Dissertations / Theses on the topic 'Monte Carlo Gate/Geant4 simulation'

Les méthodes de simulation Monte-Carlo s’étendent avec succès à différents domaines de la physique médicale mais aussi à différentes échelles, par exemple de la planification des traitements de radiothérapie jusqu’à une prévision des effets des rayonnements au niveau des cellules cancéreuses. La plateforme de simulation Monte-Carlo GATE, basée sur l’outil Geant4, propose des fonctionnalités dédiées aux simulations en physique médicale (médecine nucléaire et radiothérapie). Pour les applications en radiobiologie, les modèles physiques Geant4-DNA implémentés jusqu’à très basse énergie (eV) permettent d’estimer des quantités micro-dosimétriques d’intérêt. Dans le but d’implémenter une plateforme de simulation Monte-Carlo multi-échelles, nous nous sommes d’abord intéressés à la validation des modèles physiques de Geant4-DNA, puis à leur intégration dans la plateforme de simulation GATE et enfin à une validation de cette implémentation dans un contexte de radiothérapie et protonthérapie. De manière à valider les modèles physiques de Geant4-DNA, des points kernels de dose en électrons mono-énergétiques (de 10 keV à 100 keV) ont été simulés en utilisant les modèles physiques de Geant4 et de Geant4-DNA et ils ont comparés au code Monte-Carlo EGSnrc. Les parcours et pouvoirs d’arrêts des électrons (de 7,4 eV à 1 MeV) et des protons (de 1 keV à 100 MeV) calculés avec Geant4-DNA (processus et modèles préalablement intégrés dans GATE) ont ensuite été validés. Nous avons alors proposé de simuler avec la plateforme GATE l’impact de faisceaux cliniques et pré-cliniques sur l’ADN cellulaire. Nous avons ainsi modélisé un faisceau de protonthérapie de 193,1 MeV, un accélérateur linéaire en mode électrons de 6 MeV et un irradiateur RX de 250 kV. Ces simulations ont d’abord été validées en milieu aqueux par une comparaison de la dose macroscopique avec des mesures expérimentales. Les faisceaux ont ensuite été utilisés pour calculer, pour chacun d’entre eux, les fréquences de dépôts d’énergie à l’ADN. La molécule d’ADN a été simulée tout d’abord grâce à des cylindres équivalents en dimension à 10 paires de base (2 nm x 2 nm), équivalents à la taille d’un nucléosome (10 nm x 5 nm) et équivalents à la taille d’une fibre de chromatine (25 nm x 25 nm). Tous ces cylindres ont été placés aléatoirement dans un volume d’eau liquide (de rayon 500 nm). Nous avons ensuite reconstruit la molécule d’ADN dans Geant4 à partir de la lecture de fichiers PDB (Protein Data Bank) représentant douze paires de base de la molécule d’ADN et un dinucléosome (347 paires de base). Enfin, nous avons développé un outil permettant de corréler les positions de dépôts d’énergie directs dans l’eau liquide avec les coordonnées des paires de base de l’ADN, afin de calculer les nombres de cassures simple et double brin de l’ADN. Tous les calculs réalisés au cours de ce travail, ont été déployés sur l’Infrastructure de Grille Européenne ; des tests de performance sont proposés pour mesurer l’intérêt de ce type d’architecture pour les calculs Monte-Carlo<br>The Monte Carlo simulation methods are successfully being used in various areas of medical physics but also at different scales, for example, from the radiation therapy treatment planning systems to the prediction of the effects of radiation in cancer cells. The Monte Carlo simulation platform GATE based on the Geant4 toolkit offers features dedicated to simulations in medical physics (nuclear medicine and radiotherapy). For radiobiology applications, the Geant4-DNA physical models are implemented to track particles till very low energy (eV) and are adapted for estimation of micro-dosimetric quantities. In order to implement a multi-scale Monte Carlo platform, we first validated the physical models of Geant4-DNA, and integrated them into GATE. Finally, we validated this implementation in the context of radiation therapy and proton therapy. In order to validate the Geant4-DNA physical models, dose point kernels for monoenergetic electrons (10 keV to 100 keV) were simulated using the physical models of Geant4-DNA and were compared to those simulated with Geant4 Standard physical models and another Monte Carlo code EGSnrc. The range and the stopping powers of electrons (7.4 eV to 1 MeV) and protons (1 keV to 100 MeV) calculated with GATE/Geant4-DNA were then compared with literature. We proposed to simulate with the GATE platform the impact of clinical and preclinical beams on cellular DNA. We modeled a clinical proton beam of 193.1 MeV, 6 MeV clinical electron beam and a X-ray irradiator beam. The beams models were validated by comparing absorbed dose computed and measured in liquid water. Then, the beams were used to calculate the frequency of energy deposits in DNA represented by different geometries. First, the DNA molecule was represented by small cylinders : 2 nm x 2 nm ( 10 bp), 5 nm x 10 nm ( nucleosome) and 25 nm x 25 nm ( chromatin fiber). All these cylinders were placed randomly in a sphere of liquid water (500 nm radius). Then we reconstructed the DNA molecule in Geant4 by reading PDB (Protein Data Bank) files representing twelve base pairs of the DNA molecule and a dinucleosome (347 base pairs). Finally, we developed a tool to correlate the positions of direct energy deposit in liquid water with the coordinates of the base pairs of DNA to calculate the number of single and double strand breaks in DNA. All calculations in this work were perfomed on the European Grid Infrastructure; performance tests are available to estimate the utility of this type of architecture for Monte Carlo calculations

En raison des forts gradients de dose générés par les interactions des particules avec la matière, les traitements par hadronthérapie nécessitent un contrôle très précis de la dose délivrée au patient. Les codes Monte Carlo représentent des outils indispensables dans la validation des systèmes de planification de traitement utilisé en clinique. Nous nous intéressons dans cette thèse au calcul de la dose physique à l'aide des simulations Monte Carlo Geant4/Gate. Nous étudions l'ajustement de plusieurs paramètres qui peuvent influencer la précision du calcul de dose requise en clinique (2%, 2mm) pour un faisceau d'ions carbone de 300 MeV/u dans l'eau. Ces paramètres sont : le seuil de production des particules secondaires et la taille maximale d'un segment de la trace de particule. Les critères de tolérance sur la valeur et la localisation de la dose sont fixés de manière à avoir le meilleur compromis en termes de distribution spatiale et de temps de calcul. Nous proposons ici des paramètres permettant d'atteindre ces critères de précision. Dans la deuxième partie du travail, nous étudions la réponse des films radiochromiques MDv2-55 pour le contrôle qualité des faisceaux d'ions carbone et protons. Nous avons en particulier observé et étudié l'effet de saturation de ces films dosimétriques pour les irradiations à TEL élevés (≥ 20 KeV/µm) dans des milieux homogènes et hétérogènes. Cet effet est dû à la forte densité d'ionisation autour de la trace de particule. Nous avons proposé et développé un modèle appelé « RADIS RAdiochromic films Dosimetry for Ions using Simulations » qui permet de prédire la réponse de ces films avec la prise en compte de cet effet de saturation. Ce modèle est basé sur la réponse des films en photons et la saturation des films à des dépôts d'énergies linéïques élevés calculée par Monte Carlo. Plusieurs types de faisceaux ont été étudiés : ions carbone, protons et photons à différentes énergies. Ces expérimentations ont été menées au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), au Centre de protonthérapie d'Orsay (CPO), au Centre A. Lacassagne (CAL) et au Centre Léon Bérard (CLB). A l'aide du modèle, nous pouvons ainsi reproduire la densité optique des films le long du profil de Bragg pour tous les faisceaux avec une précision meilleure que 2%<br>Because of the increase in dose at the end of the range of ions, dose delivery during patient treatment with hadrontherapy should be controlled with high precision. Monte Carlo codes are now considered mandatory for validation of clinical treatment planing and as a new tool for dosimetry of ion beams. In this work, we aimed to calculate the absorbed dose using Monte Carlo simulation Geant4/Gate. The ejffect on the dose calculation accuracy of dierent Geant4 parameters has been studied for mono-energetic carbon ion beams of 300 MeV/u in water. The parameters are : the production threshold of secandary particules and the maximum step limiter of the particle track. Tolerated criterion were choosen to meet the precision required in radiotherapy (2%, 2mm) and to obtain the best compromise on dose distribution and computational time.We propose here the values of parameters in order to satisfy the precision required. In the second part of this work, we will study the response of radiochromic lms MD-v2-55 for quality control in proton and carbon ion beams. We have particularly observed and studie the quenching effect of dosimetric lms for high LET (20 KeV/m) irradiations in homogeneous and heterogeneous medium. This eject is due to the high ionization density around the track of the particule. We have developped a method to predict the response of radiochromic lms taking into account the saturation effect. This model is called the RADIS model forRAdiochromic films. Dosimetry for Ions using Simulations". It is based on the response of lms under photon irradiations and the saturation of lms due to high linear energy deposit calculated by Monte Carlo. Four beams were used in this study and aimed to validate the model for hadrontherapy applications : carbon ions, protons and photons at different energies. Experiments were performed at Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), Proton therpay center of Orsay (CPO), A. Lacassagne proton center (CAL) and Leon Berard cancer center (CLB). The model showed very good agreement between the measured and calculated optical density with an error less than 2%

La planification de traitement en radiothérapie nécessite un calcul précis de la dose délivrée au patient. La méthode la plus fiable pour y parvenir est la simulation du transport des particules par technique Monte Carlo. Cette thèse constitue la première étude concernant la validation de la plateforme de simulation Monte Carlo GATE (GEANT4 Application for Tomographic Emission), basée sur les librairies de GEANT4 (GEometry ANd Tracking), pour le calcul de la dose absorbée déposée par des faisceaux d'électrons. L'objectif de cette thèse est de montrer que GATE/GEANT4 est capable d'atteindre le niveau d'exigences requis pour le calcul de la dose absorbée lors d'une planification de traitement, dans des situations où les algorithmes analytiques, actuellement utilisés dans les services de radiothérapie, n'atteignent pas un niveau de précision satisfaisant. L'enjeu est de prouver que GATE/GEANT4 est adapté pour la planification de traitement utilisant des électrons et capable de rivaliser avec d'autres codes Monte Carlo reconnus. Cet enjeu a été démontré par la simulation avec GATE/GEANT4 de faisceaux et des sources d'électrons réalistes utilisées en radiothérapie externe ou en radiothérapie moléculaire et la production de distributions de dose absorbée en accord avec les mesures expérimentales et avec d'autres codes Monte Carlo de référence pour la physique médicale. Par ailleurs, des recommandations quant à l'utilisation des paramètres de simulation à fixer, assurant un calcul de la distribution de dose absorbée satisfaisant les spécifications en radiothérapie, sont proposées.

Les traitements de radiothérapie nécessitent la délivrance d'une dose précise au niveau de la tumeur et une bonne connaissance de la dose dans les zones avoisinantes. Ce calcul, habituellement réalisé par les TPS, exige des outils précis et rapides. La plate-forme de simulation Monte-Carlo GATE, basée sur le code GEANT4, offre un outil performant pour les applications de la médecine nucléaire mais aussi des fonctionnalités permettant de faire des calculs dosimétriques de façon fiable et rapide. Dans cette thèse, deux études ont été menées en parallèle: la validation de la plate-forme GATE pour la modélisation de sources d'électrons et de photons de basse énergie et l'exploitation optimisée des infrastructures de grille informatique pour réduire les temps de calculs des simulations. GATE a été validé pour le calcul de points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et comparé avec les résultats d'autres études Monte-Carlo. Une étude détaillée a été faite sur la gestion du dépôt d'énergie au cours du transport des électrons dans GEANT4. Nous nous sommes intéressés aussi à la validation de GATE concernant le dépôt de dose de photons de très basse énergie ( < 35 keV). Pour cela, trois modèles de sources radioactives utilisés en curiethérapie et contenant de l'iode 125 (modèle 2301 de Best Medical International ; Symmetra de UroMed/Bebig et 6711 d'Amersham) ont été simulés. Plusieurs caractéristiques dosimétriques ont été étudiées selon les recommandations du groupe de travail N°43 de l'AAPM (American Association of Physicists in Medecine). Les résultats obtenus montrent une bonne concordance entre GATE et les études prises comme référence et recommandées par l'AAPM. L'utilisation de simulations Monte-Carlo dans les applications médicales pour une meilleure définition de la dose déposée dans un volume tumoral, nécessite des temps de calculs longs. Afin de réduire ces temps, nous avons exploité l'infrastructure de la grille EGEE sur laquelle nos simulations sont distribuées en utilisant des techniques novatrices pour la prise en compte de l'état de la grille de calcul. Les temps nécessaires pour la simulation d'une radiothérapie utilisant des électrons ont été réduits jusqu'à un facteur 30. Une plate-forme web basée sur le portail GENIUS a été développée pour rendre accessible de façon simple toutes les modalités de soumission et de gestion des simulations ainsi que la gestion de données médicales (informations sur les patients, images CT, IRM...) sur les ressources de la grille. L'objectif final visé est de faire de GATE un outil fiable et utilisé en clinique pour des planifications de traitements de radiothérapie avec des temps de calculs acceptables (pas plus de 12 heures de calcul).

Hadron Therapy is an advanced radiotherapy technique for cancer treatment. It offers a better irradiation ballistic than conventional techniques and therefore requires appropriate quality assurance procedures. In this work, we upgraded the GEANT4-based GATE Monte Carlo platform in order to recalculate the TPS dose distributions in view of further benchmarking. In a first step, we selected an appropriate simulation environment (physics models and parameters) in order to produce accurate and efficient simulations. GATE simulations were validated using measurements and other Monte Carlo codes for depth-dose and transverse profiles. While a good agreement was found for depth-dose profiles, larger discrepancies were pointed out for transverse profiles. In a second step, we developed a modeling method to simulate active scanning beam delivery systems, which does not require to simulate the components of the treatment nozzle. The method has been successfully applied to an IBA proton therapy system and validated against measurements for complex treatment plans. Interfaces have also been developed in order to link DICOM RT ION PLAN and DICOM RT DOSE with GATE. Finally, we compared in a third step the TPS and Monte Carlo dose distributions in homogeneous and heterogeneous configurations. The beam models of both dose engines were in satisfactory agreement, allowing further evaluation of clinical treatment plans. A two-field prostate plan has been evaluated, showing a satisfactory agreement between the TPS and Monte Carlo, and demonstrating the novel capabilities of the platform for the evaluation of the TPS. To summarize, we selected an appropriate simulation environment for proton therapy, proposed a modeling method for active scanning systems and presented a method to compare the TPS and Monte Carlo dose distributions. All tools developed in GATE were or will be publicly released. A detailed validation stage of the system including absolute dosimetry is still necessary, in order to quantitatively evaluate its accuracy in various homogeneous and heterogeneous configurations. In this thesis, we have demonstrated that the GATE Monte Carlo platform is a good candidate for the simulation of active scanning delivery systems, allowing further TPS benchmarking. Moreover, the GATE platform also handles imaging applications, such as PET or prompt-gamma imaging towards online treatment monitoring and paves the way of interdisciplinary research advances.

