In this thesis, a two-part investigation was conducted to determine methods of reducing the inaccuracy in the treatment of solid tumors in the lung. In the first part, a visual feedback system was investigated for use during respiratory gating procedures, both during simulation and treatment. The visual feedback system was installed in the clinic and was used by three patients during radiotherapy and by approximately 15 patients during simulation. The use of the visual feedback was found to increase the regularity of the patients’ breathing patterns and improved the ability of the gating technique to compensate for internal tumor motion. The second part consisted of a comparison of the dose distribution algorithms of the Eclipse treatment planning system with dose calculations performed using Monte Carlo methods based on the EGSnrc and DOSXYZnrc user codes for BEAMnrc. Four patients with lung tumors, whose treatment plans called for small, 18 MV photon fields, were recalculated using both systems. Results showed that the algorithms used by the TPS consistently overestimated the dose in the lung, due to the lack of lateral electron equilibrium in the lung tissue. / Dans ce mémoire, une enquête en deux parties à été entreprise pour analyser des méthodes permettant la réduction d’erreurs dans le traitement des cancers pulmonaires. Dans la première partie de l’enquête, nous analysons un système de « feedback » visuel utilisé avec les procédures de « gating » en simulation et en radiothérapie. Ce système a été installé dans la clinique et utilisé par trois patients pendant la radiothérapie et une quinzaine de patients pendant des simulations CTs. Il a ainsi été observé que l’utilisation du « feedback » permettait de régulariser la respiration des patients et ainsi d’optimiser l’utilisation des techniques de « gating » afin de réduire l’effet des mouvements interne des tumeurs durant la thérapie et les simulations. La deuxième partie de l’enquête consistait en une étude retrospective qui avait pour but de permettre la comparaison de plusieurs algorithmes de calcul de dose. Les résultats obtenus à l’aide des algorithmes du système de planification de traitements Eclipse ont été comparés à ceux qui ont été calculés en utilisant les codes Monte Carlos EGSnrc et DOSXYZnrc. Les données de quatre patients souffrant du cancer du poumon qui avaient étés traités avec des faisceaux de photons 18 MV ont ainsi été recalculées. Les résultats obtenus ont démontré que les algorithmes d’Eclipse surestimaient systématiquement les doses à cause de la faible densité des tissus pulmonaires et du manque d’équilibre électronique dû au dimensions des faisceaux.

In a radiation therapy department, several periodic (daily, monthly, quarterly, yearly, etc.) and on-request quality control tests are performed as part of the quality assurance program. The lack of a commercial solution to unify all these tests in one single system was the motivation for this project. The goal of this thesis work was to develop a web-based quality assurance software tool for the radiation oncology division of the Jewish General Hospital that would be easily expendable and manageable. The tool that was created allows easy access to the tests through a simple web interface yet allowing advanced management of user rights, processing of complex numerical data, warning users through email alerts and reports, scheduling tests, keeping trends of the test results and providing safe storage for the collected data. Our system is based on Drupal, an open source web content management system. Several customizations were done to the basic Drupal system to adapt it to our needs: several scripts and specialized modules were used to enter and analyse collected data (text and images) as well as exchange data with the radiotherapy electronic medical record database. In this thesis work we have selected and implemented in our system a limited collection of quality control tests (9) that are representative of all types of tests that are performed in a radiotherapy clinic, as a full implementation would be beyond the time frame of this project. They are the bases for a future complete implementation and can be used as a model for other similar tests. The implemented tests are now being introduced in the clinic simplifying data entry, access, and analysis. / Dans un département de radiothérapie plusieurs tests de contrôle de qualité sont exécutés de façon périodique (journalière, mensuelle, trimestrielle, annuelle, etc.) où sur demande dans le cadre du programme d'assurance qualité. L'absence d'une solution commerciale pour unifier tous ces tests dans un seul système informatique est la motivation de ce projet. L'objectif de ce travail de thèse était de développer un outil logiciel web d'assurance qualité pour la division de radio-oncologie de l'Hôpital général juif qui serait facilement extensible et facile à gérer. L'outil qui a été créé permet un accès facile à des tests via une interface web simple tout en permettant une gestion avancée des droits des utilisateurs, du traitement des données numériques complexes, permet l'envoie d'alertes e-mail et de rapports, la planification temporelle des tests, l'analyse des tendances des résultats et le stockage des données recueillies.Notre système est basé sur un logiciel libre de gestion de contenu, Drupal. Plusieurs adaptations ont été apportées au système Drupal de base pour l'adapter à nos besoins: plusieurs scripts et modules spécialisés ont été programmés et utilisés pour saisir et analyser les données recueillies (texte et images) ainsi que l'échange de données avec la base de données de dossiers médicaux électroniques de radiothérapie. Dans ce travail de thèse, nous avons sélectionné et implémenté dans notre système une collection limitée de tests de contrôle de qualité (9) qui sont représentatifs de tous les types de tests qui sont effectués dans une clinique de radiothérapie puisque la mise en œuvre complète de tous les tests est au-delà du délai de cette projet. Les tests implémentés peuvent facilement être utilisés comme modèles pour les autres tests. Les tests présentement implémentés sont en cours d'introduction dans la clinique et simplifie la saisie, l'accès et l'analyse aux données.

