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Dosimétrie des émetteurs b à l’échelle cellulaire et tissulaire par méthode de Monte Carlo

JJC 2003. Aussois. Dosimétrie des émetteurs b à l’échelle cellulaire et tissulaire par méthode de Monte Carlo. J. Coulot 1 , M. Ricard 1 , A. Faggiano 2 , N. Bellon 3 F. Lavielle 1 , M. Schlumberger 2

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Dosimétrie des émetteurs b à l’échelle cellulaire et tissulaire par méthode de Monte Carlo

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Presentation Transcript

  1. JJC 2003 Aussois Dosimétrie des émetteurs b à l’échelle cellulaire et tissulaire par méthode de Monte Carlo J. Coulot1, M. Ricard1, A. Faggiano2, N. Bellon3 F. Lavielle1, M. Schlumberger2 1 Service de Physique, 2Service de Médecine Nucléaire & Cancérologie Endocrinienne, 3Service Statistiques Institut Gustave-Roussy

  2. CONTEXTE • Problématique • Formalisme • Outils APPLICATIONS • Cancers de la thyroïde • Données de base • Modélisation géométrique • Calculs et résultats

  3. Introduction - la dosimétrie interne Dosimétrie interne : déterminer la dose déposée dans les tissus par des radionucléides distribués dans l’organisme : De façon accidentelle ou dans un but diagnostic : radioprotection Dans un but thérapeutique : relation dose-effet Concept de base : la fraction absorbée

  4. Fraction absorbée Fonction de la géométrie et de la nature du rayonnement : Concept valable uniquement pour un radionucléide distribué de façon homogène dans la source Énergie émise E0 Énergie absorbée Ek Cible k Source h

  5. Méthode du Medical Internal Radiation Dose Comity • Principe du MIRD : estimation de la dose à l’échelle de l’organe, dans des fantômes anthropomorphiques décrits par âge et par sexe : Activité cumulée (nombre total de particules émises) estimée grâce aux images fonctionnelles % d’énergie absorbée Dosek = Énergie totale émise X Masse de l’organe

  6. Un peu plus loin… : Dose par MBq.hdéposée dans le volume k Mesuré Calculé Tabulé

  7. De l’organe… à la cellule Concept de fraction absorbée valable à toutes les échelles Nécessite un MODELE GEOMETRIQUE REPRESENTATIF On peut recalculer les facteurs S à l’échelle qui nous convient Vésicules thyroïdiennes Femme MIRD Thyroïde

  8. Outils Plusieurs codes de calculs dans le domaine public : MCNP, PENELOPE, GEANT, EGS, etc. (www.nea.fr) A l’IGR: utilisation de EGSnrc : Expérience du code EGS (P. Telenczak, J. Gouriou, I. Clairand) Transport des particules chargées ++ Développement d’outils autour de cet environnement NRC-CNRC

  9. Le usercode EGS - DOSE3D 1 2 +1 -2 OR +1 OR +2 +1 +2 • Utilise la géométrie combinatoire • Calcule la fraction absorbée dans chaque volume d’intérêt défini par l’utilisateur Principe de la géométrie combinatoire

  10. DOSE3D - évolutions Adapté à EGSnrc et validé aux échelles cellulaires et tissulaires Dédié à la dosimétrie à l’échelle de l’organe Clairand et al. Improvement of internal dose calculations using mathematical models of different adult heights. Phys Med Biol 45 (2000). INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY Phys. Med. Biol. 48 (2003) 1–12 PII: S0031-9155(03)61049-3 Validation of the EGS usercode DOSE3D for internal beta dose calculation at the cellular and tissuelevels  J Coulot, M Ricard and B Aubert

  11. CONTEXTE • Problématique • Formalisme • Outils APPLICATIONS • Cancers de la thyroïde • Données de base • Modélisation géométrique • Calculs et résultats

  12. Application - Cancers de la Thyroïde • Outil de calcul validé utilisable dans de nombreuses configurations • Première application : étude de l’influence de la distribution de l’iode-131 dans la thyroïde • Contexte : conséquences de l’accident de Chernobyl

  13. Épidémiologie (M. Schlumberger) Ces données ne sont pas corrélées aux estimations dosimétriques (MIRD) • Cancers de la thyroïde des enfants, Belarus • 1977-86: 8 cancers • 1990-98: 583 cancers • Risque relatif en fonction de l’âge lors de l’accident • 1 ans : 237 • 10 ans : 6 • Adultes : pas de risque significatif. ITALIE & FRANCE BELARUS 60 60 50 50 Âge au diagnostic 40 40 N° OF CASES 30 N° OF CASES 30 20 20 10 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 AGE AT DIAGNOSIS (Years) AGE AT DIAGNOSIS (Years)

