The TELEDOS project: TELE-service for DOSe calculations in radiotherapy

Le projet TELEDOS : télé-service pour le calcul de dose en radiothérapie

Bénédicte Poumarède (1) , Bouchra Habib (1) , jean-marc bordy (2) , François Tola (3)

1 LM2S (CEA, LIST) - Laboratoire Modélisation et Simulation de Systèmes (CEA, LIST)
2 LNHB (CEA, LIST) - Laboratoire National Henri Becquerel (CEA, LIST)
3 LCAE (CEA, LIST) - Laboratoire Capteurs et Architectures Electroniques (CEA, LIST)

These last years, the external radiotherapy evolved to an unceasingly increasing of the conformation with the irradiated volume in order to be able to increase the dose to the tumor without increasing toxicity in normal tissues around. This leads to an unceasingly increasing research of the treatment precision. The tools currently available, using conventional numerical methods are fast but not very accurate. An innovative solution is to use Monte Carlo statistical methods, able to give results close to reality, but with calculation times much longer. To meet this challenge, the TELEDOS project, grouping specialists in the field of radiation and computers, was launched in January 2006 for a period of three years. It aimed to improve the uncertainty on the calculated dose in a calculation time less than 10 minutes. These objectives have been achieved by establishing a fast Monte Carlo code on a dedicated parallel and secure architecture. As part of this development, the CEA LIST has been working on optimization, parallelization and dosimetric validation of the Monte Carlo code. The BULL company has developed the hardware and software infrastructure for tele-calculating. The integration of the Monte Carlo code in the Isogray TPS and its availablility to clinical centers have been executed by the DOSISOFT company. At last, the clinical validation of the final product was provided by the clinical centers partners of the project (Institut Gustave Roussy, Institut Curie, Centre Alexis Vautrin, Centre Antoine Laccassagne). Several algorithms of variance reduction were implemented into the PENELOPE code. These include bremsstrahlung splitting, Russian roulette coupled with splitting and circular splitting in the case of geometries with rotational symmetry. All of these methods have enabled to gain a minimum factor of 100 on the calculation time. The parallelization of the PENELOPE code and its optimized version PENFAST allowed to gain a time factor proportional to the number of parallel processors. At least, the dosimetric validation of the optimized code has ensured that simulation results are accurate within the statistical uncertainty.

Ces dernières années, la radiothérapie externe a évolué vers une conformation sans cesse croissante au volume à irradier afin de pouvoir augmenter la dose à la tumeur sans augmenter la toxicité aux tissus sains environnants. Il en résulte une recherche sans cesse croissante dans la précision du traitement. Les outils disponibles actuellement, utilisant des méthodes numériques classiques, sont rapides mais peu précis. Une solution innovante est de recourir aux méthodes statistiques de Monte Carlo, aptes à donner des résultats proches de la réalité. En contrepartie, les temps de calcul sont beaucoup plus longs. Pour répondre à cet enjeu, le projet TELEDOS, qui regroupait des spécialistes dans le domaine des rayonnements ionisants et de l'informatique, a été lancé en janvier 2006 pour une durée de trois ans. Il visait à améliorer l'incertitude sur la dose calculée dans un temps de calcul inférieur à 10 minutes. Ces objectifs ont été atteints en mettant en place un code MC rapide sur une architecture informatique dédiée partageable à distance et sécurisée. Dans le cadre de ce développement, le CEA LIST a travaillé sur l'optimisation, la parallélisation et la validation dosimétrique du code MC. La société BULL a développé l'infrastructure informatique matérielle et logicielle de calcul à distance. L'intégration du code MC dans le TPS Isogray et sa mise à la disposition des centres de traitement ont été confiés à la société DOSISOFT. Enfin, la validation clinique du produit final a été assurée par les centres cliniques partenaires du projet (IGR, IC, CAV, CAL). Plusieurs algorithmes de réduction de variance ont été introduits dans le code PENELOPE. Il s'agit du biaisage de la production des photons de bremsstrahlung, du splitting et de la roulette russe angulaires et du splitting circulaire. L'ensemble de ces méthodes a permis de gagner au minimum un facteur 100 sur le calcul. La parallélisation des codes PENELOPE et de son extension optimisée PENFAST a permis de gagner un facteur temps proportionnel au nombre de processeurs parallèles utilisés. Enfin, la validation dosimétrique du code optimisé a permis de vérifier que les résultats de simulations sont justes aux incertitudes près.

Mots clés: radiotherapy; ionizing radiation; irradiation; dosimetry; cancer; tumor; toxicity; Monte Carlo; particle transport; treatment planning system; TPS; parallelization; software optimization; PENELOPE; PENFAST

Domaines: Physique Médicale [physics.med-ph]; Modélisation et simulation; Méthodologie [stat.ME]; Cancer; Calcul parallèle, distribué et partagé [cs.DC]

Bénédicte Poumarède, Bouchra Habib, jean-marc bordy, François Tola. Le projet TELEDOS : télé-service pour le calcul de dose en radiothérapie. 48èmes journées scientifiques de la Société Française de Physique Médicale (JS-SFPM - 2009), Société Française de Physique Médicale, Jun 2009, Montauban, France. ⟨cea-02570315⟩