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Réseaux biologiques, Radiothérapie et Structures – BIRDS

BIRDS

BIological networks, RaDiotherapy and Structures

Comment rendre compte et prendre en compte la mobilité du patient lors de traitements par proton-thérapie ?

La proton-thérapie est une variante de la radiothérapie externe basée sur l'utilisation de faisceaux de protons. L'avantage majeur de cette technique réside dans le fait que tous les protons d'une certaine énergie partagent une distance de pénétration dans le patient calculable (aucun proton ne pénètre derrière cette distance). Cette propriété permet d'éviter l'irradiation de part en part du patient (ce qui est le cas avec les photons). De plus, contrairement à la photon-thérapie, la dose délivrée au tissu est maximale juste sur les derniers millimètres de cette profondeur (appelé pic de Bragg). Cette profondeur dépend de l'énergie à laquelle les particules ont été accélérées par l'accélérateur de protons. Ces bénéfices dosimétriques sont cependant grandement dégradés par, d’une part, le coût et la taille des installations nécessaires et, d'autre part, à la mobilité (e.g., respiration, battement du cœur) et la variabilité (e.g., prise/perte de poids) physiques du patient. Dans le cadre de ce projet, nous étudions la prise en compte de la mobilité du patient dans l'élaboration du traitement. L'objectif principal est de proposer un logiciel permettant, dans un premier temps, de présenter à l'oncologue les effets de la mobilité du patient sur le traitement initialement prévu. Dans un deuxième temps, il s'agit de proposer une modification du traitement permettant de «compenser« les erreurs induites par la mobilité du patient.

Nous avons développé un logiciel ”open-source” (licence GNU GPL v3) appelé MSPT (”Motion Simulator for Proton Therapy”). Le but principal de cet outil est de rendre compte de la répartition de dose dans le patient lors de mouvements pour un plan de traitement donné. Le second intérêt de MSPT est de fournir à l’utilisateur des informations permettant de comparer différents plans de traitement afin de pouvoir améliorer la robustesse du traitement pour ce patient vis à vis de mouvements prédictibles tels que la respiration, les battements du coeur, ... Ce simulateur a été développé en Python et utilise des sous-routines en C pour améliorer la vitesse de traitement de certaines opérations. Il reçoit en entrée des données au format standard DICOM (Digital Imaging and Communication in Medicine): l’image CT (Computed Tomography) du patient, le plan de traitement (énergies des protons, positions du faisceau et le poids de chaque position qui est équivalent à une durée), le contour des structures du patient (délimitation du corps du patient, d’organes et de la tumeur). Etant donnée une description des mouvements du patient, MSPT fournit une évaluation de la qualité du traitement.

Dans le cadre du doctorat de Paul Morel soutenu le 17 Novembre 2014 à l’UPEM, nous avons développé un logiciel open-source à destination d’équipes de recherche intitulé « Motion Simulator for Proton Therapy ». MSPT permet de modéliser la mobilité d’un patient pendant le traitement et d’évaluer la robustesse des plans de traitement en présentant l’impact de la mobilité du patient sur les dépôts de doses d’irradiation. Ainsi, l’outil développé permet de mettre en évidence les effets réels du traitement mais également de simuler (et donc d’évaluer) des solutions d’adaptation automatique du plan de traitement en fonction des mouvements du patient.

Ce projet a permis de mettre en place la première brique essentielle d’un projet de plus grande envergure visant à proposer des solutions de compensation de mouvement en proton-thérapie qui est le projet de recherche principal de Guillaume Blin qui a récemment rejoint le LaBRI en tant que Professeur d'Université. De nouvelles collaborations ont été établies avec l'Institut Bergonié de Bordeaux et des physiciens nucléaires du CELIA et du CENBG et sont maintenant formalisées dans un projet région de maturation appelé POPRA.