Recent studies in medical physics have focused on the application of low atomic number (Z) targets for their effect on contrast in megavoltage portal imaging and cone-beam computed tomography (CBCT). This work seeks to compliment those studies by investigating the effects of varying different target parameters including atomic number, thickness and incident electron energy on spatial resolution in megavoltage planar imaging and CBCT. Target materials of beryllium (Be, Z = 4), aluminum (Al, Z = 13) and tungsten (W, Z = 74) were investigated over a variety thicknesses between 10% and 100% of the continuous slowing down approximation range. Incident electron kinetic energies of 4.5 MeV and 7.0 MeV were used along with custom targets installed into the carousel of a Varian 2100EX linear accelerator (Varian Medical, Inc.) to produce the experimental beams of interest. Monte Carlo simulated results were compared to measured data and it was shown that thinner targets are generally superior to thicker targets and that higher incident electron energies produce better results. Due to a dependence of the MTF of the detector system on photon energy, it was shown that low Z targets produced superior spatial resolution. Simulations also showed a 14.5% and 21.5% increase in spatial frequency in which the modulation transfer function dropped to half of its maximum (f_50) for the 7.0 MeV and 4.5 MeV targets, respectively, when moved from the carousel to the location of the clinical target. The f_50 values of the custom targets were compared to the clinical 6 MV beam and were found to be between 10.4% lower and 15.5% higher than the 6 MV value. Low-Z CBCT sets were acquired using the CATphan phantom and compared to the clinical 6 MV beam and kilovoltage CBCT sets. Using the low-Z targets it was possible to resolve the 0.5 lp/mm, compared to 0.4 lp/mm and 1.0 lp/mm for the clinical 6 MV and kilovoltage sets respectively. / Récemment, plusieurs recherches se tournent vers l'emploi de cibles à petits numéros atomic (Z), et mesurent leurs effets sur le contraste de l'imagerie de portail de megavoltage et de tomographie calculée à faisceau cônique (CBCT). À l'avenant, cet ouvrage étudie les effets de la variation de différents paramètres de la cible, tel le numéro atomic, l'épaisseur, et l'énergie de l'electron incident, sur la résolution spaciale des deux techniques d'imageries mentionnées. Des cibles de béryllium (Be, Z = 4), d'aluminium (Al, Z = 13), et de tungstène (W, Z = 74) sont étudiées sous une gamme d'épaisseures entre 10 % et 100 % de l'amplitude de l'approximation de ralentissement continue (CSDA). Des électrons incidents avec des énergies cinétiques de 4.5 MeV et 7.0 MeV sont utilisés avec une cible personnalisée, installée sur le carrousel d'un accélérateur linéaire Varian 2100EX (Varian Medical, Inc.), afin de produire les faisceaux désirés. Des résultats Monte Carlo simulés sont comparés aux résultats mesurés. Les cibles minces sont géréralement supérieures aux cibles plus épaisses, et les électrons incidents à plus haute énergies produisent de meilleurs résultats. Les cibles à petits Z produisent des résolutions supérieures en raison d'une dépendence du MTF du système de detection sur l'énergie des photons. Les simulations montrent une hausse de 14.5 % et de 21.5 % du f_50 pour les cibles de 7.0 MeV et 4.5 MeV, respectivement, quand celles-ci sont déplacées du carrousel à l'emplacement clinique de la cible. Les f_50 des cibles personnalisées sont entre 10.4 % sous et 15.5 % au-dessus du f_50 du faisceau clinique à 6 MV. Les données pour le CBCT à petit Z sont obtenues avec un fantôme CATphan et comparées aux données du faisceau clinique à 6 MV et du CBCT de kilovoltage. Avec une cible à petit Z, une résolution de 0.5 lp/mm est atteinte, comparé à

Amorphous silicon (a-Si) electronic portal imaging devices (EPIDs) offer convenient high-resolution and fast digital image acquisition, making the a-Si EPID advantageous for portal dosimetry. In this research project, a Varian aS1000 EPID was dosimetrically evaluated for portal dosimetry characteristics including: short-term reproducibility, linearity, field size dependence, pixel uniformity, dose-rate dependence, detector displacement, inverse square law, image lag, and memory effect. A convolution and Monte Carlo (MC) based non-transmission portal dosimetry method was also developed to reconstruct a 3D dose distribution. Images acquired by the Varian aS1000 EPID were deconvolved with a two part scatter kernel: a MC calculated dose kernel scored at the bottom of the scintillation screen, and an iteratively optimized optical