We studied 42 rectal cancer brachytherapy patients with shielding included in the treatment, but without shielding included in the treatment planning and dose distribution calculations. To study the dose distribution in shielded cases, we first extracted relevant information from the PLATO BPS system and reconstructed the PLATO treatment plans with negligible errors. Based on this, we then implemented and validated the dose-superposition algorithm and applied this algorithm to all patients, finding that although the dose to healthy tissue is reduced, 10 of the 42 patients ended up with more than a 5% 'cold spot,' which is not acceptable in clinical practice. To solve this problem, a highly automated simulated annealing (SA) optimization algorithm, with a well-developed new cost function, was designed and implemented. The algorithm alone can decrease 'V90 to healthy tissue' by 17% while keeping the dose to target at the same level. By adding a shielding rod, the algorithm can further decrease the 'V90 to healthy tissue' by an additional 13%. The average calculation time for a patient using the dose-superposition algorithm was less than 20 seconds, and the time needed to make an SA based treatment plan for a shielded case was less than 10 minutes. The SA algorithm is independent of the physicist's experience. Two simplified algorithms for dose distribution calculation were investigated, the TG43 analytical shielding algorithm and the PLATO shielding algorithm. Their calculated results show conformal isodose lines to that from the dose-kernel-superposition algorithm, but present less accuracy and precision and much longer calculation times. Hence they are useful in limited conditions. Finally, we did some preliminary investigation / Nous avons étudié 42 cas de brachythérapie de cancer rectale avec protection incluse dans le traitement mais sans protection incluse dans la planification du traitement et calcul des distributions de doses. Pour étudier la distribution des doses dans les cas protégés, nous avons prélevé des informations importantes du système PLATO BPS et rétabli les plans de traitement PLATO avec des erreurs négligeables. Sur ces bases nous avons ensuite implémenté et validé les algorithmes de superposition des doses et appliqué ces algorithmes sur tous les patients, découvrant que bien que la dose pour tissu sain a été réduite, 10 des 42 patients se sont retrouvés avec plus de 5% de 'tache froide', ce qui est inacceptable dans les pratiques cliniques. Pour résoudre ce problème, nous avons conçu et implémenté un recuit simulé (RS) hautement automatisé pour optimisation de l'algorithme avec une nouvelle fonction de coût bien développée. L'algorithme en soi peut amoindrir 'V90 à tissu sain' de 17% tout en gardant les doses à objectif au même niveau. En ajoutant une baguette de protection, l'algorithme peut encore réduire le 'V90 à tissu sain' de 13% supplémentaires. Le calcul moyen de la durée pour un patient utilisant l'algorithme de superposition de dose est de moins de 20 secondes et le temps nécessaire pour un plan de traitement à base de RS pour un cas protégé fut moins de 10 minutes. L'algorithme RS est indépendant de l'expérience du physicien. Deux algorithmes simplifiés pour le calcul des doses de distribution ont été étudiés, l'algorithme TG43 de protection analytique et l'algorithme de protection PLATO. Leurs résultats calculés montrent des lignes isodoses conformes à des algorithmes d

This thesis presents the design, implementation, and validation of a novel, arterial spin labeling (ASL) perfusion magnetic resonance imaging (MRI) pulse sequence to generate three-dimensional quantitative maps of cerebral blood flow (CBF) in mice at 7 Tesla with an isotropic 281μm resolution. ASL and anatomical scans were registered to a common template using an automated non-linear registration pipeline to allow for voxel-wise inter-scan and inter-subject comparisons of CBF. The technique was applied to the study of a transgenic mouse model of Alzheimer's Disease (AD) which demonstrates many of the characteristic features of cerebrovascular dysfunction present in AD. The technique resolved regions of significant difference between transgenic and wild-type mouse populations using voxel-wise- and region-of-interest-based analyses. These findings are the first to demonstrate the utility of perfusion MRI for population-based analysis of cerebrovascular pathophysiology in transgenic AD mice. / Cette thèse présente la conception et la validation d'un nouveau séquence d'acquisition d'imagerie par resonance magnetique (IRM) pour la marquage des spins des arteres (ASL) pour créer des cartes parametrique en trois-dimensions de debit de sanguin cérébral (CBF) dans les souris à 7 Tesla. avec un résolution isotrope de 281 μm. Les volumes d'IRM anatomique et ASL ont été enregistrées avec un procedure non linéaire pour effectuer des comparaisons de CBF par-voxel entre les scans seriale et entre les animaux. La technique a été appliquée à l'étude d'un modèle de souris transgénique de la maladie d'Alzheimer (MA), qui démontre beaucoup de traits caractéristiques de dysfonctionnement cérébral qui sont présents dans la maladie d'Alzheimer. La technique résolu régions de différence significative entre les populations transgéniques et de type sauvage par les methodes d'analyse par-voxel et par-regions-d'intérêt. Ces résultats sont les premiers à démontrer l'utilité de l'IRM de perfusion au niveau de la population sur l'analyse de physiopathologie vasculaire cérébral dans les souris transgéniques MA.