En raison des forts gradients de dose générés par les interactions des particules avec la matière, les traitements par hadronthérapie nécessitent un contrôle très précis de la dose délivrée au patient. Les codes Monte Carlo représentent des outils indispensables dans la validation des systèmes de planification de traitement utilisé en clinique. Nous nous intéressons dans cette thèse au calcul de la dose physique à l'aide des simulations Monte Carlo Geant4/Gate. Nous étudions l'ajustement de plusieurs paramètres qui peuvent influencer la précision du calcul de dose requise en clinique (2%, 2mm) pour un faisceau d'ions carbone de 300 MeV/u dans l'eau. Ces paramètres sont : le seuil de production des particules secondaires et la taille maximale d'un segment de la trace de particule. Les critères de tolérance sur la valeur et la localisation de la dose sont fixés de manière à avoir le meilleur compromis en termes de distribution spatiale et de temps de calcul. Nous proposons ici des paramètres permettant d'atteindre ces critères de précision. Dans la deuxième partie du travail, nous étudions la réponse des films radiochromiques MDv2-55 pour le contrôle qualité des faisceaux d'ions carbone et protons. Nous avons en particulier observé et étudié l'effet de saturation de ces films dosimétriques pour les irradiations à TEL élevés (≥ 20 KeV/µm) dans des milieux homogènes et hétérogènes. Cet effet est dû à la forte densité d'ionisation autour de la trace de particule. Nous avons proposé et développé un modèle appelé " RADIS RAdiochromic films Dosimetry for Ions using Simulations " qui permet de prédire la réponse de ces films avec la prise en compte de cet effet de saturation. Ce modèle est basé sur la réponse des films en photons et la saturation des films à des dépôts d'énergies linéïques élevés calculée par Monte Carlo. Plusieurs types de faisceaux ont été étudiés : ions carbone, protons et photons à différentes énergies. Ces expérimentations ont été menées au Grand Accélérateur National d'Ions Lourds (GANIL), au Centre de protonthérapie d'Orsay (CPO), au Centre A. Lacassagne (CAL) et au Centre Léon Bérard (CLB). A l'aide du modèle, nous pouvons ainsi reproduire la densité optique des films le long du profil de Bragg pour tous les faisceaux avec une précision meilleure que 2%.

Bien que souvent assez consommatrice en temps de calcul, la méthode Monte Carlo est l'algorithme de calcul qui modélise au plus près la physique liée aux processus de dépôts d'énergie. L'idée est d'utiliser les calculs Monte Carlo dans le traitement quotidien du cancer par rayonnement pour rivaliser avec les systèmes de planification de traitement (TPS) existants dans le but de délivrer une dose absorbée à la tumeur pour des traitements spécifiques. Pour atteindre cet objectif, deux points ont été particulièrement étudiés au cours de cette thèse : la validation de la plate-forme de simulation GATE pour des applications en dosimétrie utilisant des électrons, une étude particulière est faite concernant les traitements de curiethérapie oculaire utilisant des applicateurs ophtalmiques de 106Ru/106Rh, et le déploiement des simulations GATE dans un environnement de grille pour réduire les temps de calcul très élevés de ces simulations.<br />Des points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et poly-énergétiques ont été simulés en utilisant la plate-forme GATE et comparés à d'autres codes Monte Carlo. Trois versions des packages de librairies ont été utilisées pour les comparaisons (5.2, 6.2 et 7.0). Les résultats montrent que l'implémentation de la diffusion multiple est responsable des différences observées entre les codes. Les simulations de traitements de curiethérapie oculaire comparées avec d'autres Monte Carlo et des mesures montrent un bon accord. La transcription des unités Hounsfield, à partir des données scanner sur l'anatomie du patient, en paramètres tissulaires est l'autre étude présentée pour une utilisation prochaine de GATE sur des images voxélisées pour la dosimétrie personnalisée. Les infrastructures des projets DataGrid puis d'EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul dans le but de les utiliser en routine clinique.<br />La méthode utilisée pour paralléliser les simulations GATE est la division du générateur de nombres aléatoires (RNG) en séquences indépendantes. Des tests de temps de calcul réalisés sur des bancs tests de grille montrent qu'un gain significatif est obtenu. Les fonctionnalités pour diviser, lancer et contrôler les simulations GATE sur une infrastructure de grille ont été implémentées sur le portail web GENIUS. Un premier prototype de ce portail est accessible à partir d'un centre hospitalier pour l'utilisation de la précision des algorithmes Monte Carlo de manière transparente et sécurisée pour des traitements de cancer de l'œil.

L'imagerie 3γ est une technique innovante d'imagerie médicale nucléaire qui est étudiée au laboratoire SUBATECH. Elle repose sur la localisation tridimensionnelle d'un radioisotope émetteur (β+, γ), le 44Sc, à l'aide d'un télescope Compton au xénon liquide. Le lieu de désintégration de ce radioisotope est obtenu par l'intersection de la ligne de réponse, construite à partir de la détection des deux photons de 511 keV issus de l'annihilation d'un positron, et du cône déterminé à partir du troisième photon. Un prototype de petite dimension XEMIS1 (XEnon Medical Imaging System) a été développé afin de faire la preuve expérimentale de la faisabilité de l'imagerie à 3γ. Les résultats de ce prototype sont très promoteurs en terme de résolution en énergie, de pureté du xénon liquide et de faible bruit électronique. La simulation Monte Carlo est un outil indispensable pour accompagner la R&D et évaluer les performances de la nouvelle technique d'imagerie proposée. Les travaux rapportés dans cette thèse concernent le développement de la simulation du système d'imagerie 3γ avec GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission). De nouvelles fonctionnalités ont été implémentées dans GATE afin de simuler un détecteur de type TPC (Time Projection Chamber). Nous avons effectué une simulation du prototype XEMIS1 et obtenu des résultats en bon accord avec nos données expérimentales. La prochaine étape du projet consiste à construire une caméra cylindrique au xénon liquide pour l'imagerie du petit animal. Les résultats des simulations de cette caméra présentés dans cette thèse montrent la possibilité de localiser chaque désintégration le long de la ligne de réponse avec une très bonne précision et une bonne sensibilité de détection. Des premières images de fantômes simples, réalisées évènements par événements, et après reconstruction tomographiques ont également présentées.

Les simulations Monte-Carlo représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de corrections des effets physiques. Parmi les nombreux simulateurs disponibles aujourd'hui, aucun n'est considéré comme standard en imagerie nucléaire, ce qui a motivé le développement d'une nouvelle plate-forme de simulation Monte-Carlo générique (GATE), basée sur GEANT4 et dédiée aux applications SPECT/PET. Au cours de cette thèse, nous avons participé au développement de la plate-forme GATE dans le cadre d'une collaboration internationale. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant deux gamma-caméras de conception différente, l'une dédiée à l'imagerie du petit animal et l'autre utilisée en routine clinique (Philips AXIS), et en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances des deux gamma-caméras mesurées. La plate-forme GATE a ensuite été employée pour développer une nouvelle méthode de reconstruction 3D (F3DMC), consistant à calculer par simulation Monte-Carlo la matrice de transition utilisée dans un algorithme de reconstruction itératif (ici, ML-EM), en y incluant les principaux effets physiques perturbant le processus de formation de l'image. Les résultats de F3DMC sont comparés aux résultats obtenus avec trois autres méthodes de reconstruction plus classiques (FBP, MLEM, MLEMC) pour différents fantômes simulés. Les résultats de cette étude montrent que F3DMC permet d'améliorer l'efficacité de reconstruction, la résolution spatiale et le rapport signal-sur-bruit avec une quantification satisfaisante des images. Ces résultats devront être confirmés par des études cliniques et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

The study is mainly focused on Monte Carlo simulation of carbon fragmentation in nuclear emulsion. The carbon ion is selected as a remarkable candidate for the cancer therapy usages due to its high efficiency in depositing majority of its energy in the narrow region which is called Bragg Peak. On the other hand, the main side effect of heavy-ion therapy is the radiation dose beyond the Bragg Peak which damages the healthy tissues. Therefore the use of heavy-ion in cancer therapy requires accurate understanding of ion-matter interactions which result in the production of secondary particles. A Geant4 based simulation of carbon fragmentation has been done considering 400 MeV/n carbon beam directed to the detector which is made of nuclear emulsion films, interleaved with lexan layers. Four different models in Geant4 are compared with recent real data. Among the four different models, Binary Cascade Model (BIC) shows a better agreement with real data.

L’étude des effets biologiques des radiations ionisantes à l’échelle de la cellule individuelle et en particulier sur l’ADN du noyau cellulaire reste un enjeu majeur de la radiobiologie actuelle. L’objectif principal des recherches actuelles est de déterminer quels peuvent être les effets biologiques délétères des radiations ionisantes pour la santé humaine, en particulier dans le domaine des faibles doses de radiation. Afin d’étudier précisément la réponse des cellules aux radiations ionisantes, de nombreuses études expérimentales des effets des radiations ionisantes sur les cellules, tissus et organismes biologiques aux basses énergies ont accumulées de grandes quantités de données de qualité sur la réponse de cellules aux radiations. Il existe également de nombreux modèles semi-empiriques de survie cellulaire qui incorporent des paramètres biologiques et physiques. En parallèle, des stochastiques basées sur la technique « Monte Carlo » pour modéliser les processus élémentaires en physique, chimie et biologie sont en cours de développement. L’outil Geant4 développé dès 1993 (CERN et KEK) en utilisant des techniques informatiques de dernière génération (C++) permet à l’utilisateur de construire une simulation complète grâce à de nombreuses fonctionnalités : formes géométriques, matériaux, particules élémentaires, processus physiques électromagnétiques et hadroniques, visualisation, analyse de données, interactivité et extensibilité… Cependant, Geant4 présente un certain nombre de limitations pour la simulation des effets biologiques des radiations ionisants à l’échelle subcellulaire : les modèles standard ne prennent pas compte le technique « pas-à-pas », les modèles physique sont limités à basse énergie, il n’a pas des descriptions des cibles moléculaires et Geant4 n’est pas capable de simuler les étapes physico-chimique et chimique nécessaire pour déterminer l’oxydation des bases et les éventuelles cassures d’ADN.Dans ce contexte, le projet Geant4-DNA propose d’étendre Geant4 afin de modéliser les interactions des radiations ionisantes à l’échelle de la cellule biologique et la molécule d’ADN et aux basses énergies. Au cours du travail de thèse, j’ai tout d’abord validé les modèles physiques en comparant les résultats de simulation à une grande collection de données expérimentales disponibles dans la littérature. L’accord entre les valeurs de sections efficaces totales et différentielles et les mesures expérimentales a été quantifié à l’aide du test statistique Kolmogorov-Smirnov. J’ai par la suite amélioré les classes des processus de diffusion élastique des électrons et travailler sur les calculs théoriques du modèle de diffusion élastique des protons et des alphas dans l’eau liquide auparavant inexistant dans Geant4-DNA. J’ai effectué une combinaison des processus multi-échelles des modèles de Geant4-DNA (à l’échelle microscopique) avec les modèles électromagnétiques disponibles dans l’outil Geant4 (les processus d’interaction des photons et autres modèles de Geant4). A la fin de mon travail, j’ai participé à l’estimation des performances de Geant4-DNA pour la dosimétrie dans des géométries de petite taille (jusqu’à l’échelle du nanomètre) dans l’eau liquide à l’aide des distributions « Dose Point Kernel ». J’ai ensuite calculé les fréquences de dépôts d’énergie dans des petits cylindres de dimensions nanométriques correspondant à des cibles biologiques et des modèles de noyau cellulaire humain simplifié pour l’estimation des cassures directes simple et double. Mon travail de thèse a fournit les premiers résultats de Geant4-DNA pour la prédiction de cassure de brin d’ADN combinant physique et géométries à l’échelle de l’ADN. Enfin, nous avons développé des classes de processus et modèles basés sur l’approche CTMC-COB (Classical Trajetory Monte Carlo avec critère d’Over Barrier) spécifique aux bases de la molécule d’ADN et à l’eau liquide<br>A large experimental and modeling activity is currently taking place, aimed at better understanding the biological effects of ionizing radiation at the molecular scales. Considerable amounts of experimental data have been accumulated over the past decades in order to measure quantities such as macroscopic cellular survival curves and DNA strand damages after irradiation. In parallel, computer codes have been proposed to use a stochastic approach based on Monte Carlo technique to model physical interaction in the irradiated medium. The Geant4 toolkit uses the object-oriented technology (C++) to describing particle-matter interactions, such as bio-medical physics and space physics, from sub-micrometer cells up to planetary scales. Geant4-DNA project is included in the Geant4 toolkit and benefits from the easy accessibility of the Geant4 code for the development of a computing platform allowing estimation effects of ionizing radiations. In my thesis, firstly, I have contributed in the project the validation of various models with the experimental data collections extracted from the recent literature. A good agreement between total and differential cross section values corresponding to each available Geant4-DNA model and experimental data is validated by Kolmogorov-Smirnov testing. Secondly, I have improved elastic scattering process and working on the calculation of the DDCS for proton elastic scattering in water in the Geant4-DNA. In addition, I have combined Geant4 electromagnetic processes with the Geant4-DNA. This combination brought additional Geant4 simulation capabilities in complement of the possibility to combine Geant4-DNA models with other Geant4 electromagnetic models at different sizes and energy scales in a single simulation application. Finally, we have presented the usage of Geant4-DNA physics processes in nanometer-size targets fully implemented in a single Geant4 application. The frequencies of the deposited energy and number of direct DNA single strand break and double strand break in the simplified nucleus model are compared with other codes results and with a collection of experimental data on direct DNA dimensions on plasmid DNA. Furthermore I have implemented in Geant4-DNA theoretical cross sections of physics processes based on a Classical Trajectory Monte Carlo (CTMC) approach for modeling the detailed transport of protons and neutral hydrogen atoms in liquid water and in DNA nucleobases

Ce travail, réalisé dans le cadre du projet Geant4-DNA, consiste à concevoir un prototype pour la simulation des effets chimiques précoces des rayonnements ionisants. Le modèle de simulation étudié repose sur la représentation particule-continuum où toutes les molécules sont explicitement simulées et où le solvant est traité comme un continuum. La méthode proposée par cette thèse a pour but d'améliorer les performances de ce type de simulation. Elle se base sur (1) la combinaison d'une méthode de pas en temps dynamiques avec un processus de pont Brownien pour la prise en compte des réactions chimiques et afin d'éviter une simulation à pas en temps fixe, coûteuse en temps de calcul, et (2) sur la structure de données k-d tree pour la recherche du voisin le plus proche permettant, pour une molécule donnée, une localisation rapide du réactif le plus proche. La précision de l'algorithme est démontrée par la comparaison des rendements radiochimiques en fonction du temps et en fonction du transfert d'énergie linéaire avec des résultats d'autres codes Monte-Carlo et des données expérimentales. A partir de ce prototype, une tentative de prédiction du nombre et du type d'interactions radicaux-ADN a été entreprise basée sur d'une description simplifiée du noyau cellulaire<br>The purpose of this work, performed under the Geant4-DNA project, is to design a prototype for simulating early chemical effects of ionizing radiation. The studied simulation model is based on the particle-continuum representation where all the molecules are explicitly simulated, and where the solvent is treated as a continuum. The method proposed by this thesis aims at improving the performance of this type of simulation. It is based on (1) a dynamical time steps method with a Brownian bridge process, to account for chemical reactions, which avoids the costly fixed time-step simulations, and (2) on the k-d tree data structure for quickly locating, for a given molecule, its closest reactants. The accuracy of the algorithm is demonstrated by comparing radiochemical yields over time and depending on the linear energy transfer with results obtained from other Monte Carlo codes and experimental data. Using this prototype, an attempt to predict the number and type of radical attacks on DNA has been performed using a simplified description of the cell nucleus

