Un outil de simulation de la mesure anthroporadiamétrique

1.2
ŒDIPE
Un outil de simulation
de la mesure
anthroporadiamétrique
L’
évaluation du niveau de contamination interne de personnes ayant
incorporé des radionucléides est une des missions du Laboratoire
d'évaluation de la dose interne (LEDI) de l’IRSN.
La méthode d’estimation de la contamination interne présentée ici est
l’anthroporadiamétrie. Elle consiste en la mesure directe des rayonnements X
et gamma émis par les radionucléides présents dans le corps entier ou dans
un organe particulier (thyroïde, poumons, etc.).
Cette méthode est rapide et aisée à mettre en œuvre pour des radionucléides
émetteurs X ou gamma dont les énergies sont supérieures à 100 keV.
Mais en présence d’actinides (tels que l’uranium, le plutonium ou l’américium)
et en cas d’incorporation pulmonaire ou de blessure cutanée, la détection
est rendue complexe et délicate du fait des faibles énergies des rayonnements
émis et de leur forte absorption dans les tissus humains. De plus,
bien que d’importants efforts aient été réalisés pour améliorer la fabrication
des fantômes physiques servant à l’étalonnage des installations
anthroporadiamétriques, les fantômes ne peuvent fournir qu’une représentation
plus ou moins grossière des tissus humains. Par conséquent, des corrections
significatives des facteurs d’étalonnage obtenus au moyen de ces fantômes
sont nécessaires pour qu’une mesure anthroporadiamétrique d’un individu
contaminé à la suite d’une incorporation pulmonaire ou d’une blessure
cutanée soit optimale. Ces corrections, délicates à réaliser, sont essentielles
notamment pour la mesure in vivo basse énergie tant les absorptions dans
les tissus sont significatives [1].
Des fantômes numériques voxélisés(1) sont associés à des techniques de calcul Monte Carlo [2] pour
améliorer l'étalonnage dans ces conditions. Une interface conviviale appelée ŒDIPE (Outil d’évaluation
de la dose interne personnalisée) permet de créer et d’utiliser des fantômes voxélisés construits à partir
d'images scanner ou IRM. Elle permet aussi de simuler la mesure, dans des conditions proches de la réalité, en créant le fichier d’entrée du code de calcul Monte Carlo pour la simulation du transport des particules (MCNP). Les premiers développements et validations de l’outil ŒDIPE ont montré l’intérêt et le
potentiel de l’utilisation des fantômes voxélisés pour la mesure anthroporadiamétrique [3-6].
(1) Fantôme numérique voxélisé :
mannequin d’étalonnage créé à
partir d’images numériques, IRM
ou scanner, dans lesquelles le voxel
[= volume pixel] est l’équivalent
3D du pixel.
(2) Commission internationale des
unités et mesures radiologiques.
10
Présentation d'ŒDIPE
L’outil informatique ŒDIPE permet de simuler une mesure anthroporadiamétrique et d'effectuer ensuite
un calcul de dose (ce dernier point ne sera pas abordé dans ce texte). La figure 1 illustre les fonctionnalités d'ŒDIPE.
L’homme et les rayonnements ionisants
Didier FRANCK, Loïc DE CARLAN
Laboratoire d’évaluation de la dose interne
ŒDIPE : Outil d'Évaluation
de la Dose Interne PErsonnalisée
1
2
Entrée des données
nécessaires à la création
du fichier MCNP
Création du fichier d'entrée
MCNP
Images scanner
ou IRM
3
E
Description
de la source
radioactive
Œ
IP
D
1.2
Calcul
Monte Carlo
Choix et
positionnement du
ou des détecteurs
(spectrométrie)
4
Lecture et extraction
des données pertinentes
du fichier de sortie
MCNP
5
DOSE
Courbes iso-débit de dose
Visualisation
des données
(dose déposée ou
spectre de dépôt
d'énergie dans
le détecteur )
SPECTRES
Comparaison simulation/mesure
Figure 1 : Synoptique du fonctionnement du logiciel ŒDIPE.
La première étape consiste à réaliser des images scanner ou IRM de la
lèlement à l’interface ŒDIPE. Ce logiciel est utilisé uniquement pour ses
personne à mesurer ou du fantôme à étudier. Une fois celles-ci impor-
fonctionnalités de traitement d’images, car il permet de faire de façon
tées dans l’interface, un module de traitement des images les segmente,
semi-automatique un contour des organes ou des tissus étudiés à partir
grâce aux différents niveaux de gris contenus dans l'image, puis associe
d’images tomographiques (scanner ou IRM). Une passerelle a également
les différents organes aux densités tissulaires définies par l’International
été mise en place entre DOSIGRAY et l’interface ŒDIPE pour pouvoir
Commission of Radiation Units and Measurements(2) (ICRU) [7]. Cette
exploiter directement le fantôme segmenté.
étape conduit à la définition du fantôme numérique. Ensuite, on introduit le temps de comptage, la géométrie de la source (caractère ponctuel
ou étendu), les radionucléides présents et leurs activités.