spreading (or glare) kernel, to determine a 2D primary energy fluence (PEF) distribution. The derived PEF was converted into a phase space file (PSF) and utilized as a source input for DOSXYZnrc MC calculation. The EPID reconstructed 3D dose distributions were verified by comparison with measured beam profiles, PDDs, and 2D dose distributions. / Les dispositifs d'imagerie portale électronique (EPIDs) à base de silicium amorphe (a-Si) permettent l'acquisition rapide d'images digitales à haute résolution ce qui rend ces systèmes très utiles pour l'imagerie portale clinique. Pour les besoins de cette recherche, les caractéristiques dosimétriques d'un EPID aS1000 de Varian ont été évaluées dans le contexte de la dosimétrie portale. Les caractéristiques évaluées sont: la reproductivité à court terme, la linéarité, la dépendance de la taille du champ, l'uniformité de la matrice de pixels, la dépendance du débit de dose, le déplacement du détecteur, la loi de l'inverse du carré, le décalage d'image, et l'effet mémoire. Une méthode de dosimétrie portale en géométrie de << non transmission >> utilisant les techniques de convolution et de Monte Carlo (MC) a également été mise au point pour reconstruire une distribution de dose 3D. Les images acquises par l'EPID aS1000 furent déconvoluées à l'aide d'un noyau corrigeant pour la dispersion se composant de deux parties: un noyau de dose calculée par MC au niveau de l'écran à scintillation, et un noyau itératif optimisé tenant compte de la propagation optique (ou l'éblouissement), afin de déterminer la distribution 2D de la fluence énergétique primaire (FEP). La FEP a été convertie en un fichier d'espace de phase << phase-space file >> (PSF) et utilisé comme source pour les calculs de dose par MC à l'aide du code DOSXYZnrc. Les distributions de dose reconstruites 3D obtenues à parti r de l'EPID ont été vérifiées en les comparant aux différents profils de doses et distributions de dose 2D.

A protocol of establishing radiochromic film based reference dosimetry for high dose rate Ir-192 brachytherapy source was assessed and described. A comparison between calibration curves created in water and Solid Water are provided. Solid Water was shown to be a viable alternative to water in establishing calibration curve for Ir-192 radiation beam. A Monte Carlo correction factor was calculated to convert the dose to water into dose to Solid Water and the experimental methods that we performed agreed with the Monte Carlo results where the ratio (DSW/DW)Ir-192 was found to be 0.9808 ± 0.14% (1σ). EBT-2 GAFCHROMIC film model was also investigated for absorption properties and found to be a less sensitive than its predecessor (EBT-1) in terms of net change of absorbance, but that did not affect the dosimetric value that this film possesses. A dose error assessment method has been described for EBT-2 film model (and is applicable to other types as well) that can establish the time error constraints on the post-irradiation scanning time that will still provide an acceptable dose error for clinical applications if the protocol employing the shorter post-irradiation scanning time is implemented in the clinic. We show that for two post-irradiation scanning times of 30 minutes and 24 hours the 1% dose error can be granted if the scanning time window is less than ± 5 minutes and ± 2 hours, respectively. Performance of EBT-2 model was also evaluated in water and it was concluded that a suggested correction protocol is necessary for immersion times that exceed 2 hours. This correction was tested with the calibration curve created from water setup and found to be effective when compared to the dose-corrected calibration curve in Solid Water. / Un protocole d'établir film radiochromique dosimétrie de référence en fonction de débit de dose élevé source Ir-192 curiethérapie été évalués et décrits. Une comparaison entre les courbes d'étalonnage créé dans l'eau et Solid WaterTM sont fournis. Solid WaterTM s'est révélée être une alternative viable à l'eau dans l'établissement de la courbe d'étalonnage pour les Ir-192 faisceau de rayonnement. Un facteur de correction de Monte Carlo a été calculé pour convertir la dose à l'eau en dose à Solid WaterTM et les méthodes expérimentales que nous avons réalisé d'accord avec les résultats de Monte Carlo où le ratio (DSW/DW)Ir-192 a été trouvé à 0.9808 ± 0.14% (1σ). EBT-2 modèle GAFCHROMICTM film a également été étudiée pour les propriétés d'absorption et jugé être un moins sensible que son prédécesseur (EBT-1) en termes de variation nette de l'absorbance, mais cela n'a pas d'incidence sur la valeur dosimétrique que