Numerical simulations are invaluable in the development and understanding of magnetic resonance imaging (MRI) techniques. Motivated by the goal of understanding the behaviour of the functional MRI (fMRI) signal in brain tissue, this thesis employs a deterministic simulation technique in which the transverse magnetization and B0 inhomogeneity within a voxel are spatially discretized and the stochastic self-diffusion of water molecules is modelled as a Gaussian isotropic blurring of the transverse magnetization. While this simulation technique has existed since fMRI was in its infancy, its use has increased recently as investigators have attempted to quantitatively interpret the measured signal. Despite its recent popularity, thorough quantitative validation of the technique is lacking in the literature.With the development of quantitative fMRI techniques being the driving force, this thesis validates three-dimensional deterministic simulations of the MR signal with a focus on their application in cerebral microvasculature. Individual blood vessels are modelled by infinite cylinders with a realistic distribution of radii. Using a spin echo sequence, the effects of several simulation parameters are investigated.Validations ignoring the effect of diffusion show that the discretization of the voxel into subvoxels can be very coarse – up to 10 μm subvoxel widths – without adversely affecting the simulation outcomes. Simulations including diffusion are validated using an analytical solution to the Bloch-Torrey equation for comparison. In the presence of diffusion, subvoxel size is a key factor and it needs to be sufficiently small (~ 2 μm), depending on the rest of the simulation parameters, in order for the simulations to be accurate. Finally, as a proof-of-concept, it is shown that larger subvoxels can be used and still produce accurate simulations if the diffusion coefficient is scaled by a correction factor to produce the desired time series. / Les simulations numériques sont d'une valeur inestimable pour le développement et la compréhension des techniques d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette thèse, motivée par le but de comprendre le comportement du signal de l'IRM fonctionnelle (IRMf) dans le tissu cérébral, utilise une technique de simulation déterministe dans laquelle la magnétisation transversale et l'inhomogénéité B0 au sein d'un voxel sont spatialement discrétisées et l'auto-diffusion stochastique des molécules d'eau est modélisée par un flou gaussien isotrope de la magnétisation transversale. Bien que cette technique de simulation existe depuis les débuts de l'IRMf, son utilisation a augmenté récemment par des chercheurs tentant d'interpréter quantitativement le signal mesuré. Malgré sa popularité récente, une validation quantitative approfondie de cette technique est absente de la littérature.Ayant pour force motrice le développement de techniques d'IRMf quantitatives, cette thèse valide des simulations tridimensionnelles déterministes du signal IRM en mettant l'emphase sur leur application dans la microvascularisation cérébrale. Les vaisseaux sanguins individuels sont modélisés par des cylindres infinis avec une distribution de rayons réaliste. Les effets de plusieurs paramètres de simulation sont étudiées en utilisant une séquence écho de spin.Des validations ignorant l'effet de diffusion montrent que la discrétisation des voxel en sous-voxels peut être très grossière - jusqu'à des tailles de sous-voxels de 10 μm - sans détériorer les résultats de la simulation. Des simulations tenant compte de la diffusion sont validées à l'aide d'une solution analytique à l'équation de Bloch-Torrey. En présence de diffusion, la taille des sous-voxels est un facteur clé et doit être petite (~ 2 μm, dépendamment des autres paramètres de simulation) pour que les simulations soient précises. Enfin, comme preuve de concept, il est démontré que des simulations précises peuvent être obtenues avec des sous-voxels plus grands pourvu que le coefficient de diffusion soit multiplié par un facteur de correction pour produire la série temporelle désirée.

The aim of this study is to develop an intraoperative dose assessment procedure that can be performed after an I-125 prostate seed implantation, while the patient is still under anaesthesia. To accomplish this, we reconstruct the 3D position of each seed and co-register it with the prostate contour acquired with a transrectal ultrasound (TRUS) probe. Our seed detection method involves a tomosynthesis-based filtered reconstruction of the volume of interest requiring 7 projections acquired over an angle of 60o with an isocentric imaging system. The co-registration between the tomosynthesis-based seed positions and the TRUS-based prostate contour is based on the planned position. A phantom and a clinical study (25 patients) were carried out to validate the technique. In the patient study, the automatic tomosynthesis-based reconstruction yields a seed detection rate of 96.7% and less than 2.6% false-positive. The seed localization error obtained with a phantom study is 0.4 ± 0.4 mm. The co-registration method based on planned seed position has proved to be not accurate enough for dosimetric purposes. We believe that this technique may be used to discover considerable underdosage and to improve the dosimetric coverage by potentially reimplanting additional seeds. / L'objectif de ce projet est de développer une procédure d'évaluation dosimétrique intra-opératoire en implantation prostatique de grains d'iode 125. Pour y arriver, la position 3D des grains doit être reconstruite et recalée avec les contours de la prostate imagée en échographie endorectale. La reconstruction des grains est basée sur une technique de tomosynthèse requérant 7 projections acquises entre -30o et 30o. Le recalage entre la position 3D des grains et les contours utilise comme cible la position planifiée des grains. Notre technique de reconstruction dosimétrique a été testée sur un mannequin et dans une étude clinique incluant 25 patients. Notre méthode permet de reconstruire la position 3D des grains avec une précision de 0.4 ± 0.4 mm. De plus, l'étude clinique a démontré un taux de détection de 96.7% des grains et incluant moins de 2.6% de faux-positifs. La méthode de recalage n'a pas permis d'atteindre une précision acceptable pour une application clinique. La technique développée permet de repérer la présence de sous-dosage considérable et ouvre la porte vers la réimplantation de grains additionnels afin d'améliorer la couverture dosimétrique de la prostate.

