Study of the impact of tissue density heterogeneities on 3-dimensional abdominal dosimetry: comparison between dose kernel convolution and direct monte carlo methods.

Dose kernel convolution (DK) methods have been proposed to speed up absorbed dose calculations in molecular radionuclide therapy. Our aim was to evaluate the impact of tissue density heterogeneities (TDH) on dosimetry when using a DK method and to propose a simple density-correction method. METHODS: This study has been conducted on 3 clinical cases: case 1, non-Hodgkin lymphoma treated with (131)I-tositumomab; case 2, a neuroendocrine tumor treatment simulated with (177)Lu-peptides; and case 3, hepatocellular carcinoma treated with (90)Y-microspheres. Absorbed dose calculations were performed using a direct Monte Carlo approach accounting for TDH (3D-RD), and a DK approach (VoxelDose, or VD). For each individual voxel, the VD absorbed dose, D(VD), calculated assuming uniform density, was corrected for density, giving D(VDd). The average 3D-RD absorbed dose values, D(3DRD), were compared with D(VD) and D(VDd), using the relative difference Δ(VD/3DRD). At the voxel level, density-binned Δ(VD/3DRD) and Δ(VDd/3DRD) were plotted against ρ and fitted with a linear regression. RESULTS: The D(VD) calculations showed a good agreement with D(3DRD). Δ(VD/3DRD) was less than 3.5%, except for the tumor of case 1 (5.9%) and the renal cortex of case 2 (5.6%). At the voxel level, the Δ(VD/3DRD) range was 0%-14% for cases 1 and 2, and -3% to 7% for case 3. All 3 cases showed a linear relationship between voxel bin-averaged Δ(VD/3DRD) and density, ρ: case 1 (Δ = -0.56ρ + 0.62, R(2) = 0.93), case 2 (Δ = -0.91ρ + 0.96, R(2) = 0.99), and case 3 (Δ = -0.69ρ + 0.72, R(2) = 0.91). The density correction improved the agreement of the DK method with the Monte Carlo approach (Δ(VDd/3DRD) < 1.1%), but with a lesser extent for the tumor of case 1 (3.1%). At the voxel level, the Δ(VDd/3DRD) range decreased for the 3 clinical cases (case 1, -1% to 4%; case 2, -0.5% to 1.5%, and -1.5% to 2%). No more linear regression existed for cases 2 and 3, contrary to case 1 (Δ = 0.41ρ - 0.38, R(2) = 0.88) although the slope in case 1 was less pronounced. CONCLUSION: This study shows a small influence of TDH in the abdominal region for 3 representative clinical cases. A simple density-correction method was proposed and improved the comparison in the absorbed dose calculations when using our voxel S value implementation.

Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.

A new alternative method for testing skin irritation using a fresh human skin model

La dermatite irritative est décrite comme une réaction réversible, non immunologique caractérisée par des lésions d'aspect très variable, allant de la simple rougeur jusqu'à la formation de bulles voire d'une nécrose, accompagnée de prurit ou d'une sensation de brûlure suite à I' application d'une substance chimique. Le teste de prédiction d'irritation cutanée est traditionnellement depuis les années 1940 le Test de Draize. Ce test consiste en l'application d'une substance chimique sur une peau rasée de lapin pendant 4h et de regarder à 24h si des signes cliniques d'irritations sont présents. Cette méthode critiquable autant d'un point de vue éthique que qualitative reste actuellement le teste le plus utilisé. Depuis le début des années 2000 de nouvelles méthodes in vitro se sont développées tel que le model d'épiderme humain recombiné (RHE). Il s agit d'une multicouche de kératinocyte bien différencié obtenu depuis une culture de don d'ovocyte. Cependant cette méthode en plus d'être très couteuse n'obtient au mieux que 76% de résultat similaire comparé au test in vivo humain. Il existe donc la nécessité de développer une nouvelle méthode in vitro qui simulerait encore mieux la réalité anatomique et physiologique retrouvée in vivo. Notre objectif a été de développer cette nouvelle méthode in vitro. Pour cela nous avons travaillé avec de la peau humaine directement prélevée après une abdominoplastie. Celle ci après préparation avec un dermatome, un couteau dont la lame est réglable pour découper l'épaisseur souhaitée de peau, est montée dans un système de diffusion cellulaire. La couche cornée est alors exposée de manière optimale à 1 ml de la substance chimique testée pendant 4h. L'échantillon de peau est alors fixé dans du formaldéhyde pour permettre la préparation de lames standards d'hématoxyline et éosine. L'irritation est alors investiguée selon des critères histopathologiques de spongioses, de nécroses et de vacuolisations cellulaires. Les résultats de ce.tte première batterie de testes sont plus que prometteurs. En effet, comparé au résultat in vivo, nous obtenons 100% de concordance pour les 4 même substances testes irritantes ou non irritantes, ce qui est supérieur au model d épiderme humain recombiné (76%). De plus le coefficient de variation entre les 3 différentes séries est inférieur à 0.1 ce qui montre une bonne reproductibilité dans un même laboratoire. Dans le futur cette méthode va devoir être testée avec un plus grand nombre de substances chimiques et sa reproductibilité évaluée dans différents laboratoires. Mais cette première evaluation, très encourageante, ouvre des pistes précieuses pour l'avenir des tests irritatifs.