Ce projet a permis de mettre en place la première brique essentielle d’un projet de plus grande envergure visant à proposer des solutions de compensation de mouvement en proton-thérapie. Cette dernière consiste en un logiciel open-source (http://code.google.com/p/mspt). Ce logiciel fait l’objet d’un article soumis au journal « Technology in Cancer Research & Treatment ». Les détails du travail ayant mené à ce logiciel sont disponibles dans le manuscrit de doctorat de Paul Morel (Paul Morel. MSPT : Motion Simulator for Proton Therapy. Computer Science. Université Paris-Est, 2014. English. <tel-01112637>)

Ce projet concerne le groupe AlgoB
(thème de l'équipe Algorithme) de l'Institut
Gaspard Monge, Université Paris-Est Marne-la-Vallée.
Ce groupe est composé de:
Guillaume Blin (Maître de Conférences - porteur du projet, Université Paris-Est);
Maxime Crochemore (Professeur Émérite, Université Paris-Est and
King's college),
Isabelle Fagnot (Maître de Conférences, Université Paris-Est and
Université Paris 7),
Sylvain Guillemot (Postdoc, Université Paris-Est),
Florian Sikora (Doctorant, Université Paris-Est), et
Stéphane Vialette (CR CNRS - responsable du groupe AlgoB, Université Paris-Est).
Les thèmes de recherches du groupe AlgoB sont l'élaboration d'algorithmes pour
l'interprétation et la classification de données biologiques (ARN et réseaux d'interactions biologiques)
et la génomique comparative.

L'algorithmique appliquée à la biologie a une longue tradition au sein
de Marne-la-Vallée depuis les années 90 avec Marie-France Sagot et
Maxime Crochemore.
Cependant, après le départ de Marie-France Sagot et l'éméritat
de Maxime Crochemore, le laboratoire souhaite monter et développer une nouvelle équipe sur
cette thématique.
Guillaume Blin a été recruté en tant que maître de conférences en 2006 à ce titre,
et Stéphane Vialette est venu renforcer cet axe en 2007.
De plus, Florian Sikora a débuté une thèse sous la direction de Guillaume Blin
et de Stéphane Vialette en 2008 sur quelques aspects algorithmiques de la recherche
de motifs dans les grands réseaux biologiques.
Let but de ce projet est donc de continuer à développer cet axe de recherche:
attirer de jeunes chercheurs dynamiques au sein de Marne-la-Vallée
et
étendre nos collaborations avec de nouveaux partenaires.

Notre projet est constitué de 3 parties (tâches):
(i) développer de nouvelles directions de recherche issues de nos travaux,
(ii) implication dans de nouveaux thèmes de recherche.
La Tâche~1 présente nos perspectives de recherche sur les $d$-intervalles
et les graphes d'intersection associés, sur les graphes linéaires,
la recherche de motifs dans les permutations et les cartes de contacts
de protéines (ce dernier point est la cadre d'une nouvelle collaboration entre
Minghui Jiang, Utah University, USA; notons que Minghui Jiang est également
un spécialiste de l'algorithmique des $2$-intervalles et c'est donc tout naturellement
que nous souhaitions joindre nos efforts).
La Tâche~2 concerne les réseaux d'interactions biologiques.
Nous présentons dans ce projet à la fois nos perspectives théoriques et notre souhait
de mener à terme le développement d'un outils logiciel pour la recherche de motifs
pertinents dans les grands réseaux biologiques.
(collaboration avec l'Université de Milano-Bicocca, Italie,
l'Université de Bergame, Italie, et l'Université de Barcelone, Espagne).
Enfin, la Tâche~3 présente un nouveau thème de recherche lié à l'algorithmique des
obturateur multi-lames utilisés en radiothérapie
(nouvelle collaboration avec l'Université de Varsovie, Pologne).

Coordinateur du projet

Monsieur Guillaume BLIN (UNIVERSITE PARIS-EST MARNE LA VALLEE) – gblin@univ-mlv.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

UPEMLV UNIVERSITE PARIS-EST MARNE LA VALLEE

Aide de l'ANR 161 790 euros
Début et durée du projet scientifique : - 48 Mois

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