ce film possède. Une méthode d'évaluation des doses d'erreur a été décrit pour le modèle EBT-2 film (et est applicable à d'autres types ainsi) qui permet d'établir les contraintes de temps d'erreur sur le post-irradiation temps de balayage, qui va encore donner une erreur de dose acceptable pour des applications cliniques, si le protocole emploie le plus court post-irradiation de numérisation temps est mis en œuvre dans la clinique. Nous montrons que pour deux post-irradiation de numérisation fois de 30 minutes et 24 heures, la dose d'erreur de 1% peut être accordée si la fenêtre de temps de balayage est inférieure à ± 5 minutes et de ± 2 heures, respectivement. Performance de la EBT-2 modèle a également été évaluée dans l'eau et il a été conclu un protocole de correction proposé est nécessaire pour que les temps d'immersion supérieure à 2 heures. Cette correction a été testé avec la courbe de calibration créée à partir d'installation de l'eau et ont été jugés effic

Stereotactic body radiation therapy (SBRT) is a method of treatment that is used in extracranial locations, including the abdominal and thoracic cavities, as well as spinal and paraspinal locations. At the McGill University Health Centre, liver SBRT treatments include gating, which places the treatment beam on a duty cycle controlled by tracking of fiducial markers moving with the patient's breathing cycle. Respiratory gated treatments aim to spare normal tissue, while delivering a dose properly to a moving target. The ExacTrac® system (BrainLAB AG Germany) is an image-guided radiotherapy system consisting of a combination of infra-red (IR) cameras and dual kilovoltage (kV) X-ray tubes. The IR system is used to track patient positioning and respiratory motion, while the kV X-rays are used to determine a positional shift based on internal anatomy or fiducial markers. In order to validate the system's ability to treat under gating conditions, each step of the SBRT process was evaluated quantitatively. Initially the system was tested under ideal static conditions, followed by a study including gated parameters. The uncertainties of the isocenters, positioning algorithm, planning computed tomography (CT) and four dimensional CT (4DCT) scans, gating window size and tumor motion were evaluated for their contributions to the total uncertainty in treatment. The mechanical isocenter and 4DCT were found to be the largest sources of uncertainty. However, for tumors with large internal amplitudes (&gt;2.25 cm) that are treated with large gating windows (&gt;30%) the gating parameters can contribute more than 1.1 ± 1.8 mm. / La radiochirurgie stéréotaxique corporelle (RCSC) est une modalité de traitement utilisée sur les lésions extracraniales, tels que les cavités abdominaux et thoraciques, ainsi que les lésions situées à l'intérieure ou l'extérieure de l'épine dorsale. Au Centre Universitaire de Santé de McGill (CUSM), les traitements de la foie par RCSC se basent sur la synchronisation respiratoire qui permet de contrôler le faisceau de photons à l'aide de marqueurs référencés du cycle respiratoire du patient. L'objectif des traitements par synchronisation respiratoire est de limiter le dommage au tissue normal tout en transmettant la dose appropriée à la cible en mouvement. Le système ExacTrac® (BrainLab AG Allemagne) est un système de radiothérapie guidée par image comprenant une caméra infrarouge (IR) et deux tubes à rayons-x à l'échelle des kilovolts (kV). Le système IR suit le positionnement des patients et le mouvement respiratoire, alors que les rayons-x kV déterminent la variation des positions basées sur l'anatomie interne ou les marqueurs référencés. Afin de valider la capacité d'opération du système sous les conditions de synchronisations respiratoires, chaque étape du RCSC a été évaluée quantitativement. Initialement, le système fut testé sous les conditions statiques idéales, suivi par une étude incluant les paramètres de synchronisations. Les incertitudes de l'isocentre, l'algorithme de positionnement, la planification de la tomodensitométrie (CT) et les balayages par tomodensitométrie à quatre dimensions (4DCT), la période de synchronisation, et le mouvement de la tumeur furent évalués et la contribution de chacun des facteurs à l'erreur totale du traitement déterminée. L'isocentre mécanique et le 4DCT s'avèrent être les sources d'incertitudes majeures. Cependant, pour les tumeurs à large amplitude interne (&gt;2.25 cm) qui sont traitées avec de larges périodes de synchronisations (&gt; 30%), les paramètres de synchronisations peuvent aussi avoir des contributions supérieures à 1.1 ± 1.8 mm.