Nell'ambito della Fisica Medica, le simulazioni Monte Carlo sono uno strumento sempre più diffuso grazie alla potenza di calcolo dei moderni calcolatori, sia nell'ambito diagnostico sia in terapia. Attualmente sono disponibili numerosi pacchetti di simulazione Monte Carlo di carattere "general purpose", tra cui Geant4. Questo lavoro di tesi, svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico "S.Orsola-Malpighi", è basato sulla realizzazione, utilizzando Geant4, di un modello Monte Carlo del target del ciclotrone GE-PETtrace per la produzione di C-11. Nel modello sono stati simulati i principali elementi caratterizzanti il target ed il fascio di protoni accelerato dal ciclotrone. Per la validazione del modello sono stati valutati diversi parametri fisici, tra i quali il range medio dei protoni nell'azoto ad alta pressione e la posizione del picco di Bragg, confrontando i risultati con quelli forniti da SRIM. La resa a saturazione relativa alla produzione di C-11 è stata confrontata sia con i valori forniti dal database della IAEA sia con i dati sperimentali a nostra disposizione. Il modello è stato anche utilizzato per la stima di alcuni parametri di interesse, legati, in particolare, al deterioramento dell'efficienza del target nel corso del tempo. L'inclinazione del target, rispetto alla direzione del fascio di protoni accelerati, è influenzata dal peso del corpo del target stesso e dalla posizione in cui questo é fissato al ciclotrone. Per questo sono stati misurati sia il calo della resa della produzione di C-11, sia la percentuale di energia depositata dal fascio sulla superficie interna del target durante l'irraggiamento, al variare dell'angolo di inclinazione del target. Il modello che abbiamo sviluppato rappresenta, dunque, un importante strumento per la valutazione dei processi che avvengono durante l'irraggiamento, per la stima delle performance del target nel corso del tempo e per lo sviluppo di nuovi modelli di target.

Prévoir les effets biologiques induits par les rayonnements ionisants est un défi scientifique majeur de la radiobiologie actuelle, en particulier pour essayer de mieux comprendre les effets des faibles doses sur le milieu vivant ainsi que la cancérogénèse. L'approche computationnelle basée sur les codes de simulation des structures de traces dans le milieu biologique par la technique Monte Carlo est aujourd'hui la méthode la plus fiable pour calculer les effets précoces des radiations ionisantes sur l'ADN, la cible cellulaire principale des effets des radiations. Parmi les codes existants, l'extension Geant4-DNA de la boîte à outils généraliste Geant4 est la première entièrement ouverte et librement accessible à la communauté. Geant4-DNA peut simuler non seulement l'étape physique mais aussi les étapes physico-chimique et chimique de la radiolyse de l'eau. Ces étapes peuvent être combinées avec des modèles géométriques simplifiés de l'ADN afin d'évaluer les dommages précoces directs et indirects à l'ADN. Dans cette thèse, je propose (1) d'améliorer dans Geant4-DNA la modélisation de la diffusion élastique des électrons dans l'eau liquide pour simuler plus précisément la distribution spatiale des dépôts d'énergie et des espèces radicalaires. Ensuite, (2) l'étape physico-chimique de la radiolyse de l'eau est également améliorée en se basant sur des approches décrites dans la littérature (modélisation, mesures), cette étape affectant fortement l'étape chimique en modifiant les rendements initiaux et la concentration des espèces radicalaires. (3) La méthode du temps de réaction indépendant (IRT) est en outre implémentée dans Geant4-DNA afin de réduire le temps de calcul pour simuler la cinétique chimique de la radiolyse de l'eau. Enfin, j'évalue (4) les dommages biologiques induits à l'échelle subcellulaire en utilisant une géométrie de l'ADN cellulaire développée dans une étude précédente, en incluant dans la simulation toutes les améliorations développées au cours de cette thèse, jusqu'à la réparation des dommages précoces. Ces développements sont regroupés au sein d'une chaine de simulation complète destinée aux utilisateurs de Geant4 et de son extension Geant4-DNA<br>Predicting the biological effects induced by ionizing radiation is a major scientific challenge of current radiobiology, in particular to try to better understand the effects of low doses on living beings as well as carcinogenesis. The computational approach based on codes to simulate trace structures in the biological medium using the Monte Carlo technique is today the most reliable method to calculate the early effects of ionizing radiation on DNA, the main cellular target of radiation effects. Among the existing codes, the Geant4-DNA extension of the Geant4 general purpose simulation toolkit is the first one fully open and freely available to the community. Geant4-DNA can simulate not only the physical but also the physico-chemical and chemical stages of water radiolysis. These stages can be combined with simplified geometric models of DNA to assess direct and indirect early DNA damage. In this thesis, I propose (1) to improve in Geant4-DNA the modeling of the elastic scattering of electrons in liquid water in order to simulate more precisely the spatial distribution of energy deposits and radical species. Then, (2) the physico-chemical stage of water radiolysis is also improved based on approaches described in the literature (modeling, measurements), this step strongly affecting the chemical stage by modifying the initial yields and the concentration of radical species. (3) In addition, the Independent Reaction Time (IRT) method is implemented in Geant4-DNA to reduce the computational time to simulate the chemical kinetics of water radiolysis. Finally, I evaluate (4) the biological damage induced at the subcellular scale using a cellular DNA geometry developed in a previous study, including in the simulation all the improvements developed during this thesis, up to the repair of early DNA damage. These developments are grouped in a complete simulation chain for users of the Geant4-DNA extension of Geant4

Les traitements de radiothérapie nécessitent la délivrance d'une dose précise au niveau de la tumeur et une bonne connaissance de la dose dans les zones avoisinantes. Ce calcul, habituellement réalisé par les TPS, exige des outils précis et rapides. La plate-forme de simulation Monte-Carlo GATE, basée sur le code GEANT4, offre un outil performant pour les applications de la médecine nucléaire mais aussi des fonctionnalités permettant de faire des calculs dosimétriques de façon fiable et rapide. Dans cette thèse, deux études ont été menées en parallèle : la validation de la plate-forme GATE pour la modélisation de sources d'électrons et de photons de basse énergie et l'exploitation optimisée des infrastructures de grille informatique pour réduire les temps de calculs des simulations. GATE a été validé pour le calcul de points kernels de dose d'électrons mono-énergétiques et comparé avec les résultats d'autres études Monte-Carlo. Une étude détaillée a été faite sur la gestion du dépôt d'énergie au cours du transport des électrons dans GEANT4. Nous nous sommes intéressés aussi à la validation de GATE concernant le dépôt de dose de photons de très basse énergie (inférieure 35 keV). Pour cela, trois modèles de sources radioactives utilisées en curiethérapie et contenant de l'iode 125 (modèle 2301 de Best Medical International , Symmetra de UroMed/ Bebig et 6711 d'Amersham) ont été simulés. Plusieurs caractéristiques dosimétriques ont été étudiées selon les recommandations du groupe de travail n°43 de l'AAPM (American Association of Physicists in Medecine). Les résultats obtenus montrent une bonne concordance entre GATE et les études prises comme référence et recommandées par l'AAPM. L'utilisation de simulations Monte-Carlo dans les applications médicales pour une meilleure définition de la dose déposée dans un volume tumoral, nécessite des temps de calculs longs. Afin de réduire ces temps, nous avons exploité l'infrastructure de la grille EGEE sur laquelle nos simulations sont distribuées en utilisant des techniques novatrices pour la prise en compte de l'état de la grille de calcul. Les temps nécessaires pour la simulation d'une radiothérapie utilisant des électrons ont été réduits jusqu'à un facteur de 30. Une plate-forme web basée sur le portail GENIUS a été développée pour rendre accessible de façon simple toutes les modalités de soumission et de gestion des simulations ainsi que la gestion de données médicales (informations sur les patients, images CT, IRM. . . ) sur les ressources de la grille. L'objectif final visé est de faire de GATE un outil fiable et utilisé en clinique pour des planifications de traitements de radiothérapie avec des temps de calculs acceptables (pas plus de 12 heures de calcul)

Le travail présenté dans ce mémoire s’intéresse à la simulation Monte-Carlo de la ligne de protonthérapie ophtalmologique du Centre Antoine Lacassagne à Nice avec le code GEANT4. Il enrichit et complète de précédentes études menées avec le code MCNPX. Il participe également à la mise en œuvre d’un système de planification de traitement basé sur la simulation Monte-Carlo (ANR PROUESSE). Plusieurs développement ont été réalisés pour améliorer la vitesse de calcul des simulations : la programmation parallélisée, une segmentation adaptée du fantôme physique ou encore le recours à la création d’espace des phases. La validation des résultats issus de GEANT4 a été faite d’une part avec un autre code de simulation (MCNPX) pour les spectres énergétiques et angulaires et d’autre part avec des mesures expérimentales pour les caractéristiques dosimétriques. Les résultats de calcul pour les deux codes sont très proches et une bonne adéquation entre les résultats simulés et mesurés est également observée. Les parcours sont notamment reproduits à moins de 0. 2 mm près. L’influence du choix des options pour les interactions électromagnétiques et hadroniques disponibles dans la version GEANT4-9-3p02 a été étudiée. La simulation de la ligne de faisceau ainsi que l’usage de films radiochromiques EBT2 ont été exploités afin d’éclairer des interrogations cliniques sur l’irradiation du mélanome de la conjonctive. Il a été démontré que la réponse des films EBT2, corrigée pour sa dépendance au transfert d’énergie linéique donne des cartographies de dose d’une excellente résolution pour les faisceaux de protons. Les perturbations introduites par la diffusion coulombienne multiple dans le collimateur et les accessoires ont été mises en évidence par la simulation Monte-Carlo et confirmés par les mesures expérimentales. Le code Monte-Carlo GEANT4 est donc un outil prédictif de la dose délivrée parfaitement adapté à la protonthérapie de basse énergie<br>The work covered by this thesis is about the Monte Carlo simulation of the ophthalmic protontherapy facility installed in Nice at the Centre Antoine Lacassagne with GEANT4. It relies on previous studies based upon the MCNPX Monte Carlo code. The purposes of the thesis is to complete the previous work realised on a specific Monte Carlo code (MCNPX) and to study the ability of treatment planning systems based upon Monte Carlo simulations (ANR PROUESSE). The focus was on simulations speed, parallel programming, sensitive volume segmentation or the use of state spaces. The validation of GEANT4 results was realised on the one hand with MCNPX results for the energetic and angular spectrum and on the other hand with experimental measurements for dosimetric computations. GEANT4 show very similar results with MCNPX simulations and experimental measurements. The depth dose is reproducted with a precision less than 0. 2 mm. The influence of electromagnetic and hadronic parameters available within the GEANT4-9-3p02 release was also studied. The proton beam line simulation and the use of EBT2 radiochromic films were used to answer clinical interrogations about the conjunctival melanoma. It was proved that the EBT2 films response (corrected for its linear energy transfer) presents dose plans with an excellent resolution for proton beams. The perturbations caused by the multiple scattering within the collimator and the accessories were highlighted by the Monte-Carlo simulations and confirmed by the experimental measurements. Therefore the GEANT4 Monte-Carlo code can be used as a predictive tool for computing the delivered dose by low energy protontherapy

La radiothérapie externe représente une part importante du traitement conservateur du sein. Le calendrier classique consiste à délivrer une dose totale de 50 Gy en 25 fractions sur 5 semaines. Pour certaines catégories de femmes, une radiothérapie de 5 à 6 semaines, avec des transports longs et fréquents est parfois difficile à réaliser. La radiothérapie peropératoire (RIOP) permet de prévenir le risque de récidive locale dans le lit tumoral, et ne nécessite que quelques jours d’hospitalisation. Cette étude se concentre sur l’utilisation d'une source de rayons X miniaturisée de faible énergie (50kV). Après résection chirurgicale de la tumeur, un applicateur est inséré dans le lit tumoral et le système délivre une dose unique de 20 Gy à sa surface. Cependant, il n'y a pas de prescription personnalisée ni d'information sur la dose délivrée et ce point est contestable, car un texte officiel recommande une optimisation de la dose individuelle. Dans ce contexte, un calcul Monte Carlo permet d'évaluer avec précision la dose délivrée à la patiente en simulant le transport des particules. Cette thèse propose d'évaluer ce critère de dose absorbée le plus justement possible à partir d'une modélisation réaliste de la source de rayons X et de calculs de dose individuels à l'aide de simulations de Monte Carlo en prenant en compte les hétérogénéités tissulaires du sein. Des mesures dosimétriques in vivo viennent également confirmer les résultats de simulations<br>External radiation therapy is an important part of breast conservative treatment. The conventional calendar is to deliver a total dose of 50 Gy in 25 fractions over 5 weeks. For certain categories of women, 5 to 6 weeks of radiotherapy, with long and frequent transport is sometimes difficult to achieve. Intra-operative radiotherapy (IORT) helps to prevent the risk of local recurrence in the tumor bed, and only requires a few days of hospitalization. This study focuses on the use of a miniaturized low energy X-ray source (50kV). After surgical resection of the tumor, an applicator is inserted into the tumor bed and the system delivers a single dose of 20 Gy on its surface. However, there is no custom prescription and this is questionable since an official text recommends optimizing the individual dose. In this context, a Monte Carlo calculation makes it possible to accurately assess the dose delivered to the patient by simulating the transport of particles. This thesis proposes to assess the absorbed dose criterion as accurately as possible from a realistic model of the X-ray source and individual dose calculations using Monte Carlo simulations taking into account the tissue heterogeneities of the breast. In vivo dosimetric measurements also confirm the results of simulations

