Transcript SIMULATIONS MONTE CARLO BASEE SUR GEANT4 PARALLELISATION SUR GRILLE DE CALCUL

SIMULATIONS MONTE CARLO
GATE BASEE SUR GEANT4
PARALLELISATION SUR GRILLE DE
CALCUL
Lydia MAIGNE
[email protected]
Equipe PCSV 1+2
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.
Journées Jeunes Chercheurs 2003
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Développer une interface software entre
la physique corpusculaire et les sciences
du vivant
Deploiement d’une 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
Simulations Monte Carlo
GEANT4 en médecine
nucléaire, radiothérapiecuriethérapie
Journées Jeunes Chercheurs 2003
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Equipe PCSV: une recherche pluridisciplinaire
V. Breton
Radiothérapie-curiethérapie
D. Donnarieix (PhD medical physicist)
L. Maigne; C.O. Thiam (PhD students)
Médecine nucléaire
D. Lazaro (PhD physicist)
Z. Elbitar (PhD student)
INSERM U494 (Paris)
SPECT, PET simulations
Centre Jean Perrin
Département de radiothérapie-curiethérapie
Centre Jean Perrin
Nuclear medicine dpt
Grille de calcul: DataGrid
Y. Legré; L. Maigne
Collaboration OpenGATE : développement d’une plateforme de simulation
Monte Carlo pour la médecine nucléaire et la dosimétrie
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Fonctionnalités avancées
géometrie, physique, visualisation etc.
Facilités assurées par une UI
accueillante
Architecture
rigoureuse
Extensible
Répondre à la demande
des utilisateurs
Assurance Qualité
basée sur une
maintenance du soft
Transparence de
la physique
User support
experts
et les applications
bio-médicales
d’
Validations indépendantes
Par une large communauté
d’utilisateurs dans le monde
Utilisation de librairies de
données évaluées
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Cf Maria Grazia Pia
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Validations de GEANT4 en
radiothérapie-curiethérapie
Validation nécessaire de GEANT4 vis à vis d’autres codes de simulation
Comparer GEANT4 à EGS4, EGSNRC, MCNP, PENELOPE…
Différentes géométries
Différentes sources
Différentes particules
Différentes énergies
Milieux homogènes et multi couches
Emissions monoénergétiques
et faisceau réel
Electrons et photons
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++ :
L’utilisateur ne code qu’en 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 d’un traitement de curiethérapie
endocavitaire Haut Débit de Dose (HDD)
QUADOS : Quality Assurance of Computational Tools for Dosimetry
 Caractéristiques de la source d’192Ir:
 Géométrie de la source simulée
Noyau actif d’192Ir
4.5 mm
0.9
mm
Câble en acier
0.65 mm
3.6 mm
 Spectre en énergie de l’192Ir
Courtesy of R.
Taschereau, UCSF
33 raies gamma de 61,49 keV à 1378,30 keV
 Etudes réalisées:
Calcul des fonctions d’anisotropie
Calcul de la distribution de dose d’un traitement
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1) Les fonctions d’anisotropie
Facteur de géométrie:
G ( r , ) 
Fonction d’anisotropie:

F ( r , ) 
L.r.sin 
G ( r , 0 ) D ( r , )

G ( r , ) D( r , 0 )
Effects of source anisotropy
Suivant l’axe transverse de la source
Suivant l’axe longitudinal de la source
Simulazioni
Simulation
Plato
Plato
Misure
Data
2,5
2,0
Dose %
2,0
Dose %
Simulazioni
Simulation
Plato
Plato
2,5
1,5
1,0
1,5
1,0
0,5
0,5
0,0
0,0
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Distanza lungo Z (mm)
Distanza lungo X (mm)
Distance along Z (mm)
Distance along X (mm)
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 Les conditions de simulation:
 Source placée dans une sphère d’eau 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:
r=2.0cm
r=3.0cm
r=4.0cm
r=5.0cm
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2) Distribution de dose d’un 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 l’aide
d’applicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh
Les applicateurs ophtalmiques de 106Ru sont utilisés dans le traitement
de certaines tumeurs oculaires :
 mélanomes de la choroïde
CCA
 mélanomes du corps ciliaire
 mélanomes de l’iris
Fabricant
allemand:
BEBIG
Partie radioactive
106Ru
: 0.2 mm
CCB
CIA
CGD
Epaisseur 0.7 mm d’Ag
Epaisseur 0.1 mm d’Ag
COB
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Les mesures d’étalonnage
 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 d’étalonnage 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 l’axe central du

disque
L’inhomogénéité 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 d’Ophtalmologie 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)
1°) Diagnostic de la tumeur:
Dimensions de la tumeur fournies
par échographie




2°)
oeil gauche
Kyste d’invasion
de la chambre
antérieure
Grand diamètre = 4 mm
Petit diamètre = 2 mm
Epaisseur tumeur = 0.96 mm
Epaisseur de la sclère = 1.0 mm
Choix de l’applicateur:
diamètre externe = 15.5 mm x10 mm
diamètre actif = 14.1 mm x 8.6 mm
3°)
Dosimétrie: Plaque simulator BEBIG
Prescription médicale toujours la même:
30 Gy à 2 mm
Protocole ASMW
Protocole NIST
Durée du traitement
= 10,66 h
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Facteurs de conversion
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De la simulation Monte Carlo au
calcul de dose déposée




Oeil simulé par une sphère d’eau de 24 mm de diamètre
4 millions d’électrons 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
1°)
2°)
Dépôt de dose suivant l’axe central de
la sphère d’eau :
Cylindres d’eau :
2 X 2 mm et 1 X 0,5 mm
z
3°)
Générer suffisamment de particules
pour des dépôts de dose plus précis :
Emission électronique suivant l’équation :
U = p0 E5 + p1 E4 + p2 E3 + p3 E2 + p4 E + p5
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1) Dépôts de dose relative
CCA
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2) Dépôts de dose absolue
CCA
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Des simulations Monte Carlo
temps réel?
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Le principe d’une 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
Status 1
File1.rndm
x5
x6
x7
x8
x9
x10
Status 2
File2.rndm
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x11
x12
x13 x14 x15
Status 3
File3.rndm 25
5°) Récupération
d’images DICOM
Computing
Element
Computing
Element
Computing
Element
Storage
Element
Storage
Element
Computing
Element
Storage
Element
Storage
Element
Computing
Element
Storage
Element
4°) Envoi des jobs
6°) Rapatriement des
fichiers de sortie
7°) Analyse des données
1°) Elaboration d’une
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 d’une simulation de curiethérapie oculaire: 4 millions d’e- générés
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Références
 Sur GATE:
http://www-lphe.epfl.ch/~PET/OpenGATE/documentation
 L’équipe PCSV:
http://clrpcsv.in2p3.fr
 Sur DATAGRID:
http://marianne.in2p3.fr
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