The purpose of this study was to address two specific issues related with the clinical application of Modulated Electron Radiation Therapy (MERT). The first was to investigate radiation-tolerant solutions for automated motion control of a Few Leaf Electron Collimator. Secondly, we implemented a fast, Monte Carlo-based, parameterized beam model for characterization of the electron beam in modulated deliveries.Two approaches were investigated for the implementation of a radiation-tolerant position feedback system: (i) the use of CMOS-based optical encoders protected by a prototype shield and (ii) the use of an analog device, such as a potentiometer, whose radiation tolerance is significantly higher. The two approaches were implemented and their performance tested. Results indicated that the optical encoders could not be safely used under radiation even with the presence of a shield. The analog position feedback system showed to be a viable solution. Future work will be focused towards the direction of implementing an analog position feedback system suitable for clinical use.The MC-based, parameterized beam model is based on the idea of deriving the scattered electron beam characteristics directly on the exit plane of the linear accelerator by the use of source scatter fluence kernels. Primary beam characteristics are derived by fast Monte Carlo simulations. The novelty of the method is that arbitrary rectangular fields can be recreated fast by superposition of the appropriate source kernels directly on the output plane. Depth, profile dose distributions and dose output, were derived for three field sizes (8 x 8, 2 x 2 and 2 x 8 cm^2) and energies of 6 MeV and 20 MeV electron beams by the beam model and compared with full Monte Carlo simulations. The primary beam showed excellent agreement in all cases. Scattered particles agreed well for the larger field sizes of 8 x 8 and 2 x 8 cm^2, while discrepancies were encountered for scattered particles for the smaller field size of 2 x 2 cm^2. Sources of errors were identified and future work will focus on the improvement of the beam model. / L'objectif primaire du projet est d'explorer des solutions de radiation dures pour le contrôle dynamique d'un collimateur d'électrons à lames dans le contexte de la radiothérapie par modulation d'électrons. De plus, un modèle de faisceau paramétrique basé sur la méthode Monte-Carlo (MC) a été implémenté pour la caractérisation du faisceau d'électrons durant les traitements modulés. Deux approches ont été étudiées pour le développement d'un système de positionnement à boucle rétroactif pour la radiation dure : (i) des encodeurs optique CMOS protégés par un bouclier prototype (ii) et des composantes analogues telles que les potentiomètres avec une tolérance de radiation relativement élevée. La comparaison des deux méthodes montre que les encodeurs optiques ne peuvent subir de radiation, même en présence d'un bouclier adapté. De ce fait, pour l'utilisation clinique, les solutions basées sur les composantes analogues sont plus prometteuses et doivent être étudiées en détails à l'avenir.Le model MC de faisceau paramétrique vise la caractérisation du faisceau d'électrons diffusé directement sur la surface de sortie de l'accélérateur linéaire à l'aide de noyaux de fluence pour la diffusion des sources. Les caractéristiques primaires du faisceau sont obtenues par les méthodes de MC rapides. La nouveauté de la méthode réside dans la reproduction rapide de champs rectangulaires par la superposition de noyaux appropriés directement sur la surface de sortie. Profondeur, distribution dosimétrique de profil, et résultat de dose, sont calculés à partir de trois champs (8 x 8, 2 x 2, 2 x 8 cm^2) et des énergies de 6 MeV et 20 MeV, et sont comparés aux simulations MC. Le faisceau primaire montre une excellente cohérence dans tout les cas. Les résultats pour les particules diffusées étaient consistants pour les deux méthodes dans le cas de champs plus larges (8 x 8 et 2 x 8 cm^2) alors que des divergences ont été notées pour les petits champs (2 x 2 cm^2). Les sources d'erreurs ont été identifiées et la recherche ultérieure visera donc l'amélioration du modèle de faisceau.