L'utilisation de faisceaux d’ions (protons ou ions légers) permet d'obtenir, lors du traitement, un dépôt d'énergie localisé en fin de parcours dans une zone réduite de l'espace. Les cibles privilégiées pour cette thérapie sont les tumeurs « radiorésistantes » ou les traitements nécessitant une balistique très précise, du fait de la présence d'organes à risques à proximité de la tumeur. Cependant, comme la détermination du parcours des ions et donc de la dose délivrée est dépendante de grandeurs qui restent difficiles à mesurer précisément, d’importantes marges de sécurité doivent être prises lors de la conception du plan de traitement. En conséquence, il est nécessaire de mettre en place un système performant de contrôle balistique afin de garantir la qualité du traitement. Une des possibilités pour le contrôle balistique repose sur la mesure en temps réel de la distribution spatiale des radionucléides émetteurs de positons produits par réaction de fragmentation entre le projectile et la cible et donc sur la détection en coïncidence de deux photons. Pour cela, un premier prototype appelé Détecteur Pixélisé de Grande Acceptance (DPGA) a été conçu puis construit au sein du laboratoire de Physique de Clermont. Dans un premier temps, ce travail a permis de comparer les prédictions de deux modèles hadroniques implémentés dans Geant4 aux mesures expérimentales effectuées par une autre équipe (Dendooven et al.) à 55 MeV. Ensuite, nous nous sommes attachés à caractériser les performances du DPGA et à déterminer son potentiel lors de son utilisation en faisceau clinique. Pour cela nous avons développé une simulation Monte-Carlo dédiée permettant de comprendre la physique associée, le détecteur et les expériences effectuées sur faisceau de protons 65 MeV à l’Institut méditerranéen de Protonthérapie (IMPT) de Nice. Enfin, comme le DPGA sera à terme couplé avec un système d’acquisition à grande bande passante (μTCA) autorisant l’envoi et le traitement des données mesurées en temps réel, nous avons fait une étude des performances attendues sur la ligne PROTEUS ONE de l'IMPT à 120 et 230 MeV<br>The use of ion beams (protons or light ions) makes it possible to obtain, during treatment, a localised energy deposit at the end of the treatment in a small area of space. The preferred targets for this therapy are "radioresistant" tumours or treatments requiring very precise ballistics, due to the presence of high-risk organs close to the tumour. However, as the determination of the ion path and thus the delivered dose is dependent on quantities that are difficult to measure precisely, large safety margins must be taken into account when designing the treatment plan. Consequently, it is necessary to set up an efficient ballistic control system in order to guarantee the quality of the treatment. One of the possibilities for ballistic control is based on the real-time measurement of the spatial distribution of positron-emitting radionuclides produced by the fragmentation reaction between the projectile and the target and thus on the coincident detection of two photons. For this purpose, a first prototype called Large Area Pixelized Detector (LAPD) was designed and built at the Clermont Physics Laboratory. Initially, this work allowed to compare the predictions of two hadronic models implemented in Geant4 with experimental measurements performed by Dendooven et al. at 55 MeV. We then focused on characterizing the performance of the LAPD and determining its potential when used in a clinical beam. For this purpose, we developed a Monte-Carlo simulation dedicated to understand the associated physics, the detector and the experiments carried out on 65 MeV proton beam at the Institut Mediterranéen de Protonthérapie (IMPT) in Nice. Finally, as the LPAD will eventually be coupled with a high-bandwidth acquisition system (μTCA) allowing the sending and processing of the measured data in real time, we have made a study of the performances expected on the PROTEUS ONE line of the IMPT at 120 and 230 MeV

En Médecine Nucléaire, l'imagerie par ouverture codée a été développée comme une alternative aux collimateurs à canaux parallèles pour atteindre une grande sensibilité de détection ainsi qu'une haute résolution spatiale. Les principales limites sont la formation d'artefacts et l'effet de collimation pour l'imagerie 2D, et une dégradation de la résolution spatiale longitudinale en imagerie 3D. Au cours de cette thèse, nous avons développé un algorithme de reconstruction ML-EM (Maximum Likelihood - Expectation Maximization) basé sur une matrice système estimée par des simulations Monte Carlo, et incluant la géométrie du masque codé ainsi que les effets physiques entrant en compte dans l'imagerie par ouverture codée. Nous avons validé la construction du masque codé dans la plate-forme de simulation GATE en comparant les données simulées avec les résultats expérimentaux. Le masque codé est basé sur un ensemble cyclique de différences de Singer et est monté sur une gamma-caméra clinique. Nous avons trouvé un bon accord entre les spectres en énergie mesurés et simulés avec et sans milieu diffusant et entre les fonctions de dispersions ponctuelles 3D mesurée et simulée. Nous avons calculé les coefficients de probabilité de la matrice système avec des simulations du masque code en utilisant GATE. Les résultats de la reconstruction d'une étude sur un fantôme simulé montrent que les artefacts en champ proche sont totalement supprimés en utilisant l'algorithme ML-EM à la place de la méthode de décodage classique par corrélation. Des d'études expérimentales sur fantôme et sur patient montrent la faisabilité de cette méthode de reconstruction pour la scintigraphie thyroïdienne 3D<br>In Nuclear Medicine, coded aperture imaging was developed as an alternative to parallel hole collimators in order to achieve high sensitivity and high spatial resolution. The main limitations consist of near-field artifacts and aperture collimation effect for 2D imaging, and on a poor longitudinal spatial resolution for 3D imaging. We developed during this thesis, a ML-EM (Maximum Likelihood - Expectation Maximization) reconstruction algorithm with a Monte Carlo-based system matrix, including the geometry of the coded mask and all the physical effects involved in coded aperture imaging. We validated the construction of the coded mask in GATE simulation toolkit by comparison between experimental and simulation data sets. The coded mask is based on a Singer cyclic difference set and is mounted on a clinical gamma camera. We found a good agreement between measured and simulated energy spectra 4n non-scatter and in scatter conditions and between the experimental and simulated 3D point spread fonction. We calculated the probability coefficients of the System matrix using GATE simulations of the coded aperture. The reconstruction results of a simulated phantom study show that near-field artifacts are totally suppressed using the ML-EM algorithm in place of the standard correlation decoding method. The reconstruction results on a phantom and on a patient studies prove the feasibility of this reconstruction method for 3D scintigraphy thyroid

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior<br>Apresentam-se aqui os resultados da simulação do Espectrômetro de Dipolo do Forward Próton Detector (FPD) do experimento DØ usando o Geant4 O FPD consiste de um conjunto de espectrômetros de momentum localizados no tubo do feixe em ambos os lados do detector DØ com o objetivo de detectar prótons e/ou antiprótons produzidos em eventos difrativos resultantes das colisões próton-antipróton no centro do DØ Para determinar quais os fatores influenciam a resposta do FPD, utilizamos eventos com = 2 TeV gerados pelo programa PHOJET Nesta dissertação realizou-se a simulação de um detector bem conhecido, neste caso os espectrômetros de dipolo do FPD a fim de entender como desenvolver simulações utilizando o Geant4 para futuras aplicações no LHC<br>We present here the results from the simulation of the Dipole Spectrometer of the Forward Proton Detector (FPD), using the Geant4 simulation package. The FPD consists of momentum spectrometers placed in the beam pipe in both sides of DØ experiment. It was built to tag protons and/or antiprotons produced in diffractive events as a result of the collisions at the center of DØ. In order to estimate the response of our simulation we used events at = 2 TeV generated with PHOJET. Our motivation to simulate the dipole spectrometer of FPD is to learn and understand how Geant4 operates in order to use it in future applications at LHC

Thesis (MSc)--Stellenbosch University, 2014.<br>ENGLISH ABSTRACT: This study’s focus is on the determination and quantization of radiation damage on a cellular level due to the decay of the Auger electron-emitting 123I and the replication of this energy deposition using Geant4 Monte Carlo simulations. The relatively short half-life of 123I (13.2 hours) makes it ideal for studies of Auger electrons which induce biological damage similar to that of high linear energy transfer radiations, when permitted to deposit their energy in close proximity to DNA. Due to small cellular dimensions, direct dose measurements are impossible but estimates may be made from Monte Carlo simulations. In this investigation the thymidine analogue 5-[123I]-iodo-2-deoxyuridine (123IUdR) was used to incorporate the 123I into the cellular DNA of T-lymphocytes from two human donors. Radiation induced micronuclei were numerated in binucleated cells using fluorescence microscopy. The energy deposition per decay of 123I was calculated within a spherical geometry, having the same size and density as a human lymphocyte, using the open source Geant4 toolkit. The absorbed energy per disintegration was used to convert the incorporated 123I activity (Bq) into absorbed dose (Gy) values, in order to compare the biological damage caused by the radioactive iodine to 60Co γ-radiation. A linear relationship between micronuclei frequency and 123I activity could be established. The linear dose-response noted for Auger electrons in the study is indicative of the high-LET nature of these particles. Using the linear-quadratic dose-response curve for micronuclei frequencies following exposure to graded doses of 60Co γ-rays, the relative biological effectiveness (RBE) of the DNA incorporated 123I estimated in this work was found to range from 19 ± 10 to 32 ± 7 for lymphocyte donor 1 and 15 ± 6 to 42 ± 11 for donor 2. The dose limiting RBE (RBEM) for lymphocyte donor 1 and 2 are respectively 34 ± 8 and 50 ± 15 and follows the expected shift in terms of the inherent radiosensitivity of the donors. We also considered the inclusion of the S-phase fraction of the lymphocytes in the dosimetry calculations. The resultant RBEs of the dose points of lymphocyte donor 1 ranges from 4 ± 2 to 7 ± 2, and those of donor 2 ranges from 3 ± 1 to 9 ± 2. The RBEM for lymphocyte donor 1 and 2 are respectively 7 ± 2 and 11 ± 3. The inclusion of the S-phase fraction reduces the calculated RBEs significantly and these observed RBE values relate well to those obtained in studies with fibroblasts and 125IUdR.<br>AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie studie fokus op die bepaling en kwantisering van stralingskade op 'n sellulêre vlak as gevolg van die verval van 123I wat Auger elektrone afgee, asook die simulering van hierdie energie afsetting met behulp van die Geant4 Monte Carlo program. Die relatiewe kort half-leeftyd van 123I (13.2 uur) maak dit ideaal vir studies van Auger elektrone wat biologiese skade soortgelyk aan dié van 'n hoë lineêre-energie-oordrag uitstraling veroorsaak, indien die energie van die elektrone naby sellulêre DNA geabsorbeer word. As gevolg van die klein sellulêre dimensies is direkte dosis metings egter onmoontlik, maar skattings kan gemaak word met behulp van Monte Carlo simulasies. Die timidien analoog 5-[123I]-jodo-2-deoxyuridien (123IUdR) was in hierdie ondersoek gebruik om die 123I in die DNA van menslike T-limfosiete in te bou. Mikrokerne in dubbel-kernige selle wat vorm as gevolg van die Auger elektrone was getel met behulp van fluoressensie mikroskopie. Die energie afsetting per 123I verval was bereken binne ‘n sferiese geometrie, met dieselfde grootte en digtheid as 'n menslike limfosiet, met behulp van die Geant4 sagteware. Die geabsorbeerde energie per verval was gebruik om die geïnkorporeerde 123I aktiwiteit (Bq) om te skakel na ‘n waarde van geabsorbeerde dosis (Gy), ten einde die biologiese skade wat veroorsaak word deur die radioaktiewe jodium-123 met kobalt-60 gamma straling te vergelyk. ‘n Lineêre verwantskap tussen die mikrokerne frekwensies en die 123I aktiwiteit is vasgestel. Hierdie verwantskap vir Auger elektrone is 'n aanduiding van die hoë lineêre-energie-oordrag van hierdie deeltjies. Die lineêr-kwadratiese dosis-effek krommes vir mikrokerne frekwensies na blootstelling aan 60Co γ-strale was gebruik om die relatiewe biologiese doeltreffendheid (RBE) van die DNA geïnkorporeerde 123I te beraam. RBE waardes wissel van 19 ± 10 tot 32 ± 7 vir limfosiete van skenker 1 en 15 ± 6 tot 42 ± 11 vir skenker 2. Die dosis beperkte RBE (RBEM) vir limfosiet skenker 1 en 2 is onderskeidelik 34 ± 8 en 50 ± 15 en volg die verwagte skuif in terme van die inherente radiogevoeligheid van die skenkers. Die fraksie van limfosiete wat in S-fase was tydens die blootstelling aan 125IUdR was ingesluit in verdere dosimetrie berekeninge. Die gevolglike RBEs van die dosispunte van limfosiete van skenker 1 wissel van 4 ± 2 tot 7 ± 2 en dié van skenker 2 wissel van 3 ± 1 tot 9 ± 2. Die RBEM vir limfosiet skenker 1 en 2 is onderskeidelik 7 ± 2 en 11 ± 3. Die insluiting van die S-fase fraksie verminder die berekende RBEs aansienlik en die RBE waardes waargeneem hou goed verband met die wat in studies met fibroblaste en 125IUdR verkry is.

CAPES<br>Este trabalho apresenta a adaptação do código Geant4 para conversão de imagens DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) de crânio, obtidas em tomografia convencional (CT), em um phantom antropomórfico virtual. O trabalho foi baseado no exemplo médico denominado “Código Dicom”, disponibilizado pelos desenvolvedores do código Geant4. Durante a execução do trabalho foram feitas reestruturações no exemplo “Código Dicom” para a conversão direta de imagens tomográficas em um phantom virtual. Foram retirados do código todos os passos referentes aos eventos físicos nucleares. Foi reformulado o arquivo DicomHandler.cc para não realizar a compressão dos pixels da imagem de CT. Em seguida foi realizada a conversão direta de imagens tomográficas, de um phantom físico de polietileno (PEAD) com núcleo central de acrílico e de um crânio real humano, em phantoms virtuais para o código Geant4. Os resultados demonstraram que com este código é possível a reconstrução de áreas anatômicas com geometrias complexas, partindo do uso de imagens tomográficas reais.<br>This work presents the adaptation of the Geant4 code for converting DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) images of a skull, obtained in conventional tomography (CT), into a virtual anthropomorphic phantom. The work was based on the medical example named "Dicom Code" provided by the developers of the code Geant4. During the execution, restructurings using the "Dicom Code" example were made to achieve the direct conversion of tomographic images into a virtual phantom. All the steps referring to nuclear physical events were removed. The file DicomHandler.cc was reformulated in order to avoid the pixels compression of the CT image. The CT images of a physical polyethylene (PEAD) phantom with acrylic core and a real human skull were then converted into virtual phantoms for the code Geant4. The results showed that with this code, it may be possible the reconstruction of anatomical areas with complex geometries, based on the use of real tomographic images.

ECRS is a program for the detailed simulation of extensive air shower initiated by high energy cosmic ray particles. In this dissertation work, a Geant4 based ECRS simulation was designed and developed to study secondary cosmic ray particle showers in the full range of Earth's atmosphere. A proper atmospheric air density and geomagnetic field are implemented in order to correctly simulate the charged particles interactions in the Earth's atmosphere. The initial simulation was done for the Atlanta (33.460 N , 84.250 W) region. Four different types of primary proton energies (109, 1010, 1011 and 1012 eV) were considered to determine the secondary particle distribution at the Earth's surface. The geomagnetic field and atmospheric air density have considerable effects on the muon particle distribution at the Earth's surface. The muon charge ratio at the Earth's surface was studied with ECRS simulation for two different geomagnetic locations: Atlanta, Georgia, USA and Lynn Lake, Manitoba, Canada. The simulation results are shown in excellent agreement with the data from NMSU-WIZARD/CAPRICE and BESS experiments at Lynn Lake. At low momentum, ground level muon charge ratios show latitude dependent geomagnetic effects for both Atlanta and Lynn Lake from the simulation. The simulated charge ratio is 1.20 ± 0.05 (without geomagnetic field), 1.12 ± 0.05 (with geomagnetic field) for Atlanta and 1.22 ± 0.04 (with geomagnetic field) for Lynn Lake. These types of studies are very important for analyzing secondary cosmic ray muon flux distribution at the Earth's surface and can be used to study the atmospheric neutrino oscillations.