  14. Étude IGR • Étude pluridisciplinaire : anatomopathologie-médecine nucléaire-statistique-physique-biologie • 31 échantillons de thyroïdes  saines (ablations préventives) ont été étudiés : • Étude morphométrique des tailles de vésicules thyroïdiennes • Étude des caractéristiques fonctionnelles par immunohistochimie : localisation du transporteur de l’iode Na+/I- Symporter (NIS)

  15. La thyroïde Cellules épithéliales Colloïde Thyroïde

  16. Données de base - distribution de diamètres  12 ans > 12 ans 2 groupes morphologiques isolés :  12 ans et > 12 ans • Diamètres moyen vésicules (p<0,001): •  12 ans : 131 µm • > 12 ans : 171 µm CIPR 23 – homme de référence : Adultes : 300 µm 12-15 ans : 250 µm

  17. Données de base - expression du transporteur de l’iode NIS Expression du transporteur de l’iode NIS préférentiellement dans les petites vésicules Faggiano et al., J. Nucl Med., in press Activité métabolique (capacité à concentrer l’iode) Expression NIS

  18. Modélisation – outils développés • Le programme CLUSTER3D, utilise le hasard pour associer des sphères de rayons différents de façon aléatoire dans l’espace sous contraintes de compacité • BUT : améliorer la représentativité des modèles en évitant l’écueil d’une organisation trop géométrique et éloignée de la réalité • Langage JAVA • Programmation objet (proche C) • Multi-plateforme (Windows, Linux, MAC OS) • Gratuit... • Temps de calculs # 3-5 minutes… • Écrit les fichiers de sortie • DOSE3D • Rhinoceros (3D)

  19. Principe z y x • Échantillone une distribution de diamètres • Chaque sphère peut être le germe de création d’une suivante • Des contraintes sont introduites au fur et à mesure de la construction du modèle

  20. Modèles géométriques # 200 sphères de différents rayons > 12 ans Pour obtenir une organisation différente dans l’espace : changement de la séquence de nombres aléatoires  12 ans

  21. Cellules épithéliales - observation Sujet de 17 ans • Prise en compte de l’orientation des cellules épithéliales à la surface des vésicules (observations sur coupes histologiques) : Sujet de 8 ans

  22. Cellules épithéliales - modélisation 15 mm 10 mm « Petites » vésicules Vésicules « intermédiaires » « Grandes » vésicules 5 mm  100mm 100 <  < 200 mm  200 mm colloïde Vésicule thyroïdienne Cellules épithéliales

  23. Calculs -hypothèses 1 131I distribué de façon homogène dans toutes les vésicules 2 131I distribué de façon homogène dans les vésicules exprimant le NIS (les plus petites)

  24. Cas n°1 131I distribué de façon homogène dans toutes les vésicules

  25. Probabilités Écart entre les deux groupes  12 ans : 1 & 2 > 12 ans : 1 & 2 2 S (mGy.MBq-1.h-1) 99 50 Probabilité d’avoir S  ordonnée y (%)

  26. Cas n°2 131I distribué de façon homogène dans les vésicules exprimant le NIS 12 ans : 60 % des vésicules expriment le NIS > 12 ans : 20 % des vésicules expriment le NIS

  27. Probabilités  12 ans > 12 ans S (mGy.MBq-1.h-1) Probabilité d’avoir S  ordonnée y (%)

  28. Conclusions • La dose absorbée dans la thyroïde est hétérogène (« distribution » de la dose) • Les sujets correspondants au modèle > 12 ans toujours moins irradiés que ceux du modèle  12 ans, quelle que soit l’hypothèse. • L’utilisation d’hypothèses fonctionnelles simples augmente l’écart entre les deux groupes de façon significatives

  29. Conclusion - discussion • Nos calculs sont basés sur des hypothèses : l’utilisation de données biologiques quantitatives est indispensable : • Localisation intra-thyroïdienne • Concentration de l’iode dans les vésicules • En projet / en cours : • Étude quantitative de la distribution des isotopes de l’iode dans la thyroïde à l’aide de la microscopie ionique analytique • Application de la méthode de calcul dans le cadre de la radioimmunothérapie

  30. Remerciements • Pr. Martin Schlumberger • Antongiulio Faggiano Médecine Nucléaire & cancérologie endocrinienne • Marcel Ricard • Bernard Aubert • Frédéric Lavielle • Guillaume Bonniaud • Nicolas Bellon Statistique Physique

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