This work presents planning and delivery comparison of linac-based SRS treatment techniques currently available for single lesion cranial SRS. In total, two dedicated SRS systems (Novalis Tx, Cyberknife) and a HI-ART TomoTherapy system with six different delivery techniques are evaluated. Four delivery techniques are evaluated on a Novalis Tx system: circular cones, dynamic conformal arcs (DCA), static non-coplanar intensity modulated radiotherapy (NCP-IMRT), and volumetric modulated arc therapy (RapidArc) techniques are compared with intensity modulation based helical Tomotherapy on the HI-ART Tomotherapy system and with non-isocentric, multiple overlapping based robotic radiosurgery using the CyberKnife system. Thirteen patients are retrospectively selected for the study. The target volumes of each patient are transferred to a CT scan of a Lucy phantom (Standard Imaging Inc., Middleton, WI, USA) designed for end-to-end SRS QA. In order to evaluate the plans, several indices scoring the conformality, homogeneity and gradients in the plan are calculated and compared for each of the plans. Finally, to check the clinical deliverability of the plans and the delivery accuracy of different systems, a few targets are delivered on each system. A comparison between planned dose on treatment planning system and dose delivered on Gafchromic EBT film (ISP, Wayne, New Jersey, USA) is carried out by comparing dose beam profiles, isodose lines and by calculating gamma index. / Cette étude présente la planification et la comparaison de livraison de doses de les techniques de traitement par accélérateur linéaire (linac) à base de radiochirurgie stéréotactique (RCS) actuellement disponibles pour la RCS des lésions crâniennes uniques. Au total, deux systèmes RCS (Novalis Tx, Cyberknife) et un système HI-ART TomoTherapy avec six techniques différentes de livraison de doses sont évalués. Trois techniques de livraison de doses d'un système Novalis Tx sont évalués: arcs dynamiques conformationnelles, radiothérapie avec modulation d'intensité statique non-coplanaire et les techniques de thérapie volumétrique par arc modulé (RapidArc) sont comparées avec la tomothérapie hélicoïdale par modulation d'intensité sur le système HI-ART TomoTherapy et la radiochirurgie robotique non-isocentrique à multiples chevauchements du système CyberKnife. Treize patients sont rétrospectivement sélectionnés pour l'étude. Les volumes cibles de chaque patient sont transférés sur un scan tomodensitométrique d'un fantôme Lucy (Standard Imaging Inc, Madison, WI, Etats-Unis) conçu pour l'assurance qualité des systèmes RCS. Afin d'évaluer les plans de traitements, plusieurs métriques de notation de conformalité telles que l'homogénéité et les gradients du plan de traitement sont calculées et comparées pour chacun des plans. Enfin, dans le but de vérifier la faisabilité de livraison clinique des plans de traitements et la précision de livraison des différents systèmes, quelques cibles sont délivrées sur chaque système. Une comparaison entre la dose prévue sur le système de planification du traitement et la dose délivrée sur un film de type GAFCHROMIC EBT (ISP, Wayne, New Jersey, USA) est effectuée par comparaison des profils de faisceaux de dose, des lignes de doses de même intensité (isodose) et en calculant l'indice gamma.

Soft-tissue sarcoma (STS) of the extremities forms a relatively uncommon yet aggressive group of neoplasms with high metastatic risk of the disease. The vast majority of STS metastases occur in the lungs. Due to the general poor prognosis of patients diagnosed with STS lung metastases, there is a clinical need to identify relevant prognostic factors as early as possible in the course of staging and treatment management. Recent evidence suggests that positron emission tomography (PET) using fluorodeoxyglucose (FDG) and magnetic resonance (MR) imaging texture features have the potential to predict the outcome of tumours through the assessment of their microenvironment heterogeneity characteristics. The goal of this work is therefore to investigate FDG-PET and MR texture features as potential early predictors of lung metastasis risk in STS cancer of the extremities.In this study, a dataset of 35 patients with histologically proven STS of the extremities was retrospectively analyzed. All patients received pre-treatment FDG-PET and MR scans. MR imaging data comprised of T1-weighted, T2 fat-saturation (T2FS) and short tau inversion recovery (STIR) sequences. The median follow-up period was 29 months (range: 4 to 85 months). Thirteen patients from the dataset developed lung metastases. Six texture features from the gray-level co-occurrence matrix (GLCM) were extracted from the FDG-PET, MR and fused FDG-PET/MR scans. In addition, the maximum standard uptake value (SUVmax) of the tumours was included in the feature set. The fusion of FDG-PET and MR scans was carried out using the discrete wavelet transform (DWT) and a band-pass frequencies enhancement technique. Statistical analysis was performed using Spearman's correlation (rho), and multivariable modeling using logistic regression. The prediction performance of the different multivariable models was