Diapositive 1

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SIMULATIONS MONTE CARLO GATE BASEE
SUR GEANT4 PARALLELISATION SUR GRILLE DE
CALCUL Lydia MAIGNE maigne_at_clermont.in2p3.fr Equi
pe PCSV 12
1  Laboratoire de Physique Corpusculaire, 24
avenue des Landais, 63177 Aubière cedex 2 
Unité de physique médicale, département de
radiothérapie-curiethérapie du Centre Jean
Perrin, 63000 Clemont-Ferrand.
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Développer une interface software entre la
physique corpusculaire et les sciences du vivant
Deploiement dune grille de calcul pour les
applications médicales Projet européen DataGrid

• Réduction des temps de calcul
• Parallélisation de simulations Monte Carlo

• optimiser les performances des détecteurs et des
  traitements
• Améliorer la qualité des images médicales
• Etudes dosimétriques

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Equipe PCSV une recherche pluridisciplinaire
V. Breton
Grille de calcul DataGrid Y. Legré L. Maigne
Collaboration OpenGATE développement dune
plateforme de simulation Monte Carlo pour la
médecine nucléaire et la dosimétrie
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Facilités assurées par une UI accueillante
Fonctionnalités avancées géometrie, physique,
visualisation etc.
Architecture rigoureuse
Extensible Répondre à la demande des utilisateurs
et les applications bio-médicales
Assurance Qualité basée sur une maintenance du
soft
Transparence de la physique
Validations indépendantes Par une large
communauté dutilisateurs dans le monde
User support d experts
Utilisation de librairies de données évaluées
Cf Maria Grazia Pia
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Validations de GEANT4 en radiothérapie-curiethérap
ie
Validation nécessaire de GEANT4 vis à vis
dautres codes de simulation
Comparer GEANT4 à EGS4, EGSNRC, MCNP, PENELOPE
Différentes géométries
Milieux homogènes et multi couches
Emissions monoénergétiques et faisceau réel
Différentes sources
Différentes particules
Electrons et photons
Différentes énergies
Quelques eV à 20 MeV
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Electrons de 521 keV intéragissant dans du Be
Faisceau monoénergétique Milieu homogène
Cf travaux de Jean François Carrier, Université
de Laval, Québec
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Faisceau de photons de 18 MV
Faisceau réel Fantôme multi couches
Cf travaux de Jean François Carrier, Université
de Laval, Québec
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La structure de GATE
Messengers pour toutes ces implémentations C
Lutilisateur ne code quen lignes de commandes
Données en sortie à exploiter (Root.)
Processus physiques (e-/e et photons)
Sources émission de faisceaux ou désintégrations
radioactives
Définition des temps et mouvements
Définition des matériaux et des géométries
(images DICOM)
Noyau Geant4 (C) Geant4 est constitué en 17
catégories. Développées indépendamment et
maintenues par des WGs. Interfaces entre les
catégories sont maintenues par une architecture
globale WG.
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La curiethérapie au Centre Jean Perrin
D. Donnarieix (physicienne médicale)

• Curiethérapie endocavitaire, HDD (192Ir, 137Cs)

• Curiethérapie interstitielle (192Ir)

• Curiethérapie oculaire (106Ru/106Rh)

Les planifications de traitement (TPS)

• Type PLATO

• Plaque Simulator Bebig

• Logiciels analytiques très rapides (résultats
  instantanés)
• Ils bénéficient déjà de calculs effectués par
  Monte Carlo anisotropie, seau,air
• Ils effectuent aussi certaines approximations
  hétérogénéités des milieux.
• Moins adaptés à des traitements plus complexes
  (IMRT)..

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Simulation dun traitement de curiethérapie
endocavitaire Haut Débit de Dose (HDD)
QUADOS Quality Assurance of Computational Tools
for Dosimetry

• Caractéristiques de la source d192Ir

• Géométrie de la source simulée
• Spectre en énergie de l192Ir
• 33 raies gamma de 61,49 keV à 1378,30 keV

• Etudes réalisées
• Calcul des fonctions danisotropie
• Calcul de la distribution de dose dun traitement

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1. Les fonctions danisotropie

Facteur de géométrie
Fonction danisotropie
Effects of source anisotropy
Suivant laxe transverse de la source
Suivant laxe longitudinal de la source
Simulation Plato Data
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• Les conditions de simulation

• Source placée dans une sphère deau de 12 cm de
  diamètre
• 10 millions de photons générés de manière
  isotropique (angle solide de 4?)

Pour 19 angles polaires ? à r 1.0, 2.0, 3.0,
4.0 et 5.0 cm.
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• Les comparaisons

r2.0cm
r3.0cm
r4.0cm
r5.0cm
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2) Distribution de dose dun traitement

• Les conditions de simulation

• 18.7 millions de photons générés de manière
  isotropique (angle solide de 4?)

