrc




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/ro

15keV EGSnrc




0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/ro

15keV EGSnrc



Geant4.9.5 std.GS




III.3 Comparaison du parcours des électrons entre G4.9.5 et GATE_v6.2

‐

20

40

60

80

100

120

140

160

0 20 40 60 80 100 120

Parcours (µm)

Energie (keV)

Parcours Electrons Geant4.9.5

Parcours Electrons GATE_v6.2.DNA

• Cuve à eau : 10x10x10 mm3

• Source :

+ électrons mono-énergétique

+direction Z (0 0 1)

+ 10, 15, 20, 30, 40, 50, 80 et

100keV

• PhysicsList : Geant4-DNA


III.4 Comparaison du DPK entre Geant4 et GATE_v6.1

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/Rcsda

Electron 15keV 50 000 par cules

GATE6.1 + DNA

Geant4.9.4 DNA

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

d(E/Eo)/d(r/ro)

r/Rcsda

GATE6.1 DNA

Geant4.9.4 DNA

Electron 10 keV 50 000 par cles

Geant4.9.4

Example TestEm12

PhysicsList DNA

Elastic Scattering : modèle de

Champion

GATE_v6.1

Ne pas simuler les électrons < 8eV


Plan









IV.1 Simulation d’une ligne de protonthérapie IBA

HadronsTherapyStandardPhysics

Nombre de Particules

300 000 000

Voxalise the water phatom

x : y : z 500 : 500 : 500

1. The Source

• E = 191.3MeV

• Gaussien

• E = 1.2

2. First Scatter

• Box: 5 x 12.15 x 0.05 cm3

• Material: Lead

• d = 8.28 g/cm3

3. Ranger modulator

RM1

Box: 16.3 x 16.3 x 0.8395 cm3

Material: Lead

d = 8.28 g/cm3

RM2

Box: 16.3 x 16.3 x 4.4355 cm3

Material: Lexan

d = 1.2 g/cm3

4. Collimator

• Box : 18 x 30.1 x 5.7 cm3

• Material : Nickel

• d = 8.908 g/cm3

5. Water Phantom

• Box: 50 x 50 x 50 cm3

• Voxel size 1 x 1 x 1 mm3

• Material: Water

• d = 1.0 g/cm3


IV.2 Validation le Pic de Bragg entre GATE_v6.1 avec les mesures expérimentales

13.1 cm

Bragg Peak

Water Phantom

13.0 cm

Créer fichier : PhaseSpace.root

Beam

Direction

0

20

40

60

80

100

0 50 100 150 200 250

Dose

Rela

ve (%)

Depth Profil

e

Z (mm)

Phase Space

Experiments

Vérifier : Espace des Phases

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 10 20 30 40 50 60

Probabilité(Nombre

de parcule)

Energie (MeV)

Récupérer leSpectre Proton de fic

h

i er Espace des Phases

WPSpectreProton


IV.3 Utilisation de l’espace des phases comme une source

Intéractions des particules avec la cible très rares

Fortement dépendantes de la distance entre la source et la cible

0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

0 10 20 30 40 50 60

Probabilité(Nombre

de parcule)

Energie (MeV)

Récupérer leSpectre Proton de fic

h

i er Espace des Phases

WPSpectreProton

Réutiliser l’example Microdosimetry Geant4

World Volume

Cible

• World Volume + cible : l’eau liquide

• Dimension de cible:

• 2(diametre) x 2(hauteur)nm : ADN

• 10 nm x 5 nm : Nucleosome

• 25 nm x 25 nm : Chromatine

• PhysicsList

• WorldVolume : Modèle STD

• Cible : Modèle DNA

Energie déposée dans la cible


Plan









Conclusion

GEANT4 pour la radiobiologie:

Méthode Monte Carlo

Gamme d’énergie : ~ eV => ~MeV

Code libre

Intégration des processus et modèles Geant4DNA dans GATE_v6.1

Validation des dépôts d’énergie : dose point kernel dans Geant4,

Geant4DNA et GATE_v6.1

Validation du parcours des électrons dans G4.9.5.p01 et GATE_v6.2

Simulation d’une ligne de protonthérapie IBA (NCC, Corée), validation

entre la simulation et les mesures expérimentales

Utilisation des espaces des phases et des spectres de protons pour

simuler à l’échelle de l’ADN


Plan









Utilisation des deux modèles physiques Standard et Geant4DNA dans Microdosimetry

World Volume : Modèle EmStandard

Activation des processus EmStandard

Target : Modèle Geant4-DNA

Inactivation des modèles standard < 1MeV

Activation des processus G4-DNA

Couplage des deux modèles dans GATE_v6.1

Utiliser les deux modèles physiques Standard et DNA dans GATE

W

T

V.1 Couplage des modèles de physique STD et DNA dans GATE


V.2 Géométrie de l’ADN

A partir de fichier PDB (Protein DataBank)

exemple: 1FZX.pdb (10 pb) http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1FZX

SSB :

seuil d’énergie déposée 8,22 eV

DSB :

distance entre deux SSB 10 pb

Liquid water

Fusion

Geant4DNA:

Dépôts d’énergie

Fichier.pdb

Localisation des atomes

Geant4DNA Fichier PDB Hit X Y Z Edep Atom X Y Z


http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1FZX

http://www.rcsb.org/pdb/explore/explore.do?structureId=1FZX

Merci de votre attention!


Documents

Validation des modèles physiques et - asso-lard.eu · Interaction rayonnement ionisant / vivant ... G e a n t 4 .9 .5 s td .o p t3 .u r b a n 9 0 G e a n t 4 .9 .5 d n a C h a m