A use of the microdosimetric Kinetic Model (MKM) for the interpretation of cell irradiation in the framework of the hadrontherapy : Application of Monte‐Carlo simulations

DU : 2016, EDSF: 637; Hadrontherapy is a cancer treatment method based on the use of heavy charged particles. The physical characteristics of these particles allow more precise targeting of tumours and offer higher biological efficiency than photons and electrons. This thesis addresses the problem of modelling the biological effects induced by such particles. One part of this work is devoted to the analysis of the Monte‐Carlo simulation toolkit ʺGeant4ʺ used to simulate the physical stage of the particle interactions with the biological medium. We evaluated the ability of ʺGeant4ʺ to simulate the microscopic distribution of energy deposition produced by charged particles and we compared these results with those of another simulation code dedicated to radiobiological applications. The other part of the work is dedicated to the study of two radiobiological models that are the LEM (Local Effect Model) based on an amorphous track structure approach and the MKM (Microdosimetric Kinetic Model) based on microdosimetric approach. A theoretical analysis of both models and a comparison of their concepts are presented. Then we focused on a detailed analysis of the microdosimetric model ʺMKMʺ. Finally, we applied the MKM to reproduce the experimental results obtained at GANIL by irradiation of two tumour cell lines (cell line SCC61 and SQ20B) of different radiosensitivity with carbon and argon ions.; L'hadronthérapie est une technique de traitement de cancer basée sur l'utilisation de particules lourdes chargées. Les caractéristiques physiques de ces particules permettent un ciblage plus précis des tumeurs et une efficacité biologique supérieure à celle des photons et des électrons. Ce travail de thèse traite la problématique de la modélisation des effets biologiques induits par ce type de particules. Une partie de ce travail est consacrée à l'analyse de l'outil de simulation Monte‐Carlo " Geant4 ", utilisé pour simuler la phase physique de l'interaction des particules avec le milieu biologique. Nous avons évalué la capacité de " Geant4 " à simuler la distribution microscopique des dépôts d'énergie des particules chargées et confronté ces résultats à ceux d'un autre code de simulation dédié aux applications de radiobiologie. L'autre partie du travail est dédiée à l'étude de deux modèles radiobiologiques basés sur deux approches différentes qui sont le modèle LEM (Local Effect Model) basé sur une approche de trace amorphe et le modèle MKM (Microdosimetric Kinetic Model) basé sur une approche microdosimétrique. Une analyse théorique des deux modèles est effectuée ainsi qu'une comparaison de leurs concepts. Ensuite, nous nous sommes focalisé sur le modèle microdosimétrique " MKM " que nous avons analysé de manière plus approfondie. Enfin, nous avons appliqué le modèle MKM pour reproduire les résultats expérimentaux d'irradiation cellulaire obtenus au GANIL avec des ions carbone et argon sur des cellules tumorales (lignées SCC61 et SQ20B) de radiosensibilité différente.