In radiation therapy, accurate dose determination and precise dose delivery to the tumour are directly associated with better treatment outcomes in terms of higher tumour control and lower post radiation therapy complications. In the past, film dosimetry was developed into a powerful tool for external beam radiotherapy treatment verification and quality assurance. The objective of this thesis was the development and clinical application of the EBT-3GafChromicTMfilm model patient specific based quality assurance (QA) procedures in brachytherapy. The lack of clinical measurements and patient specific QA procedures (similar to that in intensity modulated radiotherapy (IMRT) delivery) in high dose rate brachytherapy (HDRBT) were the motivation to improve both the QA program of delivery and patient safety during brachytherapy procedures.Patient specific QA tools for pre-operative brachytherapy in rectal cancer developed in this thesis use a radiochromic film dosimetry system together with gamma function evaluation method to compare calculated and measured dose distributions. We also created a dedicated phantom for a brachytherapy applicator used for treatment of rectal cancer patients, which enabled us to compare calculated dose distributions to measured ones in high and low dose gradient regions. Starting from the same passing criteria used for external IMRT QA (3%, 3 mm), passing criteria for high and low dose regions were subsequently discussed. Finally, we investigated the QA system's sensitivity to source positional errors by introducing intentional and controlled mistakes on selected patient plans.Results presented in this thesis demonstrated that radiochromic film dosimetry based QA for brachytherapy can be used not only for patient specific quality assurance, but as a part of the commissioning process and periodic QA as well. / En radiothérapie, la détermination de la dose exacte et la livraison de dose précise de la tumeur sont directement associés à de meilleurs résultats de traitement en termes de contrôle de la tumeur et à une baisse des complications de thérapie post- irradiation. Dans le passé, le film dosimétrie a été développé dans un outil puissant pour la radiothérapie externe de faisceau (CDE) vérification du traitement et de l'assurance de la qualité. L'objectif de cette thèse est le développement et l'application clinique de la BAI - 3 GafChromicTM modèle de film spécifique au patient d'assurance de la qualité basé (AQ) procédures en Brachythérapie. L'absence de mesures cliniques et les procédures d'assurance qualité spécifiques au patient (similaire à celle de la livraison IMRT) en haute curiethérapie de débit de dose (HDRBT) étaient la motivation pour améliorer à la fois le programme d'AQ de livraison et la sécurité des patients pendant les procédures de Brachythérapie.Outils d'assurance qualité spécifiques au patient pour curiethérapie préopératoire dans le cancer du rectum développé dans cette thèse utilise un système de dosimétrie du film Radiochromique avec la méthode d'évaluation de la fonction gamma pour comparer des distributions de dose calculées et mesurées. Nous avons également créé un fantôme dédié pour un applicateur de curiethérapie utilisé pour le traitement des patients atteints de cancer du rectum, ce qui nous a permis de comparer les distributions de dose calculées à celles mesurées dans les régions de gradient doses élevées et faibles. A partir de même critère de passage utilisé pour externe IMRT QA (3 %, 3 mm), en passant critères pour les régions hautes et basses doses ont ensuite été discuté. Enfin, nous avons étudié la sensibilité du système d'assurance qualité à la source des erreurs de position en introduisant des erreurs intentionnelles et contrôlées sur les plans de patients sélectionnés.Les résultats présentés dans cette thèse ont démontré que l'AQ sur film Radiochromique dosimétrie pour curiethérapie peut être utilisée non seulement pour l'assurance qualité spécifique au patient, mais comme une partie du processus de mise en service et AQ périodique ainsi.