La médecine nucléaire est une spécialité médicale qui utilise un radiopharmaceutique dont l'administration permet généralement de visualiser une fonction, en détectant les émissions gamma (γ) du radio-isotope vectorisé. Lorsque le but de cette pratique est la thérapie (radiothérapie moléculaire), on privilégie des isotopes qui émettent des radiation à courte portée (α, β ou électrons Auger). Les traitements utilisant 177Lu-DOTATATE ont obtenu leur autorisation de mise sur le marché (AMM) sur la base de l'administration de 7,4 GBq par cycle (activité fixe), sans tenir compte de la variabilité de fixation inter patient. Ceci entraîne une importante fluctuation de la dose absorbée délivrée aux organes à risque et aux cibles tumorales, et par conséquent, une grande difficulté à prédire les résultats du traitement. Des études récentes suggèrent que la planification basée sur une dosimétrie individuelle est une piste d'optimisation du traitement. L'objectif de ce travail est de participer au développement de la dosimétrie clinique en radiothérapie moléculaire, notamment par le développement d'un outil web dédié à la dosimétrie interne personnalisée de patients traités avec 177Lu et basé sur la méthode Monte-Carlo. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude sur la modélisation de systèmes SPECT avec le code Monte-Carlo GATE. L'optimisation des simulations a été réalisée par différentes méthodes pour réduire les temps de simulation. Ces techniques ont réduit le temps de simulation jusqu'à un facteur de 85. Certaines ont été utilisées dans la comparaison entre acquisitions tomographiques simulées et expérimentales. Cette comparaison a permis la modélisation du contexte expérimental utilisé dans la validation de l'outil web, Finalement, une page web a été conçue en utilisant le framework Django où une séquence de scripts en Python et Bash réalisent le calcul de la dose absorbée par simulation avec GATE. Les doses absorbée obtenues ont été comparées avec OLINDA (version 1 et 2). Nos résultats montrent des différences entre 0,3% et 6,1%, selon la version d'OLINDA<br>Nuclear medicine is a medical specialty that uses a radiopharmaceutical whose administration generally allows to visualize an organ function by detecting the gamma (γ) emissions of the targeted radioisotope. When the goal of this practice is molecular radiotherapy, isotopes emitting short-range radiation (α, β or electron Augers) are preferred. In general, treatments using 177Lu-DOTATATE still uses the historical practice of a fixed administration of 7.4 GBq per cycle, regardless the sex, age or inter-patient fixation variability. This causes a large fluctuation of the absorbed dose delivered to organs at risk and tumour targets, and therefore a great difficulty in predicting the treatment results. Recent studies suggest that treatment planning based on individual dosimetry is a way to optimize the treatment. The objective of this work is to contribute to the development of clinical dosimetry in molecular radiotherapy, in particular by developing a web tool based on the Monte Carlo method GATE dedicated to individualised internal dosimetry of patients treated with 177Lu. First of all, a study on the modelling of the SPECT systems by the Monte Carlo toolkit, GATE was realized, as well as the optimization of these simulations, where different methods were used in order to reduce simulation time. These techniques reduced simulation time by up to 85, and some of them were used in the comparison between simulated and experimental tomographic acquisitions. This comparison allowed the modelling of an experimental context which was used for the web tool validation. Finally, the web page was designed using the Django framework where a sequence of scripts in Python and Bash perform the calculation of the absorbed dose by GATE simulations. The absorbed doses obtained were compared with OLINDA versions 1 and 2, and the results show differences between 0.3% and 6.1%, depending on OLINDA's version

L'hadronthérapie joue un rôle de plus en plus important au sein des techniques de radiothérapie grâce aux propriétés balistiques des ions et, dans le cas de ceux plus lourds que les protons, à une augmentation de l'efficacité biologique dans la région tumorale. Ces caractéristiques permettent une meilleure conformation de la dose délivrée au volume tumoral et elles permettent en particulier de traiter des tumeurs radio-résistantes. Elles conduisent cependant à une grande sensibilité du parcours des ions aux incertitudes du traitement. C'est dans ce contexte qu'a été proposée la détection de radiations secondaires émises lors des interactions nucléaires induites par les ions incidents dans le patient. La tomographie par émission de positons et la détection des rayons gamma prompts ont notamment fait l'objet d'une recherche intense ces dernières années. Le réseau de formation européen ENTERVISION, soutenu par la communauté ENLIGHT, a été crée fin 2009 pour développer ce type d'imagerie et, plus généralement, traiter les incertitudes de traitement en hadronthérapie. Le travail présenté dans ce manuscrit et intitulé ≪ Modélisation et simulation des processus physiques pour l'imagerie en ligne de l'hadronthérapie ≫ est l'un des nombreux travaux issus de ce projet. Bien que le sujet soit particulièrement large, le fil conducteur de ce travail a été une étude systématique visant in fine une implémentation d'un dispositif d'imagerie ≪ gamma prompts ≫ utilisable à la fois en faisceau de protons et d'ions carbone<br>Hadrontherapy is taking an increasingly important role in radiotherapy thanks to the ballistic properties of ions and, for those heavier than protons, an enhancement in the relative biological effectiveness in the tumour region. These features allow for a higher tumour conformality possible and gives the opportunity to tackle the problem of radioresistant tumours. However, they may lead to a great sensitivity of ion range to treatment uncertainties, namely to morphological changes along their path. In view of this, the detection of secondary radiations emitted after nuclear interactions between the incoming ions and the patient have been long proposed as ion range probes and, in this regard, positron emitters and prompt gammas have been the matter of intensive research. The European training network ENTERVISION, supported by the ENLIGHT community, was created in the end of 2009 in order to develop such imaging techniques and more generally to address treatment uncertainties during hadrontherapy. The present work is one of the many resulting from this project, under the subject “Modelling and simulation of physics processes for in-beam imaging in hadrontherapy”. Despite the extensive range of the topic, the purpose was always to make a systematic study towards the clinical implementation of a prompt-gamma imaging device to be used for both proton and carbon ion treatments

An increasing number of cancer patients is treated with proton beams or other light ion beams which allow to deliver dose precisely to the tumor. However, the depth dose distribution of these particles, which enables this precision, is sensitive to deviations from the treatment plan, as e.g. anatomical changes. Thus, to assure the quality of the treatment, a non-invasive in-vivo dose verification is highly desired. This monitoring of particle therapy relies on the detection of secondary radiation which is produced by interactions between the beam particles and the nuclei of the patient’s tissue. Up to now, the only clinically applied method for in-vivo dosimetry is Positron Emission Tomography which makes use of the beta+-activity produced during the irradiation (PT-PET). Since from a PT-PET measurement the applied dose cannot be directly deduced, the simulated distribution of beta+-emitting nuclei is used as a basis for the analysis of the measured PT-PET data. Therefore, the reliable modeling of the production rates and the spatial distribution of the beta+-emitters is required. PT-PET applied during instead of after the treatment is referred to as in-beam PET. A challenge concerning in-beam PET is the design of the PET camera, because a standard full-ring scanner is not feasible. For instance, a double-head PET camera is applicable, but low count rates and the limited solid angle coverage can compromise the image quality. For this reason, a detector system which provides a time resolution allowing the incorporation of time-of-flight information (TOF) into the iterative reconstruction algorithm is desired to improve the quality of the reconstructed images. Secondly, Prompt Gamma Imaging (PGI), a technique based on the detection of prompt gamma-rays, is currently pursued. Concerning the emissions of prompt gamma-rays during particle irradiation, experimental data is not sufficiently available, making simulations necessary. Compton cameras are based on the detection of incoherently scattered photons and are investigated with respect to PGI. Monte Carlo simulations serve for the optimization of the camera design and the evaluation of criteria for the selection of measured events. Thus, for in-beam PET and PGI dedicated detection systems and, moreover, profound knowledge about the corresponding radiation fields are required. Using various simulation codes, this thesis contributes to the modelling of the beta+-emitters and photons produced during particle irradiation, as well as to the evaluation and optimization of hardware for both techniques. Concerning the modeling of the production of the relevant beta+-emitters, the abilities of the Monte Carlo simulation code PHITS and of the deterministic, one-dimensional code HIBRAC were assessed. The Monte Carlo tool GEANT4 was applied for an additional comparison. For irradiations with protons, helium, lithium, and carbon, the depth-dependent yields of the simulated beta+-emitters were compared to experimental data. In general, PHITS underestimated the yields of the considered beta+-emitters in contrast to GEANT4 which provided acceptable values. HIBRAC was substantially extended to enable the modeling of the depth-dependent yields of specific nuclides. For proton beams and carbon ion beams HIBRAC can compete with GEANT4 for this application. Since HIBRAC is fast, compact, and easy to modify, it could be a basis for the simulations of the beta+-emitters in clinical application. PHITS was also applied to the modeling of prompt gamma-rays during proton irradiation following an experimental setup. From this study, it can be concluded that PHITS could be an alternative to GEANT4 in this context. Another aim was the optimization of Compton camera prototypes. GEANT4 simulations were carried out with the focus on detection probabilities and the rate of valid events. Based on the results, the feasibility of a Compton camera setup consisting of a CZT detector and an LSO or BGO detector was confirmed. Several recommendations concerning the design and arrangement of the Compton camera prototype were derived. Furthermore, several promising event selection strategies were evaluated. The GEANT4 simulations were validated by comparing simulated to measured energy depositions in the detector layers. This comparison also led to the reconsideration of the efficiency of the prototype. A further study evaluated if electron-positron pairs resulting from pair productions could be detected with the existing prototype in addition to Compton events. Regarding the efficiency and the achievable angular resolution, the successful application of the considered prototype as pair production camera to the monitoring of particle therapy is questionable. Finally, the application of a PET camera consisting of Resistive Plate Chambers (RPCs) providing a good time resolution to in-beam PET was discussed. A scintillator-based PET camera based on a commercially available scanner was used as reference. This evaluation included simulations of the detector response, the image reconstructions using various procedures, and the analysis of image quality. Realistic activity distributions based on real treatment plans for carbon ion therapy were used. The low efficiency of the RPC-based PET camera led to images of poor quality. Neither visually nor with the semi-automatic tool YaPET a reliable detectability of range deviations was possible. The incorporation of TOF into the iterative reconstruction algorithm was especially advantageous for the considered RPC-based PET camera in terms of convergence and artifacts. The application of the real-time capable back projection method Direct TOF for the RPCbased PET camera resulted in an image quality comparable to the one achieved with the iterative algorihms. In total, this study does not indicate the further investigation of RPC-based PET cameras with similar efficiency for in-beam PET application. To sum up, simulation studies were performed aimed at the progress of in-vivo dosimetry. Regarding the modeling of the beta+-emitter production and prompt gamma-ray emissions, different simulation codes were evaluated. HIBRAC could be a basis for clinical PT-PET simulations, however, a detailed validation of the underlying cross section models is required. Several recommendations for the optimization of a Compton Camera prototype resulted from systematic variations of the setup. Nevertheless, the definite evaluation of the feasibility of a Compton camera for PGI can only be performed by further experiments. For PT-PET, the efficiency of the detector system is the crucial factor. Due to the obtained results for the considered RPC-based PET camera, the focus should be kept to scintillator-based PET cameras for this purpose.

Les simulations Monte-Carlo représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de corrections des effets physiques. Parmi les nombreux simulateurs disponibles aujourd'hui, aucun n'est considéré comme standard en imagerie nucléaire ce qui a motivé le développement d'une nouvelle plate-forme de simulation Monte-Carlo générique (GATE), basée sur GEANT4 et dédiée aux applications SPECT/PET. Au cours de cette thèse, nous avons participé au développement de la plate-forme GATE dans le cadre d'une collaboration internationale. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant deux gamma-caméras de conception différente, l'une dédiée à l'imagerie du petit animal et l'autre utilisée en routine clinique (Philips, AXIS), et en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances des deux gamma-caméras mesurées. La plate-forme GATE a ensuite été employée pour développer une nouvelle méthode de reconstruction 3D (F3DMC), consistant à calculer par simulation Monte-Carlo la matrice de transition utilisée dans un algorithme de reconstruction itératif (ici, ML-EM), en y incluant les principaux effets physiques perturbant le processus de formation de l'image. Les résulats de F3DMC sont comparés aux résultats obtenus avec trois autres méthodes de reconstruction plus classiques (FBP, MLEM, MLEMC) pour différents fantômes simulés. Les résultats de cette étude montrent que F3DMC permet d'améliorer l'efficacité de reconstruction, la résolution spatiale et le rapport signal-sur-bruit avec une quantification satisfaisante des images. Ces résultats devront être confirmés par des études cliniques et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET

Les irradiateurs innovants dédiés aux petits animaux permettent de reproduire les traitements de radiothérapie clinique guidée par l'image. La pratique clinique est mise à l'échelle de l'animal en réduisant les dimensions et l'énergie des faisceaux d'irradiation : des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (&lt;300keV) sont utilisés. Les contraintes induites par cette mise à l'échelle limitent la possibilité de transposer les techniques de calcul de dose cliniques à la pratique préclinique. L'utilisation de méthodes Monte Carlo devient nécessaire. Dans le cadre de ce travail, un modèle Monte Carlo de l'irradiateur préclinique XRAD225Cx a été développé avec le code GATE (Geant4) afin de fournir une distribution de dose précise dans l'animal. Ce modèle a été validé en comparant les résultats des simulations à des mesures ainsi qu'avec des résultats obtenus avec le code Monte Carlo de référence en radiothérapie externe, EGSnrc. Une problématique particulière a été mise en évidence : l'impact dosimétrique majeur de la segmentation des tissus dans les images CT des animaux. Aux énergies précliniques, un seuillage des images basé sur les valeurs de densité électronique des voxels ne permet pas d'atteindre un niveau de précision acceptable pour le calcul de la dose. Il est indispensable de définir rigoureusement les matériaux (composition élémentaire et densité massique). Une méthode de segmentation spécifique a donc été proposée dans le but d'obtenir des distributions réalistes dans les animaux. Finalement, la plateforme de calcul Monte Carlo a pu être utilisée dans le cadre de différentes études radiobiologiques précliniques sur souris et rats<br>Innovating irradiators dedicated to small animal allow to mimic clinical treatments in image-guided radiation therapy. Clinical practice is scaled down to the small animal by reducing beam dimensions (from cm to mm) and energy (from MeV to keV). Millimeter medium energy beams (&lt;300keV) are used to treat animals. This scaling induces higher constraints than in clinical practice especially for absorbed dose calculation in animals. Due to the beam dimensions and the medium energy range, clinical dose calculation methods are not easily applicable to the preclinical practice. Monte Carlo methods are needed. To this aim, a Monte Carlo model of the XRAD225Cx preclinical irradiator has been developed with the GATE (Geant4) framework. This model was validated by comparing simulation results against measurements and results obtained with a reference Monte Carlo code in external beam radiation therapy, EGSnrc. A specific issue has been highlighted: the significant dosimetric impact of tissue segmentation in the animal CT images. Indeed, at medium energy range, thresholding based on electronic density cannot accurately take into account the heterogeneities. Materials should be defined using both the tissue elemental composition and the mass density. An original segmentation method has been developed to obtain realistic dose distributions in small animals. Finally, our Monte Carlo platform has been successfully used for several radiobiological studies with mice and rats

Background Radiomercury 197mHg and 197Hg, henceforth referred to as 197(m)Hg, is a promising theranostic radionuclide endowed with properties that allow diagnostic and therapeutic applications. The aim of this work was to investigate the capabilities of 197(m)Hg for nuclear medicine imaging. Therefore measurements were performed by using a Philips BrightView SPECT camera. Furthermore, Monte Carlo simulations using the GATE software were performed to theoretically explore the imaging contribution from the various gamma and X-ray emissions from 197(m)Hg for a commercial clinical camera with low-energy high-resolution (LEHR) and high-energy general-purpose (HEGP) collimators. We estimated the spatial resolution by using a four-quadrant bar phantom, and we evaluated the planar and tomographic images from an abdominal phantom containing three cylindrical sources of 197(m)Hg solution. Results A good accordance between measurements and simulations was found for planar and SPECT imaging. Simulations allowed the decomposition of the detected energy spectrum into photon origins. Measurements and simulations for the bar phantom revealed that for the LEHR collimator, the 6-mm pattern could be resolved, whereas for the HEGP collimator, the resolution is about 10 mm. Furthermore, we found that no significant image distortion results from high-energy photons when using the LEHR collimator. Conclusions We demonstrated the imaging capabilities of 197(m)Hg which is essential both for diagnostic applications and to determine the in vivo biodistribution for dose calculations in therapeutic applications.