Stereotactic Body Radiation Therapy is a radical treatment method for small lesions in the body where a surgical dose of radiation is given to attempt to sterilize the lesion. One of its limitations lays in the respiratory motion of the target during treatment. For this technique, high precision and accuracy on the dose delivered to the target is critical. This work produced a measurement method for the target's position and motion, during treatment, without giving extra dose to the patient. This method is based on a statistical analysis of the position of implanted metallic markers, visible on treatment portal images. The method was implanted in a software written entirely in Real Basic (Real Software, Texas, USA) code. The software was tested with images of a respiratory phantom of known motion. The motion statistics detected by the software corresponded to the measured values. Results show that the software can be applied on clinical patient data. Some studies of patient data are presented to demonstrate the software's possibilities. / La radiothérapie stéréotactique extracérébrale est une méthode de traitement radicale, où une forte dose de radiation est donnée à une petite lésion dans le corps, pour tenter de la stériliser. Une des limites de cette thérapie réside dans la difficulté d'irradier la cible précisément et exactement à la dose prescrite, puisqu'elle est constamment induite en mouvement par la respiration du patient durant le traitement. Ce travail a permis de concevoir une méthode de mesure de la position et du mouvement de la cible, durant le traitement, sans donner de dose additionnelle au patient. Cette méthode est basée sur une analyse statistique de la position de marqueurs métalliques implantés chirurgicalement près de la cible et visibles sur des images portales prises durant le traitement. Un logiciel codé en Real Basic (Real Software, Texas, USA) intégrant la méthode a été écrit. Le logiciel a été testé avec un fantôme respiratoire de déplacement connu. Les statistiques du mouvement obtenues par le logiciel correspondaient aux valeurs mesurées sur le fantôme. Les résultats montrent que le logiciel peut-être utile pour l'analyse du mouvement dans des cas cliniques de patients. Quelques exemples d'études cliniques sur des images de patients sont présentés pour démontrer les possibilités du logiciel et de la méthode utilisée.