The Varian TrueBeam STx linear accelerator features a developer's mode in which treatment plans can be programmed that include patient couch motion during radiation delivery. The combination of synchronous couch/gantry trajectories with Varian volumetric modulated arc therapy (VMAT) optimizations, called RapidArc, can result in a treatment technique that has been designated Virtual Isocenter RapidArc (VIRA). Prior to its implementation, the accuracy of dose calculations in the Varian Eclipse treatment planning system, on which the RapidArc optimization depends, must be validated, as well as the positional accuracy of the TrueBeam patient couch. The dose calculation accuracy was evaluated extrinsically through the delivery of clinical dynamic multileaf collimator (DMLC) intensity modulated radiotherapy (IMRT) treatment plans as a function of source-to-surface distance (SSD) and measurement with ionization chamber and Gafchromic EBT3 film. Parameters intrinsic to dose calculations in Eclipse, the dosimetric leaf gap (DLG) and leaf transmission (LT), were also investigated for their dependence on SSD. The positional accuracy of the treatment couch was assessed through the generation of treatment plans with static couch/gantry, static couch/rotating gantry, and synchronous couch and gantry motion, with measurement of the real-time ionization chamber current positioned in a cylindrical phantom during radiation delivery. The relative agreement of ionization chamber measurements to Eclipse dose calculations for DMLC IMRT treatment plans decreased by 1.5±0.3% over SSDs in the range of 85 cm to 135 cm (less than 1.0% deviation from standard clinical reference conditions of 100 cm SSD). Gafchromic EBT3 film measurements were consistent with ionization chamber results, though noise in the film data at low doses resulted in large uncertainties. Measurements of DLG were independent of SSD, following corrections for geometric projection. LT showed a dependence on SSD of 0.09±0.02% over the SSD range investigated. The ionization chamber current measurements for synchronous couch and gantry rotation, analogous to the proposed VIRA technique, indicated a maximum deviation of 0.2 cm relative to treatment isocenter, equal to the deviation observed for the rotating gantry/static couch treatment, analogous to conventional VMAT delivery. These results indicate that the Varian TrueBeam and Eclipse maintain the necessary positional and dosimetric accuracy required for VMAT treatments involving dynamic couch trajectories. / L'accélérateur linéaire TrueBeam STx de Varian possède un mode d'utilisation avancé où des plans de traitement peuvent être programmés pour inclure un mouvement de la table où repose le patient pendant le traitement. La combinaison des trajectoires synchronisés de la table de traitement ainsi que du gantry avec la plate-forme d'optimisation RapidArc pour la radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité volumétrique (VMAT) produit une technique de traitement appelée RapidArc avec isocentre virtuel (VIRA). En vue de réaliser cette nouvelle technique, la justesse du calcul de dose dans la plate-forme de planification de traitements Eclipse, sur laquelle l'optimisation RapidArc dépend, doit être validée ainsi que la justesse du positionnement de la table de traitement. La justesse du calcul de dose fut évaluée de façon extrinsèque en comparant le résultat de la plate-forme RapidArc pour un plan de traitement de radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (IMRT) utilisant un collimateur multilames dynamique (DMLC) à des valeurs mesurés à l'aide d'une chambre d'ionisation ainsi que des films Gafchromic EBT3 en fonction de la distance entre la source et la surface (SSD) d'un phantôme. La dépendence sur SSD de deux paramètres instrinsèques au calcul de dose dans Eclipse, l'écart dosimétrique entre les lames (DLG) et la transmission des lames (LT) fut aussi étudiée. La justesse du positionnement de la table de traitement fut évaluée en produisant des plans de traitements avec la table et le gantry stationnaire, la table stationnaire et le gantry en mouvement ainsi qu'avec le mouvement synchronisé de la table et du gantry, tout en ayant une chambre d'ionisation positionnée dans un phantôme cylindrique durant la période d'irradiation. L'accord relatif entre les valeurs obtenus de la chambre d'ionisation et ceux d'Eclipse pour les plans DMLC IMRT est descendu de 1.5±0.3% en changeant le SSD de 85 cm jusqu'à 135 cm (moins de 1% de deviation des conditions de références clinique où le SSD est de 100 cm). Les valeurs obtenus à partir des films Gafchromic EBT3 sont en accord avec ceux de la chambre d'ionisation. Par contre, le bruit dans les données du film à basses doses a produit une grande incertitude. En corrigeant pour la projection géométrique, les valeurs du DLG ont été observé comme étant indépendantes du SSD. Le LT a démontré une dépendence sur le SSD de 0.09±0.02% sur la portée de SSD étudiés. Les valeurs de la chambre d'ionisation pour le mouvement synchronisé de la table de traitement et du gantry proposé pour la technique VIRA ont indiqué une déviation maximale de 0.2 cm relativement à l'isocentre du traitement. La même déviation fut observé pour le traitement où la table était stationnaire et le gantry était en mouvement, ce qui correspond aux traitements conventionnels VMAT. Ces résultats démontrent que l'accélérateur linéaire TrueBeam de Varian ainsi q'Eclipse maintiennent la justesse dosimétrique nécéssaire pour les traitements VMAT impliquant des trajectoires dynamiques de la table de traitement.