Ce travail vise à démontrer la faisabilité d'un dosimètre opérationnel neutrons basé sur la technologie CMOS. Le capteur utilisé (MIMOSA-5) doit pour cela être transparent aux γ et pouvoir détecter les neutrons sur une large gamme d'énergie en gardant évidemment une bonne efficacité de détection. La réponse du système de détection, constitué du capteur CMOS adjoint d'un matériau convertisseur (polyéthylène pour les neutrons rapides, 10B pour les neutrons thermiques), a été confrontée à des si-mulations Monte Carlo effectuées avec MCNPX et GEANT4. Un travail de validation de ces codes a préalablement été effectué pour justifier leur utilisation dans le cadre de notre application. Les expériences nous permettant de caractériser le capteur ont été menées au sein de l'IPHC ainsi qu'à l'IRSN/LMDN (Cadarache). Les résultats de l'exposition du capteur à des sources de photon pures et à un champ mixte n/γ (source 241AmBe) montrent la possibilité d'obtenir un système transparent aux γ par application d'une coupure appropriée sur le dépôt d'énergie (aux alentours de 100 keV). L'efficacité de détection associée est très satisfaisante avec une valeur de 10-3, en très bon accord avec MCNPX et GEANT4. La réponse angulaire du capteur a été étudiée par la suite à l'aide de la même source. La dernière partie de cette étude traite de la détection des neutrons thermiques (de l'ordre de l'eV). Les expériences ont été menées à l'IRSN sur une source de 252Cf modérée à l'eau lourde. Les résultats ob-tenus ont montré une très bonne efficacité de détection (allant jusqu'à 6×10-3 pour un convertisseur do-pé au 10B) en très bon accord avec GEANT4.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro<br>Nessa tese foi feito um estudo preliminar, destinado à elaboração do programa experimental inicial para a primeira instalação da tomografia com prótons (pCT) brasileira por meio de modelagem computacional. A terapia com feixe de prótons é uma forma bastante precisa de tratamento de câncer. Atualmente, o planejamento de tratamento é baseado na tomografia computadorizada com raios X, alternativamente, a tomografia com prótons pode ser usada. Algumas questões importantes, como efeito de escala e a Curva de Calibração (fonte de dados iniciais para planejamento de terapia com prótons), foram estudados neste trabalho. A passagem de prótons com energias iniciais de 19,68MeV; 23MeV; 25MeV; 49,10MeV e 230MeV pelas camadas de materiais variados (água, alumínio, polietileno, ouro) foi simulada usando códigos Monte Carlo populares como SRIM e GEANT4. Os resultados das simulações foram comparados com a previsão teórica (baseada na solução aproximada da equação de transporte de Boltzmann) e com resultados das simulações feitas com outro popular código Monte Carlo MCNPX. Análise comparativa dos resultados das simulações com dados experimentais publicados na literatura científica para alvos grossos e na faixa de energias de prótons usada em medidas em pCT foi feita. Foi observado que apesar de que todos os códigos mostram os resultados parecidos alguns deslocamentos não sistemáticos podem ser observados. Foram feitas observações importantes sobre a precisão dos códigos e uma necessidade em medidas sistemáticas de frenagem de prótons em alvos grossos foi declarada.<br>In the present work a preliminary research via computer simulations was made in order to elaborate a prior program for the first experimental pCT setup in Brazil. Proton therapy is a high precise form of a cancer treatment. Treatment planning nowadays is performed basing on X ray Computer Tomography data (CT), alternatively the same procedure could be performed using proton Computer Tomography (pCT). Some important questions, as a scale effect and so called Calibration Curve (as a source of primary data for pCT treatment planning) were studied in this work. The 19.68MeV; 23MeV; 25MeV; 49.10MeV e 230MeV protons passage through varied absorbers (water, aluminum, polyethylene, gold) were simulated by such popular Monte Carlo packages as SRIM and GEANT4. The simulation results were compared with a theoretic prevision based on approximate solution of the Boltzmann transport equation and with simulation results of the other popular Monte Carlo code MCNPX. The comparative analysis of the simulations results with the experimental data published in scientific literature for thick absorbers and within the energy range used in the pCT measurements was made. It was noted in spite of the fact that all codes showed similar results some nonsystematic displacements can be observed. Some important observations about the codes precision were made and a necessity of the systematic measurements of the proton stopping power in thick absorbers was declared.

A terapia com prótons está presente em 16 países e até 2015 tratou mais de 130 mil pacientes. No entanto, no Brasil essa terapia ainda não está presente por diversos motivos, sendo o principal o alto custo. Antes de realizar tratamentos, é necessário fazer alguns testes para verificação da entrega de energia dos feixes de prótons. Como as medidas de microdosimetria são muito caras, a principal alternativa é a realização de simulações em programas computacionais, como o GEANT4 e SRIM. O GEANT4 é um programa que permite simular geometrias complexas, enquanto que o SRIM realiza simulações mais simples e ambas trabalham com o método de Monte Carlo. Neste trabalho foram utilizadas estas duas ferramentas para realizar simulações de feixes de prótons em fantomas com três diferentes composições (água, água e tecido ósseo, tecido ósseo e cerebral). Para realizar a análise da entrega de energia dos feixes de prótons ao longo destes fantomas, tornou-se necessário criar um programa denominada “Programa de Processamento de Dados em Próton Terapia Simulada”, que proporcionou criar matrizes, além dos cálculos dos picos de Bragg para avaliação da interação. Além disso, foi analisada a homogeneidade da interação de um feixe de prótons em um detector, em que foi verificado que as simulações em GEANT4 são homogêneas, não tendo uma tendência do feixe em se localizar em uma determinada região, assim como as energias depositadas são iguais nas regiões do fantoma. Também foram avaliados os valores do alcance de profundidade dos picos de Bragg em fantomas cilíndricos com três diferentes densidades: 1,03 g/cm³, 1,53 g/cm³ e 2,03 g/cm³, sendo a primeira, a densidade fornecida pelo GEANT4 para tecido cerebral. Foi verificado que as distâncias do alcance de profundidade dos picos de Bragg são iguais nestas três diferentes densidades.<br>Proton therapy is present in 16 countries and by 2015 has treated more than 130,000 Patients. However, in Brazil this therapy is not yet present for several reasons, Being the main the high cost. Before performing treatments, it is necessary to do some tests to verify the energy delivery of the proton bundles. As the Microdosimetry are very expensive, the main alternative is to carry out simulations in Programs such as GEANT4 and SRIM. GEANT4 is a program that Allows you to simulate complex geometries, while SRIM performs more complex simulations. Simple and both work with the Monte Carlo method. On this work were used these twain tools to perform a proton beam simulation in phantom with three different compositions (water, bones and water, brain and bones). To perform the energy delivery analysis of the proton beams along these phantoms, has become necessary create a program denominated “Data Processing Program Proton Therapy Simulated”, which allowed to create matrices, beyond the calculations of the Bragg peaks for interaction evaluation. Besides that, it was analyzing the homogeneity of the integration of a proton beam into a detector, in which it was verified that the simulations on GEANT4 are homogeneous, not having a tendency of the beam in locating in a certain region, just as the energies deposited are equal. The value of the depth range of the Bragg peaks were also evaluated in cylindrical phantoms with three different densities: 1,03 g/cm³, 1,53g/cm³ and 2,03 g/cm³, the first being the density provided by GEANT4 for brain tissue. It has been found that the depth range distances of the Bragg peaks are the same at these three different densities.

Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale. Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully3D Monte CARLO) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilidé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, région hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP,ML-EM,ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale.<br />Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilisé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, régions hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP, ML-EM, ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.

Ce travail de thèse, réalisé dans le cadre des projets de recherche ROSIRIS (IRSN) et Geant4-DNA, porte sur la construction d’une simulation multi-échelle dédiée au calcul des dommages radio-induits précoces à l’ADN qui peuvent apparaître suite à l’irradiation d’un noyau cellulaire. L’outil développé s’appuie sur une version modifiée du code de Monte Carlo Geant4-DNA et est capable de simuler dans le détail le transport et les interactions physiques entre l’irradiation ionisante et la matière biologique (étape physique), la création d’espèces chimiques (étape physico-chimique) et les réactions et processus de diffusion de ces dernières (étape chimique). Durant la simulation de ces trois étapes, un modèle géométrique de l’ADN, décrivant l’ensemble du génome humain avec une précision moléculaire, est généré avec un nouveau logiciel développé dans le cadre de cette thèse : DnaFabric. Les premiers résultats obtenus pour des irradiations avec des protons et des ions alpha sont détaillés et comparés à des données de la littérature. Un bon accord est observés avec ces dernières illustrant ainsi la cohérence de l’ensemble de la simulation. L’influence très significative du critère de sélection utilisé pour identifier les dommages à l’ADN est également démontrée<br>This work was performed in the frame of the ROSIRIS (IRSN) and Geant4-DNA research projects and describes the development of a simulation tool to compute radioinduced early DNA damages in a cell nucleus. The modeling tool is based on a modified version of the Monte Carlo code Geant4-DNA and is able to simulate the physical interactions between ionizing particles and the biological target (physical stage), the creation of chemical species within the cell nucleus (physico-chemical stage) as well as the reactions and diffusion processes of these chemical species (chemical stage). During all the simulation, a geometrical model that describes the DNA content of a human diploid cell nucleus is taken into account. This model was generated with a new software (DnaFabric) developed in the frame of this work and has a molecular level of detail.The first results (in term of DNA strand breaks) obtained with this tool are detailed and compared with experimental data from the literature. The good agreement between the simulation results and those data shows the coherence of our modeling. The significant influence of the selection criteria used to identify the DNA damages is also demonstrated

A back scatter time of flight neutron spectrometer consisting of two scintillation detectors is simulated in Geant4 to examine whether it is possible to perform a proof of concept test at the NESSA facility at Uppsala University. An efficiency of ε = 2.45 · 10^-6 is shown to be large enough for a neutron generator intensity of 1.9 · 10^10 neutrons per second to achieve a minimal required signal count rate of 10000 counts per hour. A corresponding full width at half maximum energy resolution of 8.3% is found. The background in one of the detectors is simulated in MCNP and found to be a factor 62 larger than the signal for a given set of pulse height thresholds in the detectors. Measures to increase the signal to background ratio are discussed and an outlook for future work concerning testing the spectrometer at NESSA is presented.

ALTO is a project, currently in the research and development phase, with the goal of constructing a Very High Energy (VHE) gamma-ray observatory in the southern hemisphere. It will detect the particle content reaching the ground from the interactions of either VHE gamma rays or cosmic rays in the atmosphere known as extensive air showers. In this thesis, we use an ALTO prototype built at Linneaus University to estimate the vertical muon intensity in Växjö. The atmospheric muons we detect at ground level come from hadronic showers caused by a cosmic ray entering the atmosphere. Such showers are considered background noise in the context of VHE gamma-ray astronomy, and the presence of muons is an important indicator of the nature of the shower, and thus of the primary particle. The measurement is done by isolating events that produce signals in two small scintillation detectors that are part of the ALTO prototype, and are placed almost directly above each other. This gives us a data set that we assume represents muons travelling along a narrow set of trajectories, and by measuring the rate of such events, we estimate the muon intensity. We estimate the corresponding momentum threshold using two different methods; Monte Carlo simulation and calculation of the mean energy loss. The vertical muon intensity found through this method is about 21% higher than commonly accepted values. We discuss some possible explanations for this discrepancy, and conclude that the most likely explanation is that the isolated data set contains a significant number of “false positives”, i.e., events that do not represent a single muon following the desired trajectory.

Les simulations Monte-Carlo SMC représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de correction des effets physiques responsables de la dégradation des images reconstruites (atténuation, diffusion, etc...). L'inconvénient majeur des simulations Monte-Carlo réside dans le temps de calcul important qu'elles nécessitent. Au cours de cette thèse, nous avons tiré parti de la plate-forme de SMC GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission) dédiée aux examens SPECT/PET pour une modélisation réaliste des phénomènes physiques, et de la grille de calcul légère CiGri (Ciment Grid) afin de réduire le temps de calcul. Le premier objectif de cette thèse consiste à modéliser la gamma-caméra Biospace dédiée à l'imagerie petit animal à l'aide du logiciel GATE. Le modèle de la gamma-caméra est validé en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances mesurées de la gamma-caméra. Le modèle validé est ensuite utilisé pour l'évaluation de l'algorithme de Novikov-Natterer de reconstruction analytique de la transformée de Radon atténuée. Les résultats de cette étude montrent que l'algorithme de reconstruction de Novikov-Natterer permet d'améliorer les images d'un point de vue qualitatif et quantitatif par rapport à la méthode analytique standard FBP.