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Distribution de dose relative
Distribution de dose absolue
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Simulations en curiethérapie oculaire à laide
dapplicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh

• Les applicateurs ophtalmiques de 106Ru sont
  utilisés dans le traitement de certaines tumeurs
  oculaires
• mélanomes de la choroïde
• mélanomes du corps ciliaire
• mélanomes de liris

CCA
CCB
Fabricant allemand BEBIG
CIA
CGD
COB
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Les mesures détalonnage

• Mesures d'étalonnage avec incertitude importante
• Gradient de dose élevé sur de très faibles
  distances
• Taille des détecteurs (scintillateurs plastiques)

• Besoin d'une connaissance précise de la
  distribution de dose pour optimiser les
  traitements

• Traitement des tumeurs de petite taille

• Irradiation diminuée des tissus sains

• Le certificat détalonnage des sources est
  composé de 3 parties
• Activité de la source à la date de référence
• Débit de dose à la surface du disque et en
  profondeur sur laxe central du disque
  
• Linhomogénéité de dose en surface
• CE DEBIT EST CALCULE POUR CHAQUE APPLICATION
  COMPTE TENU DE LA DECROISSANCE RADIOACTIVE.

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Exemple de curiethérapie oculaire sur une tumeur
bénigne récidivante
patiente adressée par le service dOphtalmologie
du CHRU, Pr Bacin (Clermont-Ferrand), traitée
dans le département de Radiothérapie -
Curiethérapie du Centre Jean Perrin, Pr Verrelle
chef du département et Dr Achard chef d'unité de
curiethérapie (Clermont-Ferrand)
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De la simulation Monte Carlo au calcul de dose
déposée

• Oeil simulé par une sphère deau de 24 mm de
  diamètre
• 4 millions délectrons générés de manière
  isotropique (angle solide de 4?)
• 3 principales raies gamma 21 à 511.86 keV,
  9,95 à 621.984 keV et 1,47 à 1050.34 keV
• Coupures en distance sur le parcours des
  électrons 0.01 mm

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1. Dépôts de dose relative

CCA
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1. Dépôts de dose absolue

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Des simulations Monte Carlo temps réel?
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Le principe dune grille de calcul
Partage dynamique des ressources informatiques
distantes et distribuées géographiquement pour le
stockage de gros volumes de données et pour
accroître les puissances de calcul

• Objectifs

• permettre à des organisations dispersées
  de partager
• des applications,
• des données,
• des ressources comme de la puissance de calcul
  ou de l'espace disque.

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Les ressources disponibles sur DataGrid
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Parallélisation de simulations GATE sur DataGrid

• Principle

La longue série de nombres aléatoires utilisée
dans la simulation est découpée.

• Le générateur de nombres aléatoires (RNG)

• Très longue période 2144

• Création de 900 million de sous-séquences qui ne
  se chevauchent pas

• Production de nombres pseudoaléatoires par un
  algorithme déterministe
• F. James dans CLHEP

• Méthode de parallélisation Sequence splitting
  (découpage séquentiel)

x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 x12 x13 x14 x15
Status 1
Status 2
Status 3
File1.rndm
File2.rndm
File3.rndm
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5) Récupération dimages DICOM
4) Envoi des jobs
6) Rapatriement des fichiers de sortie
7) Analyse des données
1) Elaboration dune simulation GATE
Ordinateur personnel du physicien
2) Découpage de la simulation
3) Création des fichiers à envoyer sur la grille
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Tests de temps de calcul
CC-IN2P3 200 bi-processeurs (PIII 750 MHz, 1GHz
et PIV 1,4 GHz)

• Comparaison du temps de calcul entre une
  soumission locale et parallèle

Lancement dune simulation de curiethérapie
oculaire 4 millions de- générés
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Références

• Sur GATE

http//www-lphe.epfl.ch/PET/OpenGATE/documentati
on

• Léquipe PCSV

http//clrpcsv.in2p3.fr

• Sur DATAGRID

http//marianne.in2p3.fr
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Geant4 peut décrire des géométries complexes à
laide de plusieurs méthodes CSG, BREP,
Boolean STEP compliant XML interface
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Il y a 7 catégories de processus dans
Geant4 Electromagnetiques Effet Phoe-,
Compton, Ionisation, Bremssthralung,.. Hadroniq
ues Photolepton_hadron Décroissance Optique Transp
ort Paramétrisation
Lutilisateur a le pouvoir de choisir les
processus et modèles physiques quil désire pour
sa simulation
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HARP
Geant4 Collaboration
PPARC
Univ. Barcelona
Collaborators also from non-member institutions,
including Budker Inst. of Physics IHEP
Protvino MEPHI Moscow Pittsburg University
Lebedev
Helsinki Inst. Ph.
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