While dose calculations are typically performed using a simplistic correspondence of Hounsfield units to electron density, recent developments in Dual Energy Computed Tomography (DECT) could provide significant improvements in characterizing human tissues in radiotherapy. The present study aims to establish and validate a DECT mathematical formalism and evaluate its accuracy in characterizing tissue in terms of electron density and effective atomic number for radiotherapy applications. A relationship between the effective atomic number and the mean excitation energy is proposed to calculate parameters for proton and heavy ion therapy, as the stopping power. A novel definition of the effective atomic number is also developed. A Gammex 467 phantom is scanned at different energy couples with a Siemens SOMATOM Definition Flash in order to apply the calibration-based formalism. The root mean square errors on the extracted parameters for the 100-140/Sn energy couple are 0.46% for the relative electron density, 2.5% for the effective atomic number, 4.9% for the mean excitation energy and 0.67% for the proton stopping power. The accuracy of such results presents many advantages in the field of radiation therapy. Thus, this work is expected to bring significant improvements in Monte Carlo dose calculation in future clinical applications. / Bien que les calculs de dose soient généralement effectués en utilisant une correspondance directe entre les unités Hounsfield et la densité électronique, les développements récents en tomodensitométrie à double énergie (DECT) pourraient apporter des améliorations significatives dans la caractérisation des tissus humains en radiothérapie. La présente étude vise à établir et valider un formalisme mathématique DECT et à évaluer sa précision dans la caractérisation des tissus en termes de densité électronique et de numéro atomique effectif pour les applications de radiothérapie. Une relation entre le nombre atomique effectif et l'énergie moyenne d'excitation est proposée afin de calculer des paramètres pour la thérapie par protons et par ions lourds, tel que le pouvoir d'arrêt. Une nouvelle définition du nombre atomique effectif est également développée. Un fantôme Gammex 467 est scanné à différents couples d'énergie avec un Siemens SOMATOM Definition Flash afin d'appliquer le formalisme. L'erreur moyenne quadratique des paramètres extraits pour le couple d'énergie 100-140/Sn sont 0.46% pour la densité électronique relative à l'eau, 2.5% pour le nombre atomique effectif, 4.9% pour l'énergie d'excitation moyenne et 0.67% pour le pouvoir d'arrêt. L'exactitude de ces résultats présente de nombreux avantages en radiothérapie. Ainsi, ce travail pourrait apporter des améliorations significatives en calcul de dose Monte Carlo pour de futures applications cliniques.

The aims of this work are to validate the potential application of Cherenkov emission (CE) in radiotherapy dosimetry, online imaging and beam modulation by analysis of its correlation with radiation dose and by a spectral shift to the near-infrared (NIR) window of biological tissue in order to maximize its detection. This work makes an original contribution to scientific knowledge by effectively correlating radiation dose and CE in two dimensions, using an optical fiber and grating spectrometer, without need for a computer-generated spatially variant conversion factor or a fluorescent dye, and by successfully shifting CE to the NIR in a tissue-simulating phantom with the use of quantum dots (QDs).Radiation dose was correlated with CE via both computer simulation and experimental measurements using clinical 6-18 MeV electron beams. A Monte Carlo (MC) CE simulator was designed using the Geant4 simulation toolkit. In order to maximize the signal, beam incidence angle was optimized through simulation and experiment and the feasibility of two-fiber detection was assessed. Phantoms used in the experiments were a water tank and a tissue-simulating phantom composed of water, Intralipid® and beef blood. The optical detection system consisted of a multi-mode step-index fiber optic cable (numerical aperture = 0.22 for dose versus Cherenkov studies), positioned out of the beam and connected to a single-channel diffraction grating spectrometer incorporating a front- or back-illuminated charge-coupled device (CCD). A cylindrical ionization chamber was used for dose measurements. CdSe/ZnS core-shell QDs, emitting at (650 ± 10) nm, were used to achieve a NIR shift of the CE signal.A preliminary software analysis indicated a strong correlation between radiation dose and CE with a Pearson correlation coefficient larger than 0.99. A beam incidence angle of 50° relative to the surface normal produced a CE maximum along the horizontal fiber. An angle of 47° (corresponding to more than 80% of the maximum signal) was adopted in order to maximize the scan depth by avoiding beam perturbation due to setup components and fiber protrusion into the field. Dose versus CE correlation was investigated via water phantom ion chamber scans along the beam central axis and optical fiber scans with the fiber tip positioned at the field edge. With all data sets normalized to 1, the effective point of measurement of the optical system for 18, 12 and 6 MeV clinical electron beams was found to be at depths of approximately 1.7, 0.8, and 0.1 cm, respectively, downstream