Afin de protéger leurs systèmes de détection de l'impulsion électromagnétique géante générée par l'interaction du laser PETAL avec sa cible, les diagnostics de PETAL seront équipés de détecteurs passifs. Pour les ensembles SEPAGE et SESAME, une combinaison d'Imaging Plates (IP) et de couches de protection de matériaux de grand numéro atomique sera utilisée, qui permettra: 1) d'assurer que la réponse des détecteurs sera indépendante de son environnement mécanique proche dans les diagnostics et donc homogène sur toute la détection, 2) de blinder les détecteurs contre les photons de haute énergie produits dans la cible de PETAL. Dans le travail présenté ici, nous avons réalisé des expériences d'étalonnage avec les IPs auprès d'installations générant des électrons, des protons ou des ions, dans le but de couvrir le domaine en énergie cinétique de la détection des particules chargées de PETAL, de 0.1 à 200 MeV. L'introduction a pour but de décrire les méthodes et outils utilisés au cours de cette étude. Le second chapitre présente les résultats de deux expériences réalisées avec des électrons dans le domaine d'énergie cinétique [5-180] MeV. Le troisième chapitre décrit une expérience et ses résultats avec les protons entre 80 et 200 MeV étaient envoyés sur nos détecteurs. Le quatrième chapitre est consacré à une expérience utilisant des protons et des ions entre1 et 22 MeV en énergie de protons et dont l'objectif était l'étude de détecteurs et le test du démonstrateur de SEPAGE. Nous avons utilisé GEANT4 pour l'analyse de nos données et prédire la réponse de nos détecteurs dans le domaine 0.1 à 1000 MeV<br>In order to protect their detection against the giant electromagnetic pulse generated by the interaction of the PETAL laser with its target, PETAL diagnostics will be equipped with passive detectors. For SESAME and SEPAGE systems, a combination of imaging plate (IP) detectors with high-Z material protection layers will be used to provide additional features such as: 1) Ensuring a response of the detector to be independent of its environment and hence homogeneous over the surface of the diagnostics; 2) Shielding the detectors against high-energy photons from the PETAL target. In this work, calibration experiments of such detectors based on IPs were performed at electron and proton facilities with the goal of covering the energy range of the particle detection at PETAL from 0.1 to 200 MeV. The introduction aims at providing the reader the methods and tools used for this study. The second chapter presents the results of two experiments performed with electrons in the range from 5 to 180 MeV. The third chapter describes an experiment and its results, where protons in the energy range between 80 and 200 MeV were sent onto detectors. The fourth chapter is dedicated to an experiment with protons and ions in the energy range from 1 to 22 MeV proton energy, which aimed at studying our detector responses and testing the demonstrator of the SEPAGE diagnostic. We used the GEANT4 toolkit to analyse our data and compute the detection responses on the whole energy range from 0.1 to 1000 MeV

La tomographie d'émission monophotonique (TEMP) dédiée au petit animal est une technique d'imagerie nucléaire qui joue un rôle important en imagerie moléculaire. Les systèmes TEMP, à l'aide de collimateurs pinholes ou multi-pinholes, peuvent atteindre des résolutions spatiales submillimétriques et une haute sensibilité pour un petit champ de vue, ce qui est particulièrement attractif pour imager des souris. Une géométrie de collimation originale a été proposée, dans le cadre d'un projet, appelé SIGAHRS, piloté par la société Biospace. Ce collimateur présente des longueurs focales qui varient spatialement dans le plan transaxial et qui sont fixes dans le plan axial. Une haute résolution spatiale est recherchée au centre du champ de vue, avec un grand champ de vue et une haute sensibilité. Grâce aux simulations Monte Carlo, dont nous pouvons maîtriser tous les paramètres, nous avons étudié cette collimation originale que nous avons positionnée par rapport à un collimateur parallèle et un collimateur monofocal convergent. Afin de générer des données efficacement, nous avons développé un module multi-CPU/GPU qui utilise une technique de lancer de rayons dans le collimateur et qui nous a permis de gagner un facteur ~ 60 en temps de calcul, tout en conservant ~ 90 % du signal, pour l'isotope ⁹⁹^mTc (émettant à 140,5 keV), comparé à une simulation Monte Carlo classique. Cependant, cette approche néglige la pénétration septale et la diffusion dans le collimateur. Les données simulées ont ensuite été reconstruites avec l'algorithme OSEM. Nous avons développé quatre méthodes de projection (une projection simple (S-RT), une projection avec volume d'intersection (S-RT-IV), une projection avec calcul de l'angle solide (S-RT-SA) et une projection tenant compte de la profondeur d'interaction (S-RT-SA-D)). Nous avons aussi modélisé une PSF dans l'espace image, anisotrope et non-stationnaire, en nous inspirant de la littérature existante. Nous avons étudié le conditionnement de la matrice système pour chaque projecteur et collimateur, et nous avons comparé les images reconstruites pour chacun des collimateurs et pour chacun des projecteurs. Nous avons montré que le collimateur original proposé est le système le moins bien conditionné. Nous avons aussi montré que la modélisation de la PSF dans l'image ainsi que de la profondeur d'intéraction améliorent la qualité des images reconstruites ainsi que le recouvrement de contraste. Cependant, ces méthodes introduisent des artefacts de bord. Comparé aux systèmes existants, nous montrons que ce nouveau collimateur a un grand champ de vue (~ 70 mm dans le plan transaxial), avec une résolution de 1,0 mm dans le meilleur des cas, mais qu'il a une sensibilité relativement faible (1,32x10⁻² %).

<p>A Monte Carlo simulation of the Neutron Wall detector system has been performed using Geant4, in order to define optimum conditions for the detection and identification of multiple neutrons. Emphasis was put on studying the scattering of neutrons between different detectors, which is the main source of the apparent increase of the number of detected neutrons. The simulation has been compared with experimental data. The quality of neutron gated γ-ray spectra was improved for both two- and three-neutron evaporation channels. The influence of small amounts of γ rays mis-interpreted as neutrons was investigated. It was found that such γ rays dramatically reduce the quality of neutron gated γ-ray spectra.</p><p>The interaction properties of fast neutrons in a closed-end coaxial and a planar high-purity germanium detector (HPGe) were studied. Digitised waveforms of HPGe preamplifier signals were recorded for time-of-flight separated neutrons and γ rays, emitted by a ²⁵²Cf source. The experimental waveforms from the detectors were compared to simulated pulse shapes. In the analysis, special emphasis was given to the detection of elastically scattered neutrons, which may be an important effect to take into account in future spectrometers based on γ-ray tracking. No differences between neutron and γ-ray induced pulse shapes were found in this work.</p><p>A Monte Carlo simulation of the interactions of fast neutrons in the future 4π γ-ray spectrometer AGATA was also performed, in order to study the influence of neutrons on γ-ray tracking. It was shown that although there is a large probability of detecting neutrons in AGATA, the neutrons decrease the photo-peak efficiency of AGATA by only about 1% for each neutron emitted in coincidence with γ rays. The peak-to-background ratios in γ-ray spectra are, however, reduced to a much larger extent. The possibility of using AGATA as a neutron detector system was also investigated.</p>

Le démonstrateur de SuperNEMO est un détecteur de nouvelle génération pour la recherche de la décroissance double bêta sans émission de neutrinos. Comme son prédécesseur NEMO3, la technique expérimentale utilisée associe un trajectographe et un calorimètre afin de pouvoir identifier les électrons des décroissances double bêta tout en permettant la différenciation des différentes composantes du bruit de fond. Le démonstrateur est en cours d’installation au Laboratoire Souterrain de Modane et commencera à prendre des données à la fin de l’année 2017 afin d’atteindre une sensibilité supérieure à 1026 ans sur la demi-vie de la décroissance ββ0ν du 82Se dans la version finale du détecteur (100 kg d’isotopes pour une exposition totale de 5 ans).Ce travail de thèse a consisté à étudier la réponse en énergie et en temps des modules optiques du calorimètre (association d'un scintillateur plastique et d'un photomultiplicateur). Une simulation optique basée sur le logiciel GEANT4 a été développée afin de reproduire l'ensemble des phénomènes optiques ayant lieu au sein du scintillateur et du photomultiplicateur : scintillation, atténuation de Birks, émission Cerenkov, propagation et collection des photons. Ces travaux ont abouti à la mise au point de termes correctifs de hautes précisions sur l’énergie afin que le Monte Carlo de SuperNEMO soit au plus proche des données. Ces corrections ont alors été appliquées dans le cas du démonstrateur afin d’étudier l'impact sur la sensibilité au processus ββ0ν du 82Se. Ces simulations optiques ont également été étendues jusqu’à la modélisation de la forme temporelle des signaux du calorimètre<br>The SuperNEMO demonstrator is a next generation experimental device, looking for neutrinoless double beta decay. Like its predecessor NEMO3, the experimental technique employed is based on a combination of a tracker and a calorimeter to identify the electrons from the double beta decay process while allowing the differentiation and identification of the different background components. The SuperNEMO’s demonstrator is currently being installed at the Modane Underground Laboratory and will begin to register data by the end of 2017. The aim is to reach a sensivity greater than 1026 years on the half-life of the 82Se ββ0ν process in the final version of the detector (100 kg of isotopes for a 5 years’ total exposure).This thesis contribution to the SuperNEMO, consisted in studying the energy and time response of the calorimeter optical modules (association of a plastic scintillator and a photomultiplier). To do so, an optical simulation based on the GEANT4 software was developed, which enabled to reproduce and simulate all the optical phenomena inside a scintillator and a photomultiplier: scintillation, Birks attenuation, Cerenkov emission, propagation and photon collection. The outcome and result of this thesis has been to develop high-precision corrective factors on the energy linked, so that the Monte-Carlo’s SuperNEMO is closest to the real data experimental records. These corrections were applied to the demonstrator simulation in order to study the impact on the ββ0ν sensitivity. These optical simulations have also been extended to the modeling of the temporal shape of the calorimeter signals

Cette thèse concerne la conception d’un dosimètre opérationnel pour les chirurgiens opérant sous rayonnement X. Les rayons X ont été découverts en 1895 par Wilhelm Röntgen. Depuis, ils sont très largement employés que ce soit pour les contrôles effectués dans les aéroports ou dans le domaine médical. Très utiles pour soigner les personnes, ils ne sont pas sans danger que ce soit pour les patients ou les praticiens hospitaliers. Normalement, les patients sont soumis de manière ponctuelle à des irradiations. En revanche, certains praticiens hospitaliers sont confrontés aux irradiations au quotidien. On distingue ici, les personnels orientés « radiographie », qui sont normalement protégés lors de l’irradiation du patient, de certains chirurgiens qui utilisent les rayons X comme moyen de contrôle durant l’opération et pour laquelle ils sont à proximité de la zone irradiée. C’est à cette problématique que s’intéresse cette thèse. L’étude que nous proposons en partenariat avec le laboratoire de recherche en science du numérique GREYC et l’Ecole des Applications Militaires de l’Energie Atomique (EAMEA) située à Cherbourg, est donc destinée à concevoir et réaliser un détecteur de rayons X pour applications médicales visant à donner une information pour une faible dose et des faibles énergies. La partie simulation et validation (irradiation) s’est faite à l’EAMEA. Le reste du travail s’est déroulé au sein du laboratoire GREYC qui a acquis, depuis plusieurs années, une réelle expérience dans le domaine des capteurs.Pour cela, nous avons commencé par réaliser des simulations Monte-Carlo à l’aide du code de calcul GEANT4 afin de définir la géométrie optimale du détecteur. A la suite de ces résultats de simulation, nous avons réalisé le capteur par pulvérisation cathodique rf magnétron par dépôt successif de couches minces. La couche sensible du capteur a fait l’objet d’une caractérisation Raman dont les résultats sont comparés à la littérature. Une fois le capteur réalisé, nous avons procédé à une caractérisation sous un flux de rayonnement X émis depuis un générateur continu de rayons X. Les différents essais avec le générateur continu ont permis de développer une chaine d’acquisition du signal pour ensuite tester le capteur sous un champ de rayonnement pulsé au Centre Hospitalier Public du Cotentin<br>This thesis concerns the design of an operational dosimeter for surgeons operating under X-rays. X-rays were discovered in 1895 by Wilhelm Röntgen. Since then, they have been very employed, whether for checks carried out at airports or in the medical field. Very useful for treating people, they are not without danger whether it is for patients or hospital practitioners. Normally, patients are subjected occasionally to irradiation. On the other hand, some hospital practitioners are confronted with daily irradiation. A distinction is made here between “radiography” for diagnostic, who are normally protected during irradiation of the patient, and certain surgeons who use X-rays as a control during the operation and for whom they are close to the irradiated area. This is the issue that this thesis is interested in. The study that we are proposing in partnership with the digital science research laboratory GREYC and the School of Military Applications of Atomic Energy (EAMEA) both located in Cherbourg, is therefore intended to design and produce an X-ray detector for medical applications aimed at giving information for low dose and low energies. The simulation and validation (irradiation)part was done at EAMEA. The rest of the work took place within the GREYC laboratory which has acquired, for several years, real experience in the field of sensors.We started by performing Monte-Carlo simulations using the GEANT4 calculation code in order to define the optimal geometry of the sensor. Following these simulation results, we produced the sensor by rf magnetron sputtering by successive deposition of thin layers. The sensitive layer of the sensor was subject to Raman characterization, the results of which were compared with the literature. Once the sensor had been produced, we carried out a characterization under a flow of X-rays emitted from a continuous X-ray generator. The various tests with the generator continued made it possible to develop a signal acquisition chain in order to test the sensor under a pulsed radiation field in the Centre Hospitalier Public du Cotentin

碩士<br>國立中央大學<br>物理研究所<br>100<br>Proton Range Radiography (PRR) is an image quality control tool in proton therapy. Before a patient begins proton irradiation, a real-time imaging can be generated by the same proton beam. By comparing with the computer tomography image; the doctor can know any changes of tumor to evaluate the validity of the treatment. The PRR detector includes a pair of gas electron multiplier and a range telescope made with a stack of 30 scintillators. The gas electron multiplier is to record the trajectory of the particle and the scintillator is to record the energy loss of particle passing through scintillator. In this thesis, we used these two conditions to reconstruct the image and analysis image resolution from these images. In order to find the minimum dosage require for clean picture, we through a simple algorithm to search the minimum dosage.

Monte Carlo method has been successfully applied in simulating the particles transport problems. Most of the Monte Carlo simulation tools are static and they can only be used to perform the static simulations for the problems with fixed physics and geometry settings. Proton therapy is a dynamic treatment technique in the clinical application. In this research, we developed a method to perform the dynamic Monte Carlo simulation of proton therapy using Geant4 simulation toolkit. A passive-scattering treatment nozzle equipped with a rotating range modulation wheel was modeled in this research. One important application of the Monte Carlo simulation is to predict the spatial dose distribution in the target geometry. For simplification, a mathematical model of a human body is usually used as the target, but only the average dose over the whole organ or tissue can be obtained rather than the accurate spatial dose distribution. In this research, we developed a method using MATLAB to convert the medical images of a patient from CT scanning into the patient voxel geometry. Hence, if the patient voxel geometry is used as the target in the Monte Carlo simulation, the accurate spatial dose distribution in the target can be obtained. A data analysis tool?root was used to score the simulation results during a Geant4 simulation and to analyze the data and plot results after simulation. Finally, we successfully obtained the accurate spatial dose distribution in part of a human body after treating a patient with prostate cancer using proton therapy.

abstract: Positron emission tomography (PET) is a non-invasive molecular imaging technique widely used for the quantification of physiological and biochemical processes in preclinical and clinical research. Due to its fundamental role in the health care system, there is a constant need for improvement and optimization of its scanner systems and protocols leading to a dedicated active area of research for PET. (Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) is a simulation platform designed to model and analyze a medical device. Monte Carlo simulations are essential tools to assist in optimizing the data acquisition protocols or in evaluating the correction methods for improved image quantification. Using GATE along with Customizable and Advanced Software for Tomographic Reconstruction (CASToR), provides a link to reconstruct the images. The goal of this thesis is to learn PET systems that involve Monte Carlo methods, GATE software, CASToR software to model, simulate and analyze PET systems using three clinical PET systems as a template. Fluorine-18 radioisotope source is used to perform measurements on the modeled PET systems. Parameters such as scatter-fraction, random-fraction, sensitivity, count rate performance, signal to noise ratio (SNR), and time of flight (ToF) are analyzed to determine the performance of the systems. Also, the simulated data are provided as input to CASToR software and Amide's a Medical Image Data Examiner (AMIDE) tool to obtain the reconstructed images which are used to analyze the reconstruction capability of the simulated models. The Biograph Vision PET model has high sensitivity (11.159 cps/MBq) and SNR (12.556) while the Ultra-High Resolution (UHR) PET model has high resolution of the reconstructed image.<br>Dissertation/Thesis<br>Masters Thesis Computer Engineering 2020

Monte Carlo (MC) simulations are widely used in the field of medical biophysics, particularly for modelling light propagation in biological tissue. The iterative nature of MC simulations and their high computation time currently limit their use to solving the forward solution for a given set of source characteristics and tissue optical properties. However, applications such as photodynamic therapy treatment planning or image reconstruction in diffuse optical tomography require solving the inverse problem given a desired light dose distribution or absorber distribution, respectively. A faster means for performing MC simulations would enable the use of MC-based models for such tasks. In this thesis, a gold standard MC code called MCML was accelerated using two distinct hardware-based approaches, namely designing custom hardware on field-programmable gate arrays (FPGAs) and programming commodity graphics processing units (GPUs). Currently, the GPU-based approach is promising, offering approximately 1000-fold speedup with 4 GPUs compared to an Intel Xeon CPU.