assessed using bootstrap resampling by calculating the area under the receiver-operating characteristics curve (AUC) and Matthews' correlation coefficient (MCC). The highest univariate prediction of lung metastases was attributed to the SUVmax metric (rho=0.6382, p<0.0001). Most texture features extracted from fused scans had higher Spearman's correlation with lung metastases than those extracted from separate scans. On separate scans, FDG-PET texture features were generally dominant over MR texture features. The highest multivariable prediction of lung metastases was found using fused scans and the following 4-parameters model: 0.94*SUVmax − 0.401*PET-T2FS/STIR--Variance − 6.7*PET-T1--Contrast − 165*PET-T1--Homogeneity + 140. This model reached rho=0.8255, p<0.0001 on the entire dataset and AUC=0.956±0.002, MCC=0.829±0.002 in bootstrap testing sets. Overall, this work indicates the strong potential of FDG-PET and MR texture features for the prediction of lung metastases in STS cancer of the extremities. Substantial prediction improvements were found using texture features from fused scans and multivariable modeling strategies compared to texture features extracted from separate scans and univariate analysis. Potentially, this could improve patient outcomes by allowing better personalization of treatments and the application of pre-emptive strategies to mitigate disease spread. / Les sarcomes des tissus mous (STM) provenant des extrémités forment un groupe relativement rare de néoplasme avec un risque métastatique élevé. La grande majorité des métastases provenant des STM ont lieu dans les poumons, et le pronostique résultant est généralement faible. En ce sens, il est important d'identifier autant de facteurs pronostiques pertinents que possible au moment du diagnostique et de la gestion du traitement. Certains travaux récents ont permis de démontrer que les caractéristiques texturales d'images provenant de la tomographie par émission de positrons (TEP) utilisant le fluorodéoxyglucose (FDG) et l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ont le potentiel de prédire l'évolution tumorale grâce à l'évaluation des propriétés d'hétérogénéité biologique des tumeurs. Donc, le but de ce travail est d'évaluer le potentiel des caractéristiques texturales d'images FDG-TEP et IRM en tant que prédicteur du risque de métastases aux poumons pour le cancer des STM provenant des extrémités. Dans cette étude, une cohorte de 35 patients diagnostiqués avec des STM aux extrémités a été rétrospectivement analysée. Tous les patients ont reçu un scan FDG-TEP et un scan IRM avant leur traitement. Les séquences IRM qui ont été utilisés dans l'analyse sont: T1, T2 par saturation des gras (T2FS) et STIR. Les patients ont été suivis sur une période médiane de 29 mois (intervalle: 4 à 85 mois). Treize patients de la cohorte ont développé des métastases aux poumons. Six caractéristiques texturales d'images provenant de la matrice de co-occurrence des niveaux de gris (GLCM) ont été extraites des scans FDG-PET, IRM et FDG-PET/IRM fusionnés. De plus, la valeur maximale de consommation standard des tumeurs (SUVmax) a été incluse dans l'analyse. La fusion des scans a été effectuée grâce à la transformée d'ondelettes discrètes et grâce à une technique de renforcement des fréquences passe-bandes. L'analyse statistique a été effectuée en utilisant la corrélation de Spearman (rho), et l'analyse multivariable en utilisant la régression logistique. Les performances de prédiction des différents modèles multivariables ont été évaluées en calculant 2 métriques à partir de la technique de ré-échantillonnage « bootstrap »: L'aire sous la courbe de fonctionnement (AUC) et le coefficient de corrélation de Matthews (MCC). La plus haute prédiction univariée est attribuée à SUVmax (rho=0.6382, p<0.0001). La plupart des caractéristiques texturales extraites des scans fusionnés possèdent des coefficients de corrélation Spearman plus haut que celles extraites des scans séparés. Dans le cas des scans séparés, les caractéristiques texturales provenant de FDG-TEP sont généralement dominantes par rapport à celles provenant des scans IRM. La plus haute prédiction multivariable est provenue des scans fusionnés avec le model suivant: 0.94*SUVmax − 0.401*PET-T2FS/STIR--Variance − 6.7*PET-T1--Contrast − 165*PET-T1--Homogeneity + 140. Ce model a atteint des résultats de rho=0.8255, p<0.0001 sur l'ensemble des patients et AUC=0.956±0.002, MCC=0.829±0.002 sur les ensembles de tests « bootstrap ». De façon générale, cette étude indique le fort potentiel des caractéristiques texturales provenant des images FDG-TEP et IRM pour prédire les métastases aux poumons dans le cas des patients atteints des STM aux extrémités. Une amélioration substantielle des prédictions a pu être obtenue en utilisant les caractéristiques texturales des scans fusionnés et des stratégies d'analyse multivariable comparativement aux caractéristiques texturales des scans séparés et à l'analyse univariée. Potentiellement, cela pourrait mener à l'application de stratégies préventives pour atténuer la propagation du cancer des STM et à l'application de traitements mieux adaptés aux besoins des patients.