from the fiber axis, with a Pearson correlation coefficient for all (simulated and experimental) data larger than 0.99. CE by an 18 MeV electron beam was successfully shifted towards 650 nm in water and in a tissue-simulating phantom. Smaller field sizes and larger QD depths resulted in a lower signal, though a shift was still apparent for a 1 cm depth of the QDs. Statistical data analysis indicated no noise bias and that radiation might have impacted the spectrometer electronics.The results of this work validate the potential for application of CE in radiotherapy dosimetry, online imaging and intensity modulation based on tumor microenvironment information, such as oxygenation, since CE is intrinsic to the beam, non-ionizing and can be detected outside the beam, and the QDs used for the experiments are photostable, tunable, and can be modified to incorporate molecular reporters. Future work involves the use of a multi-channel spectrometer for simultaneous collection of main, reference and background signals, incorporation of a lens or a single-mode fiber to reduce the sensitive volume, as well as development of better spectral data extraction techniques. It is expected that the proposed technique will be applicable to 3D dose mapping by means of diffuse optical tomography, online CE imaging and localization during radiotherapy, and beam modulation based on tumor microenvironment information. / Les objectifs de cette étude sont de valider la potentielle application de l'émission Cherenkov (EC) pour la dosimétrie en radiothérapie, pour l'imagerie en temps réel et pour la modulation des faisceaux par l'analyse de sa corrélation avec la dose de rayonnement et par un décalage spectral vers la fenêtre infrarouge proche (FIP) des tissus biologiques afin de maximiser sa détection. Ce travail apporte une contribution originale aux travaux antérieurs en corrélant efficacement, d'une part, la dose de rayonnement et l'EC en 2 dimensions à l'aide d'une fibre optique et d'un spectromètre à réseau, et ce, sans l'aide d'un facteur de conversion variant spatialement et généré par ordinateur ou d'un colorant fluorescent, et d'autre part, en effectuant avec succès le déplacement de l'EC à la FIP dans un fantôme simulant les tissus biologiques grâce à l'utilisation de points quantiques (PQs).La dose de rayonnement a été corrélée avec l'EC à la fois par simulation informatique et par mesures expérimentales. Un simulateur Monte Carlo (MC) de l'EC a été conçu en utilisant la plateforme de simulation Geant4. Les fantômes utilisés dans les expériences consistaient d'un réservoir d'eau et d'un fantôme simulant les tissus biologiques composés d'eau, d'Intralipid® et de sang de boeuf. Le système de détection optique est composé d'un câble de fibre optique multi-mode à saut d'indice, placé hors du faisceau d'électron et relié à un spectromètre à réseau de diffraction à canal unique comprenant un dispositif à couplage de charge éclairé par l'avant ou l'arrière. Des points quantiques CdSe/ZnS, émettant à (650 ± 10) nm, ont été utilisés afin de réaliser un décalage de l'EC vers la FIP.Une analyse préliminaire a indiqué une forte corrélation entre la dose de rayonnement et de l'EC avec un coefficient de corrélation de Pearson supérieur à 0.99. La corrélation de la dose en fonction de l'EC a été étudiée via des scans de la chambre d'ionisation dans le fantôme d'eau le long de l'axe central du faisceau ainsi que par des scans de fibre optique avec la pointe de la fibre positionnée sur le bord du champ du faisceau. Après normalisation, le point effectif de mesure du système optique des faisceaux d'électrons cliniques de 18, 12 et 6 MeV, s'est révélé être situé à des profondeurs respectives de 1.7 cm, 0.8 cm et 0.1 cm, et ce, en aval de l'axe de la fibre, avec un coefficient de corrélation Pearson pour toutes les données de plus de 0.99. La fenêtre d'EC d'un faisceau d'électrons de 18 MeV a été décalée avec succès vers 650 nm dans le réservoir d'eau, confirmant sa capacité à stimuler la photoluminescence de CdSe/ZnS, et dans le fantôme simulant les tissus biologiques. La diminution de la taille des champs ainsi que l'augmentation de la profondeur des PQs ont eu pour effet de diminuer le signal, quoiqu'un décalage du signal était encore apparent à 1 cm de profondeur. L'analyse statistique des données nous a confirmé que le bruit n'a pas d'impact significatif sur le signal, mais que le rayonnement peut avoir un impact sur les composantes électroniques du spectromètre.Les résultats de ce travail confirment le potentiel d'application de l'EC pour la dosimétrie en radiothérapie, pour l'imagerie en temps réel et pour la modulation d'intensité des faisceaux en fonction des informations relatives au microenvironnement des tumeurs, comme l'oxygénation. En effet, l'EC est intrinsèque au faisceau d'électrons, est non-ionisante et peut être détectée en dehors du faisceau. De plus, les PQs utilisés dans nos expériences sont photostables et peuvent être modifiés afin d'intégrer des molécules pouvant nous informer sur la microbiologie des tumeurs. Il est prévu que la technique proposée sera applicable à la cartographie de dose en 3D au moyen de la tomographie optique diffuse, à l'imagerie par EC en temps réel et la localisation spatiale durant la radiothérapie, ainsi qu'à la modulation du faisceau en fonction du microenvironnement de la tumeur.