Validation d’ŒDIPE
Enfin, la dernière étape consiste à choisir un ou plusieurs détecteurs dans
une bibliothèque (dans laquelle sont stockées toutes les caractéristiques
Un premier travail a consisté à modéliser le système de comptage
géométriques et intrinsèques des détecteurs proposés) et à les position-
multi-détecteurs du Laboratoire d’analyses de biologie médicale de
ner par rapport au fantôme numérique. À partir de ces données, ŒDIPE
COGEMA Marcoule (LABM-Marcoule) à partir des plans fournis par le
génère automatiquement le fichier d’entrée pour le code Monte Carlo
constructeur (figure 2). Pour valider le modèle, les résultats de mesures
MCNP. Cette fonctionnalité, spécifique à ŒDIPE, en fait un outil essentiel
effectuées in situ avec des sources radioactives ponctuelles ont été
pour l’évaluation de la contamination interne.
comparés aux résultats des mesures simulées par le modèle. Des mesu-
Afin d’améliorer et d’accélérer cette étape critique du processus de simu-
res complémentaires ont ensuite été effectuées avec le fantôme de
lation qu’est la segmentation, le logiciel DOSIGRAY a été installé paral-
Livermore (fantôme utilisé pour l’étalonnage des mesures pulmonaires –
IRSN - Rapport scientifique et technique 2005
11
1.2
figures 3a et 3b) afin de confirmer la validité de l’outil ŒDIPE pour l’ins-
paraît pas le plus approprié. L’étude met en évidence l’intérêt de réaliser
tallation réelle. Elles ont montré qu’il était possible d’élaborer des cour-
l’étalonnage numérique des installations anthroporadiamétriques réelles
bes d’efficacité virtuelle en vue d’un étalonnage numérique des appareils
à l’aide de fantômes voxélisés de morphologies proches de celles des
de mesure.
personnes à mesurer. Elle conduit également à développer de nouvelles
Les recherches ont ensuite été orientées vers l’étude des incertitudes de
équations bioparamétriques spécifiques à la morphologie et aux systè-
mesure. La première étape a consisté à évaluer par simulation l’écart sur
mes de mesure européens, car les équations existantes ont été en grande
l’activité estimée pour une personne (identifiée au fantôme de Zubal)
partie déterminées à partir de morphologies nord-américaines et au
selon le fantôme physique utilisé pour l’étalonnage. Les résultats mon-
moyen de systèmes de mesure à scintillateurs.
trent que le fantôme physique choisi (à l’aide de formules bioparamétri-
La seconde étape a consisté à simuler des contaminations non homo-
ques existantes prenant en compte le poids et la taille de la personne) ne
gènes afin de mieux appréhender l'influence d'une hétérogénéité de la
contamination sur les facteurs d'étalonnage. Deux modèles simplifiés
ont été utilisés et les résultats ont été comparés à ceux obtenus dans le
7
6
cas d’une contamination uniformément répartie dans les poumons. Pour
A
6
des énergies supérieures à 26 keV, les résultats ne semblent pas montrer
14
14
18
de différence significative entre les contaminations hétérogènes et les
9
16
15
10
17
16
contaminations homogènes simulées par le modèle de référence. En
15 18
revanche, à 17 keV, une différence de l’ordre de 20 % a été mise en évi-
17
dence. Ces résultats devront être confirmés par des études de contami-
11
nations hétérogènes plus réalistes à partir notamment de données pulB
13
monaires obtenues lors d’expérimentations animales et de données
12
obtenues à la suite d’une contamination accidentelle par blessure cuta-
Figure 2 : Aperçu des images simplifiées fournies par la modélisation, (A) :
coupe d’un détecteur au germanium, (B) : vue 3D d’un module groupant deux
détecteurs.
Figure 3a
née. De telles études feront l’objet de l’étape suivante des recherches.
Figure 3b
Figure 3 : Photo de l’installation de mesure pulmonaire du LABM de Marcoule avec le fantôme de Livermore (3a) et sa modélisation (3b).
Références
[1] D. Franck, L. de Carlan, P. Bérard, C. Dousse, P. Pihet, N. Razafindralambo, R. Soulié, 1997. Les mesures anthroporadiamétriques dans les basses énergies :
évolution technologique et bases des recherches futures. Radioprotection 32, 685-696.
[2] N. Pierrat, L. de Carlan, D. Franck, 2005. Utilisation de fantômes numériques voxélisés pour l’amélioration des étalonnages en anthroporadiamétrie.
Radioprotection 40, vol.3, 307-326.
[3] L. de Carlan, I. Aubineau-Lanièce, J.C. Diaz, J.R. Jourdain, B. Le Guen, N. Pierrat, D. Franck. Potential of new imaging and calculation techniques for the
activity and dose assessment in case of localized contamination. IRPA Conference, 2004.
[4] I. Aubineau-Lanièce, L. de Carlan, I. Clairand, A. Lemosquet, S. Chiavassa, N. Pierrat, M. Bardiès, D. Franck. Current developments at IRSN on computational
tools dedicated to assessing doses for both internal and external exposure. Invited paper, ICRS Conference, 2004.
[5] N. Borissov, D. Franck, L. de Carlan, N. Pierrat, V. Yatsenko. Application of MCNP calculations to calibration of anthropomorphic phantoms used for
assessment of actinides in lung. Nuclear Mathematical and Computational Science, Gatlinburg, Tennessee, 2003.
[6] D. Franck, N. Borissov, L. de Carlan, N. Pierrat, J.L. Genicot, G. Etherington. Application of Monte Carlo calculations to the evaluation of uncertainties in the
assessment of lung activity. Workshop on Internal Dosimetry of Radionuclides. Occupational, Public and Medical Exposure. Rad. Prot. Dosim. 105, 403-408, 2003.
[7] ICRU, 1992. Phantoms and computational models in therapy, diagnosis and protection. ICRU Report 48, ICRU Publication, Bethesda.
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L’homme et les rayonnements ionisants