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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
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. 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 2 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 3 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 4 11/10/12
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 5 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 6 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 7 11/10/12
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 parcours des électrons entre G4.9.5 et GATE_v6.2 4. Comparaison du DPK entre Geant4 et GATE_v6.1
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 8 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 9 11/10/12
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
Geant4.9.5 std.opt3.urban93
Geant4.9.5 std.opt3.urban95
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
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.opt3.urban90
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
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.opt3.urban90
Geant4.9.5 dna Champion
Geant4.9.5 dna Rutherford
III.2 Validation les modèles physiques de Geant4.9.5 avec EGSnrc
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 10 11/10/12
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.opt3.urban90
Geant4.9.5 EM Livermore
Geant4.9.5 std.GS
Geant4.9.5 dna Champion
Geant4.9.5 dna Rutherford
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
Geant4.9.5 std.opt3.urban90
Geant4.9.5 std.opt3.urban93
Geant4.9.5 std.opt3.urban95
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.opt3.urban90
Geant4.9.5 dna Champion
Geant4.9.5 dna Rutherford
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.opt3.urban90
Geant4.9.5 EM Livermore
Geant4.9.5 std.GS
Geant4.9.5 dna Champion
Geant4.9.5 dna Rutherford
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 11 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 12 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 13 11/10/12
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 14 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 15 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 16 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 17 11/10/12
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 18 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 19 11/10/12
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 20 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 21 11/10/12
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
Phạm Quang Trung _ 29èmes journées des L.A.R.D 22 11/10/12