Modern treatment planning techniques such as inverse planning have increased the demand for rapid dose calculation methods to accommodate the large number of dose distributions required to generate a treatment plan. General-purpose Monte Carlo approaches for dose calculation are known to offer the highest accuracy in dose calculation at the expense of significant computing time. This work adapts a Macro Monte Carlo approach to dose calculation for electrons andprotons for use with a GPU card, using pre-generated tracks from general-purpose Monte Carlo codes. The algorithm was implemented on the CUDA framework for parallel programming on graphics cards. Comparisons of the algorithm inhomogeneous and inhomogeneous geometry with benchmark Monte Carlo codes yielded agreements within 1% in dose regions of at least 50% of Dmax and up to 3% in low dose regions. A Bragg peak positioning error of less than 1 mm was also observed. Additionally, the limited memory available in commercial graphics cards was overcome by subdividing a mother track bank residing on CPU memory into smaller samples of unique tracks. A method to quantify the latent uncertainty in dose values due to the limited size of a pre-generated track bank was developed. It was shown that the latent uncertainty follows a Poisson distribution as a function of the total number of unique tracks in the track bank. The implementation of the algorithm was found to transport particles in sub-second times per million history for every situation simulated, with speed-ups of 500-2600x for electrons over DOSXYZnrc and 2600-11500x for protons over GEANT4 depending on the particle energies and simulation media. / Les techniques modernes de planification de traitement, telle que la planification inverse, ont augmenté la demande pour des méthodes rapides de calcul de dose pour accomoder le grand nombre de distributions de dose requises pour générer un plan de traitement. Les approches Monte Carlo d'usage général sont réputées pour offrir la plus haute précision au calcul de dose au détriment d'une demande plus élevée en temps de calcul. Cet oeuvre revisite une approche MonteCarlo macroscopique pour le calcul de dose avec électrons et protons en utilisant des traques pré-calculées à l'aide de codes Monte Carlo d'usage général. L'approche a été mise en oeuvre avec la plate-forme de programmation CUDA pour le programmage parallèle sur cartes graphiques. Des comparaisons de l'algorithme dans des phantômes homogènes et hétérogènes contre des codes Monte Carlo de référence ont démontré un accord de 1% et 1 mm ou mieux. En outre, les problèmes associés à la basse mémoire disponible dans les cartes graphiques commercial ont été surmontés à l'aide de la méthode de banque mère de traques pré-calculés. Une méthode pour quantifier l'incertitude latente dans les valeurs de dose dû au nombre limité de traques uniques dans la banque de traques a été développée. L'incertitude latente calculée suit une distribution de Poisson en fonction du nombre total de traques unique dans la banque de traques. Finalement, l'algorithme transporte tous les particules en moins d'une seconde pour chaque millions d'historiques dans chaque situation simulée. Un facteur d'accélération de 500-2600x pour le transport d'électrons comparé à DOSXYZnrc et 2600-11500x pour les protons comparé à GEANT4 a été observé, dépendamment de l'énergie des particules et de l'environnement dans lequel les particules sont transportées.