Many studies have been conducted to investigate the energy dependence of External Beam Therapy (EBT) GAFCHROMICTM dosimetry films and showed that the different film models are water equivalent down to about 100 keV and their response is energy independent down to about 100 keV. The purpose of our study is to investigate the energy dependence of commercially available films to understand the physics behind the energy variation of the films response as well as the intrinsic energy dependence and to develop a new prototype with more uniform energy response at low energies (≤100 keV). The study is comprised of two components. The first component is evaluating the energy dependence of three different commercial GAFCHROMICTM dosimetry film models that represent the three different film configurations, EBT, EBT2 and EBT3 that have been manufactured up to date. The energy dependence evaluation can be further divided into two parts. The first part is experimentally evaluating the energy dependence of the response by irradiating the films to a fixed dose of 2Gy to water at different beam qualities (ranging from 50kVp to 60Co) and then measuring the corresponding response of the film, i.e. net optical density change, using a flat bed document scanner. The second part of the energy dependence evaluation is using the DOSRZnrc Monte Carlo code, which is one of the user codes of the EGSnrcMP (Electron-Gamma-Shower) Monte Carlo code, to calculate the corresponding absorbed dose to water energy dependence of the films, i.e. the ratio of dose to water to dose to the active volume of the film, using the experimental beams spectra, which were calculated using SpekCalc, an x-ray spectrum generating software, by matching the measured HVL, tube potential and added filtration of the experimental beams. The first component of our study would help us 1) understand the physics behind the energy variation of the film response, 2) evaluate the intrinsic energy dependence of the film, i.e. dose to film sensitive layer per unit film response as a function of beam quality, using the measured energy response and the corresponding absorbed dose to water energy dependence, 3) guide us to what can be done to improve the energy dependence at low energies. The second component of the study is adjusting the film sensitive layer composition with the guidance of Monte Carlo simulations of the absorbed dose to water energy dependence of the film to reduce the energy dependence of the film response at low energies, and making new film prototypes based on the new possible elemental compositions, then experimentally evaluating their energy response. Improving the energy dependence of the EBT GAFCHROMICTM dosimetry film at low energies will make it more suitable for high quality clinical dosimetry. It would be very convenient for clinical dosimetry to have one film dosimetry calibration curve that works at kilovoltage and megavoltage beam qualities. This would allow us to create the film dosimetry calibration curve at, for example, 60Co and then use it for film dosimetry at kilovoltage and other megavoltage beam qualities. On the other hand, since the x-ray spectrum changes in quality and quantity with depth as it penetrates into patient tissue, it is very important that the response of the detector as a function of beam quality be as flat as possible to minimize the uncertainty and error in dose determination. Thus, improving the energy dependence at low energy will result in improving the accuracy of film dosimetry. / Plusieurs études ont été réalisées pour étudier la dépendance énergétique des films dosimétriques GAFChromic® et ont montré que les modèles de film différents sont équivalents d'eau à environ 100 keV et leur réponse est indépendante de l'énergie à environ 100 keV. L'objectif de notre étude est d'étudier la dépendance énergétique des film commerciaux pour étudier la physique derrière la variation d'énergie ainsi que la dépendance énergétique intrinsèque de développer un nouveau prototype avec une réponse uniforme énergétique aux basses énergies (3.0 100 keV). L'étude se compose de deux éléments. Le premier est l'évaluation de la réponse énergétique de trois différents films dosimétriques GAFChromic® (EBT, EBT2 et EBT3), qui ont été fabriqués à jour, qui est effectuée par l'irradiation des films à une dose fixe de 2 Gy à l'eau à différentes qualités de rayonnement et mesurer la réponse correspondante au film, c'est à dire la variation nette de la densité optique, à l'aide d'un scanner à plat de documents. Puis, en utilisant le code Monte Carlo, DOSRZnrc, qui est l'un des codes d'utilisateur du code EGSnrcMP (Electron-Gamma-Shower) pour calculer la dose absorbée a lèau correspondant à la dépendance énergétique des films. Le deuxième élément est le réglage de la composition de la couche sensible des films à ainsi réduire la dépendance énergétique de la réponse du film à basse énergie avec l'aide des simulations de Monte Carlo. En utilisant ce procédé la réalisation de prototypes de nouveaux films basé sur l'éventuelle nouvelle compositions élémentaires ont été tester expérimentalement pour la dépendance énergétique. L'amélioration de la dépendance énergétique aux basses énergies va rendre les films dosimétriques plus adapté pour la dosimétrie de haute qualité. Puisque le spectre de rayons X changes la qualité et la quantité avec la profondeur en pénétrant dans les tissus du patient, il est très important que la réponse d'un détecteur en fonction de la qualité du faisceau être le plus plat possible pour minimiser l'incertitude et lèrreur dans la détermination de la dose. Donc, améliorer la dépendance énergétique aux basses énergies donnera lieu à l'amélioration de la précision de la dosimétrie du film. Il serait très pratique pour la dosimétrie d'avoir une courbe de calibration pour les films qui fonctionne dans une large gamme d'énergies. Donc par exemple, vous pourriez d'établir la courbe de calibration au faisceau de Cobalte-60 et l'utiliser pour la dosimétrie au energies de kilovoltage ainsi que d'autres faisceaux de haute energies.