Τα συστήματα ιατρικής απεικόνισης αποτελούν τον ακρογωνιαίο λίθο της σύγχρονης ιατρικής επιστήμης. H ικανότητα να απεικονίζονται δομές και λειτουργικότητα ενός οργανισμού, χωρίς επεμβατικές τεχνικές, δίνει πληροφορίες, όχι μόνο για την διάγνωση και την θεραπεία, αλλά και πολύτιμα στοιχειά για την μελέτη και την εξέλιξη της επιστήμης. Η έρευνα επάνω στην ιατρική απεικόνιση καλύπτει ένα ευρύ φάσμα, από την ακτινοδιαγνωστική μέχρι την μαγνητική τομογραφία. Η εξέλιξη της τεχνολογίας μας δίνει συστήματα όπως Υπολογιστική τομογραφία, SPECT, Ανιχνευτές εξαΰλωσης ποζιτρονίου και Μαγνητική τομογραφία. Στις περισσότερες των περιπτώσεων, μηχανήματα και τεχνικές συνδυάζονται, με γνώμονα τη βελτιστοποίηση της διαγνωστικής ποιότητας, λαμβάνοντας τα θετικά που μπορεί να δώσει μία τεχνική, και συμπιέζοντας τα αρνητικά χαρακτηριστικά αμφότερα. Ο στόχος είναι να λαμβάνουμε τα καλύτερα δυνατά αποτελέσματα, με μία μόνο εξέταση για μεγάλο εύρος ζητημάτων. Η ιατρική απεικόνιση δεν στοχεύει μόνο στην μορφολογική και ανατομική πληροφορία, αλλά επεκτείνεται και στην απεικόνιση της λειτουργικότητας του οργανισμού. Ως παράδειγμα μπορούμε να θέσουμε το εξής: Η αυξημένη κατανάλωση γλυκόζης από τα καρκινικά κύτταρα, δίνει την ευκαιρία με την χρήση του FDG, να απεικονιστούν οι κακοήθεις όγκοι με ένα σύστημα PET. Από την άλλη, η ανατομική πληροφορία που δίνει ένα απεικονιστικό σύστημα αποτελεί σημαντικό κριτήριο και για την διάγνωση αλλά και για την θεραπεία. Για αυτόν τον λόγο έχουν αναπτυχθεί υβριδικά μοντέλα απεικόνισης. Το πιο διαδεδομένο υβριδικό σύστημα ιατρικής απεικόνισης είναι το PET‐CT, που έχει καθολική αποδοχή στην σύγχρονη κλινική πράξη. Με την εφαρμογή του υπολογιστικού τομογράφου, έχουμε αποτελέσματα στον τομέα των δομικών πληροφοριών ενός οργανισμού, και με το PET, λαμβάνεται πληροφορία, σχετικά με την λειτουργικότητα του οργανισμού προς εξέταση. Επίσης ένα πολύ σημαντικό επίτευγμα είναι ότι με την χρήση του CT, υπάρχει δυνατότητα διόρθωσης της απορρόφησης από τους ιστούς του ασθενή. Συνδυασμός εκτός από PET‐CT, μπορεί να υπάρξει και με το έτερο σύστημα πυρηνικής, το SPECT. Η σημερινή εποχή επιβάλει να μειωθεί όσο γίνεται η δόση που αποδίδεται ανά ασθενή ανά εξέταση. Ο χρυσός κανόνας της ακτινοπροστασίας είναι « τόσο λίγο όσο λογικά επιτρεπτό». Αυτός ο κανόνας φέρνει στο προσκήνιο συστήματα με χαμηλή ή και μηδενική επιβάρυνση δόσης για τον ασθενή. Μια τεχνική από αυτές είναι και η απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, γνωστή και ως μαγνητική τομογραφία. Πρόκειται για ένα σύστημα το οποίο δεν επιφέρει βιολογικά 6 προβλήματα στον άνθρωπο, και είναι ικανό να παράγει δεδομένα και ανατομικά αλλά και λειτουργικά. Ο μαγνητικός βασίζει την λειτουργία του στην χρήση μεγάλων ισχυρών ηλεκτρομαγνητών με σκοπό να φέρει τους πύρινες των ατόμων του υδρογόνου σε κατάσταση πόλωσης. Πρόκειται για ένα σύστημα υψηλής τεχνολογίας. Τα επιτεύγματα του, σε συνδυασμό με την μηδενική επιβάρυνση δόσης στον ασθενή, το κάνει νούμερο ένα προτίμηση στην ιατρική απεικόνιση. Όμως παρόλο που ο μαγνητικός τομογράφος αποτελεί το πρότυπο του τρόπου αντιμετώπισης των συστημάτων ιατρικής απεικόνισης, οι δυνατότητες του είναι περιορισμένες. Για να είναι όμως στο προσκήνιο ένα τέτοιο σύστημα, πρέπει να εξελιχτεί και να συνδυαστεί με κάποιο άλλο. Με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα, το πρόβλημα του hardware έχει ξεπεραστεί, και οδήγησε στην δημιουργία του PET‐MRI. Με ταυτόχρονη λήψη δεδομένων και από τα δύο συστήματα, μπορούμε να έχουμε πολλές πληροφορίες για τη λειτουργικότητα αλλά και τη δομή του οργανισμού. Μία τέτοια τεχνική θα έχει ευρύ φάσμα εφαρμογών, και η κατάργηση του CT, δίνει ελάττωση της δόσης, που λαμβάνεται από κάθε ασθενή. Το σύστημα εκπομπής ποζιτρονίων βασίζεται σε ισότοπα, που εκπέμπουν ποζιτρόνια. Όπως γνωρίζουμε, όταν ένα φορτισμένο σωματίδιο εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο με ταχύτητα u, δέχεται μία δύναμη η οποία αναγκάζει το φορτισμένο σωμάτιο να ακολουθήσει μία προκαθορισμένη τροχιά. Αυτό είναι το θέμα, στο οποίο εστιάζει αυτή η εργασία. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να καταλάβουμε και να μετρήσουμε την επίδραση του μαγνητικού πεδίου στα ποζιτρόνια. Ένας από αυτούς, είναι να κάνουμε μετρήσεις απευθείας σε μία πειραματική διάταξη PET‐MR. Το εμπόδιο είναι ότι μία τέτοια μέθοδος δεν είναι ευέλικτη. Ο μαγνήτης και η ένταση του δεν αλλάζουν εύκολα, και τα συστηματικά λάθη των ανιχνευτών θα δίνουν πάντα μεγάλα σφάλματα στα αποτελέσματα μας. Μία Monte Carlo μέθοδος από την άλλη, βασιζόμενη στις γνωστές φυσικές ιδιότητες, την χρήση μαθηματικών δεδομένων και την χρήση τυχαίων αριθμών, μπορεί να δώσει αποτελέσματα σχεδόν όμοια με αυτά που δίνονται από ένα υπαρκτό σύστημα. Σε αντίθεση με τις πειραματικές εφαρμογές, οι προσομοιώσεις Monte Carlo δεν περιορίζονται στην εξαγωγή μόνο μιας τελικής τιμής, αλλά επεκτείνονται και σε αποτελέσματα σχετικά με επιμέρους συστήματα και φυσικές αλληλεπιδράσεις. Επίσης, με μία Monte Carlo τεχνική, μπορείς να ορίσει ο χρήστης οποιαδήποτε γεωμετρία, με τα χαρακτηριστικά που αυτός επιθυμεί και να λάβει αποτελέσματα παρόμοια με αυτά του πραγματικού συστήματος. Αυτό βοηθά και την κατανόηση αλλά και στο σχεδιασμό και εξέλιξη νέων συστημάτων. Ένα σύστημα Monte Carlo είναι και το GATE. Το GATE αποτελεί μία υπο‐εφαρμογή του συστήματος Geant4, το οποίο δανείζει την φυσική του. Για χρόνια το GATE χρησιμοποιείται για τη μελέτη συστημάτων πυρηνικής Ιατρικής. Πλέον, συστήματα CT μπορούν να περιγραφούν σε μία 7 προσομοίωση και να προσομοιωθούν. Η δημιουργία συστημάτων PET‐MRI, δεν φέρνει προκλήσεις μόνο στον τομέα των πειραματικών εφαρμογών, αλλά και στον χώρο των προσομοιώσεων Monte Carlo. Επίσης το GATE είναι ένα πακέτο προσομοίωσης Monte Carlo ευρείας χρήσης , με συστηματική και μεθοδική ανανέωσή του. Οι στόχοι αυτής της εργασίας είναι η ενσωμάτωση νέων χαρακτηριστικών σε αυτό το πλήρως ανεπτυγμένο λογισμικό, και η εξαγωγή αποτελεσμάτων με γνώμονα πάντα την μελέτη κίνησης των ποζιτρονίων μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Οι αλλαγές οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στο πακέτο Monte Carlo GATE, επιτρέπουν την εφαρμογή μαγνητικού πεδίου και σε όλη την έκταση του εικονικού χώρου αλλά και τοπικά. Μεγάλο πλεονέκτημα λαμβάνουμε από μία συγκεκριμένη αλλαγή που έγινε στο κώδικά και αφορά την καταγραφή και απεικόνιση της τρισδιάστατης κατανομής εξαϋλώσεων ποζιτρονίων, και η δυνατότητα καταγραφής δεδομένων, που έχουν να κάνουν με την χωρική κατανομή των εξαϋλώσεων. Επίσης για την αξιοποίηση αυτών των νέων χαρακτηριστικών, δημιουργήσαμε πειραματική διάταξη με χρήση διαφόρων ισοτόπων και εντάσεων μαγνητικού πεδίου. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν ότι η μέση απόσταση εξαΰλωσης μειώνεται, με την χρήση μεγαλύτερου σε ένταση μαγνητικού πεδίου. Επίσης ένα ενθαρρυντικό στοιχειό είναι ότι ισότοπα με μεγάλη μέση απόσταση εξαΰλωσης παρουσιάζουν σημαντική βελτίωση σε μαγνητικό πεδίο, το οποίο επιβάλει την αναθεώρηση των ενδοιασμών για την χρήση τους ή μη σε απεικόνιση.<br>Medical imaging systems are the foundation stone of modern medical science. The capability to visualize the structure and the functionality of a human body, without invasive techniques, gives capabilities not only to the diagnosis and treatment, but also to the study of medicine. In this direction medical physics science is coordinated. From the simple X‐ray to Magnetic Resonance Imaging technology, allot of research has been made. These days technology gives imaging techniques such as Computed tomography, Single Photon Emission computed tomography, Positron Emission Tomography, and MRI. Most of the cases two or more imaging systems are combined to increase the diagnostic quality, by taking advantage of their capabilities and suppress each other disadvantages. The goal is to get with a single examination the best results, on any aspect. A medical imaging doesn’t focus only to human body’s morphology but also to functionality. Imaging of the metabolic system is the field of modern research. As an example, the higher metabolism of Glucose from cancer cells, gives the opportunity to visualize cancer tissues with a PET system. On the other hand anatomical information also must be given to the therapist in order to make the best diagnosis and treatment to the patient. The most known, globally, hybrid system is PET‐CT hybrid system. This medical imaging system brings morphological information about the body structure, plus with the use of PET system, it brings functional information about the metabolic procedure we are interested to investigate. Also, a contribution is happening in this type of system, where computed tomography contributes to PET imaging, and corrects the attenuation of photons by human body. Of course this technique applied to another system, the SPECT‐CT, exactly for the same reasons. The new era brings the necessity to reduce absorbed dose by the patient. The golden standard is “As low as reasonably achievable”. This is the motive to bring ideas and systems with less or zero dose deposition. One of them is Magnetic Resonance Imaging. Is a system almost not effective to human’s body, capable of producing both anatomical and functional information about the subject of study. This system is based on the use of large, very powerful magnets, in order to bring atoms of hydrogen in a state of polarization. Is a very sophisticated system, and delicate. The benefit of this system, plus the lack of dose, makes it No 1 to medical imaging science. The difference is that only one machine cannot project anything, and the option, even they are very wide, are limited. These days, when difficulties on PET imaging system’s hardware passed, a new system, called PET/MR was created. This system combination brings good representation of morphological data, but the true benefit is that both systems can bring results of human’s functionality. The variation of applications may be bigger, and diagnosis could be done only from one medical imaging system, with the lowest dose absorption that could be done. On the other hand Positron emission tomography is based on radioisotopes, which produce the electron’s antiparticle. Combination of these two systems brings a question about positrons. As we all know, if a charged particle moves inside a magnetic field, a force is applied on it, make it to change its random track, to another one, coordinated with the magnetic field. This question comes to answer this project. There are several ways to understand the difference created by the presence of magnetic field. One of them is to make experimental calculations, with a PET/MR system and to measure the contribution. The obstacle is that the method is not flexible. The magnetic field strength is not adjustable, and the system always will have random and systematic error. The other option is simulate this procedure. A Monte Carlo simulation is based on physical processes, by the use of mathematical functions, and the contribution of a random number generator, to bring results with very similar and realistic results as the original could produce. By comparison with the experimental method, with Monte Carlo simulations, user cannot only see the output, but also the previous parts of interactions. Also the flexibility of choices is limited only by user’s imagination. Many geometries can be used, with different magnetic field strength each time, and to give such reliable results, as the original system. Many medical imaging systems were developed by use of such simulation systems. One of these Monte Carlo simulation toolkits is GATE. GATE is the acronym for Geant4 application for emission tomography. As the acronym sais is an application based on Geant4, which is the “mother” Monte Carlo simulation toolkit. For years GATE used in order to study upon the simulations of nuclear medical imaging (i.e. PET & SPECT). Recently computed tomography was taken under consideration in this toolkit, with more updates to come. The use of PET/MR, creates a new aim to target for, not only in instrumental development, but also in Monte Carlo simulation development. Also GATE is a widely known simulation toolkit, used all over the world, and with periodical improvements. Monte Carlo simulation is a part of medical physics research, and GATE is a frequently used simulation toolkit. This study is the first step, for a field of research that is still new and partially explored. The improvement of these simulation toolkits bring new data to consider about, and new goals to achieve.