Each year, thousands of Canadians undergo neurosurgery to areas of the brain that are critical to movement, vision, sensation, or language. Recent literature demonstrates a significantly increased survival benefit with complete resection of primary and secondary brain tumours. Image guided neurosurgery uses technology that tracks a patient and special tools simultaneously to use preoperative images in order to help guide a surgeon through the surgery. There are many different types of errors that can arise during these types of interventions related to technical, physical and biological factors. The aim of this study was to quantify some of the technical and physical factors that contribute to error in these interventions. Errors associated with tracking, tool calibration and registration between a physical object and a corresponding image were all investigated and compared to theoretical descriptions of these errors. A precision milled linear testing apparatus was constructed to perform the bulk of the measurements which were broken into three categories: the fiducial localization errors (FLE), the fiducial registration errors (FRE) and the target registration errors (TRE). The fiducial localization errors deal with errors in locating a physical point and correspond to the tracking error and tool calibration errors. The tracking error (jitter) was measured as the camera's ability to consistently report the proper location of a tool and was shown to increase in a quadratic fashion with distance normal to the camera and the jitter ranged between 0.15 mm – 0.6 mm. The tool calibration error was measured and showed to increase as a function of distance from the camera as well as distance from the reference tool with calibrations ranging from 0.2 mm – 0.7 mm for the NDI pointer and 0.2 mm – 0.8 mm for the Traxtal pointer. The fiducial registration error was investigated by registering a custom built Linear Testing Apparatus (LTA) to a corresponding image volume. The FRE was shown to improve when more points were used up until a plateau value was reached which corresponded to the total FLE. This value was on the order of 0.8 mm. The distributions of the TRE were investigated for four camera-pointer pairs and two fiducial configurations and were shown to follow a chi squared distribution with the highest error generally around fiducial points and the highest variation of the TRE also around the fiducial points. Most of the results observed in this work agreed well with the previously established theory. / Chaque année, des milliers de Canadiens subissent une intervention chirurgicale à proximité de zones du cerveau qui sont essentielles au mouvement, à la vision, à la sensation ou au langage. Cela crée deux contraintes contradictoires qui doivent être équilibrées pendant la chirurgie pour chaque patient. Il faut maximiser la résection de la lésion tout en minimisant le déficit neurologique pour le patient. La neurochirurgie guidée par l'image utilise une technologie qui permet de suivre simultanément la position d'outils spéciaux et du patient pour guider le chirurgien sur des images préopératoires durant la chirurgie. Il y a plusieurs types d'erreurs qui peuvent survenir lors de ce type d'intervention. Ces erreurs sont liées à des facteurs techniques, physiques et biologiques. Le but de cette étude est de quantifier certains des facteurs techniques et physiques qui contribuent à l'imprécision de ces interventions. Les erreurs liées au suivi des outils, au calibrage des outils et au recallage entre un objet physique et une image correspondante ont tous été étudiées et comparées à leurs descriptions théoriques. Un montage de test linéaire (LTA) a été usiné avec précision pour effectuer la majeure partie des mesures qui ont été divisés en trois catégories: les FLE, les FRE et les TRE. Les FLE sont des erreurs de la localisation d'un point de vue physique et correspondent à des erreurs de suivi et des erreurs de calibrage des outils. L'erreur de suivi d'un outil (jitter) a été mesurée comme étant la capacité de l'appareil à rapporter systématiquement la position exacte d'un outil et il a été démontré qu'il augmente de façon quadratique avec la distance le long de l'axe de la caméra et que sa valeur se situe entre 0,15 mm et 0,6 mm. L'erreur de calibrage des outils a été mesurée et il a été démontré qu'elle augmente en fonction de la distance de la caméra ainsi que de la distance à de l'outil de référence avec une erreur de calibration allant de 0,2 mm - 0,7 mm pour le pointeur NDI et 0,2 mm - 0,8 mm pour le pointeur Traxtal. Le FRE a été étudié en recallant la LTA sur une image volumétrique correspondante. Il a été démontré que le FRE s'améliorer avec le nombre de points utilisés jusqu'à ce qu'une valeur de seuil ait été atteinte, valeur qui correspond au FLE total. Cette valeur est de l'ordre de 0,8 mm. Les distributions du TRE ont été étudiés pour quatre paires de caméra-pointeur et deux configurations de points et il a été démontré qu'elles suivent une distribution chi carré avec la plus grande erreur généralement autour des points de référence et la variation la plus élevée de la TRE également autour des points de référence. La plupart des résultats obtenus pour cet étude concordent avec la théorie établie précédemment.

This thesis describes a study of shielding design techniques used for radiation therapy facilities that employ megavoltage linear accelerators. Specifically, an evaluation of the shielding design formalism described in NCRP report 151 was undertaken and a feasibility study for open-door 6 MV radiation therapy treatments in existing 6 MV, 18 MV treatment rooms at the Montreal General Hospital (MGH) was conducted. To evaluate the shielding design formalism of NCRP 151, barrier-attenuated equivalent doses were measured for several of the treatment rooms at the MGH and compared with expectations from NCRP 151 calculations. It was found that, while the insight and recommendations of NCRP 151 are very valuable, its dose predictions are not always correct. As such, the NCRP 151 methodology is best used in conjunction with physical measurements. The feasibility study for 6 MV open-door treatments made use of the NCRP 151 formalism, together with physical measurements for realistic 6 MV workloads. The results suggest that, dosimetrically, 6 MV open door treatments are feasible. A conservative estimate for the increased dose at the door arising from such treatments is 0.1 mSv, with a 1/8 occupancy factor, as recommended in NCRP 151, included. / Ce mémoire décrit une étude des techniques de blindage utilisées dans les installations de radiothérapie pour des accélérateurs linéaires à mégavoltage. Plus précisément, une évaluation du formalisme de calcul de blindage tracée par le rapport NCRP 151 a été entrepris, et une étude de faisabilité a été menée avec le but de laisser la porte ouverte pour les traitements à 6 MV dans des salles de traitement déjà existantes à l'Hˆopital général de Montréal (HGM). Pour évaluer le formalisme de blindage du NCRP 151, des doses équivalentes atténués par barrière ont été mesurés et comparés avec les résultats des calculs du NCRP 151. Cette étude a démontré que, meme si les idées et recommandations du NCRP 151 sont très valables, ses prévisions de doses ne sont pas toujours correctes. En tant que tel, la méthode du NCRP 151 est mieux utilisée en conjonction avec des mesures physiques. L'étude de faisabilité pour des traitements de 6 MV à porte ouverte a utilisé le formalisme du NCRP 151, avec des mesures réalistes pour les charges de travail à 6 MV. Les résultats suggèrent que, dosimetriquement, les traitements de 6 MV à porte ouverte sont réalisables. Une estimation prudente pour la dose plus élevée à la porte découlant de ces traitements est 0.1 mSv, avec un facteur d'occupation de 1/8, comme recommandé dans le rapport du NCRP 151.

Proton radiotherapy is known to reduce the radiation dose delivered to normal healthy tissue compared to photon techniques. The increase in normal tissue sparing could result in fewer acute and late effects from radiation therapy. In this work proton therapy plans were created for patients previously treated using photon therapy. Intensity modulated proton therapy (IMPT) plans were planned using inverse planning in Varian's Eclipse treatment planning system with a scanning proton beam model to the same relative biological effectiveness (RBE)-weighted prescription dose as the photon plan. Proton and photon plans were compared for target dose conformity and homogeneity, body volumes receiving 2 Gy and 5 Gy, integral dose, dose to normal tissues and second cancer risk. Secondary cancer risk was determined using two methods. The relative risk of secondary cancer was found using the method described by Nguyen et al. by applying a linear relationship between integral dose and relative risk of secondary cancer. The second approach used Schneider et al.'s organ equivalent dose concept to describe the dose in the body and then calculate the excess absolute risk and cumulative risk for solid cancers in the body.IMPT and photon plans had similar target conformity and homogeneity. However IMPT plans had reduced integral dose and volumes of the body receiving low dose. Overall the risk of radiation induced secondary cancer was lower for IMPT plans compared to the corresponding photon plans with a reduction of ~36% using the integral dose model and ~50% using the organ equivalent dose model. / Un avantage connu de la radiothérapie par protons est la réduction de la dose reçue par les tissus normaux et sains par rapport aux traitements en photons. Cette réduction de dose peut résulter en une diminution des effets aigus et tardifs de la radiothérapie. Dans cet ouvrage, les plans de protonthérapie ont été créés pour des patients ayant été traités par radiothérapie en photons. Les plans de protonthérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (PCMI) ont été conçus par planification inverse dans le système de planification de traitement Eclipse de Varian de façon à ce que le faisceau de protons en balayage produise la même dose de prescription que plan en photons, tout en tenant compte des efficacités biologiques relatives des deux types de radiation. Les plans en photons et en protons ont ensuite été comparés en termes de conformité de la dose, d'homogénéité de la dose, de volumes recevant 2 et 5 Gy, de dose intégrale, de dose aux tissus normaux et de risque de cancer secondaire. Le risque relatif de cancer secondaire a été determiné par la méthode décrite par Nguyen et al. en applicant une relation linéaire entre la dose intégrale et le risque relatif de cancer secondaire. Une deuxième approche employée dans cet ouvrage utilise le concept de dose équivalente à un organe de Schneider et al. pour décrire la dose dans le corps et par la suite calculer l'excès de risque absolu et le risque cumulatif de cancers solides dans le corps. Les traitements comparés, soit en photons et en protons, ont démontré une conformité et une homogénéité de la dose similaires dans le volume cible. Toutefois, les plans de PCMI réduisent la dose intégrale et diminuent les volumes du corps recevant une faible dose. Globalement, le risque d'induction d'un cancer secondaire est plus faible pour les plans de PCMI que pour les plans équivalents en photons avec une réduction de ~36% en utilisant le modèle de dose intégrale et ~50% en utilisant le modèle de dose équivalente à un organe.