Dynamic contrast enhanced (DCE-) MRI data can be analyzed using a two-compartment pharmacokinetic model to measure biophysical parameters such as blood-brain barrier (BBB) permeability. This work focuses on developing a DCE-MRI based technique to accurately estimate BBB permeability in multiple sclerosis (MS) lesions. The impact of the temporal resolution of the DCE-MRI acquisition on the accuracy and precision of permeability measurements is evaluated experimentally and through simulations, and a new protocol based on a two-phase acquisition is shown to reduce the errors in permeability estimates. BBB permeability maps in MS patients are also examined for correlations with differences in regions of enhancement observed following two non-dynamic protocols: a standard and an optimized one. Results indicate that voxels only enhancing with the optimized protocol are associated with lower BBB permeability values than voxels enhancing with both protocols, which supports the hypothesis that each non-dynamic enhancement protocol has its own sensitivity threshold. This indicates that using a quantitative DCE-MRI technique, such as the one presented here, provides a more complete view of MS lesion pathology by enabling quantitative measurement of BBB permeability rather than simple binary classification as enhancing or non-enhancing. / Les données d'IRM dynamique avec agent de contraste (DCE-MRI) peuvent être analysées à l'aide d'un modèle pharmaco-cinétique à deux compartiments, afin de mesurer des paramètres biophysiques tels que la perméabilité de la barrière hémato-encéphalique (BHE). Notre étude vise à développer une technique de DCE-MRI qui permette de mesurer avec exactitude la perméabilité de la BHE dans les lésions de sclérose en plaques (SEP). L'impact de la résolution temporelle de l'acquisition sur l'exactitude et la précision des mesures de perméabilité est évalué au moyen d'expériences et de simulations, et un nouveau protocole en deux temps permettant de réduire l'erreur dans les mesures est proposé. Sont analysées ensuite les corrélations entre les cartes de perméabilité et les différences de réhaussement entre deux protocoles non dynamiques: l'un standard et l'autre optimisé. Les résultats préliminaires montrent que les valeurs de perméabilité sont plus basses dans les voxels réhaussés uniquement par le protocole optimisé que dans ceux réhaussés par les deux. Ces résultats soutiennent l'hypothèse d'un seuil de sensibilité intrinsèque à chaque protocole non-dynamique avec contraste. L'utilisation d'une technique quantitative de DCE-MRI, telle que celle présentée ici, apporterait une vision plus complète de la pathologie des lésions de SEP par la mesure de la perméabilité de la BHE, comparée à la classification binaire en régions réhaussant ou non.

The Axxent device developed by Xoft Inc. is a novel electronic brachytherapy system capable of generating x-rays up to 50 keV. The objective of this study is to characterize the x-ray beam and to model the x-ray tube using the Geant4 Monte Carlo code. Spectral measurements are done using an Amptek XR-100T CdTe spectrometer. Attenuation curves are measured using both a NE-2571 farmer chamber and a PTW-23342 parallel plate chamber. 2-D dose distributions are measured using EBT Gafchromic films. The Geant4 Monte Carlo code is bench-marked against BEAMnrc results. HVL values and effective energies are obtained from spectral measurements, attenuation curve measurements, and Geant4 simulations. The results mostly agree within one standard deviation. Measurements show that the HVL decreases with beam angle. However, this trend is not observed in Geant4 results. 2-D dose distributions are compared with Geant4 Monte Carlo results. The agreement is mostly within 10 %. However, there are significant differences aft of the source. / La sonde Axxent, conçu par Xoft inc., est un nouveau système de curiethérapie électronique qui peut générer des rayons X avec une énergie maximum de 50 keV. L'objectif de cette étude est de décrire le spectre de rayons X émis et de créer un modèle du tube à rayons X en utilisant le code de Monte Carlo Geant4. Les mesures de spectres ont été réalisées à l'aide d'un spectromètre CdTe XR-100T de marque Amptek. Les courbes d'atténuation ont été mesurées à l'aide de deux chambres d'ionisation: une chambre NE-2571 de type Farmer et une chambre PTW-23342 de type chambre plate. Des films Garchromiques EBT ont été utilisés pour la mesure de distributions de dose en 2 dimensions autour de la source. Les résultats obtenus avec le code Geant4 one été comparés avec les résultats générés grâce à un code de Monte Carlo différent: BEAMnrc. Les épaisseurs de demi-atténuation et les énergies effectives on été également déduites des mesures spectrales, des courbes d'atténuation et des simulations de Geant4. Les résultats s'accordent avec une différence de moins d'un écart-type dans la plupart des cas. Les mesures indiquent que les épaisseurs de demi-atténuation diminuent avec l'angle du rayon choisi pour la mesure. Par contre, cette tendance n'est pas observée dans les simulations Monte Carlo avec Geant4. La comparaison entre les mesures et les calculs de Geant4 des distributions de dose en deux dimensions montre un accord généralement meilleur que 10 %. Néanmoins, il y a des différences importantes en arriére de la source.

For patient-specific quality assurance of IMRT, a point dose measurement with an ionisation chamber and a relative dose distribution with film are performed. The use of ionisation chambers follows dosimetry protocols that only deal with reference beams, for which Spencer-Attix cavity theory is valid. However, IMRT and other recent radiation delivery techniques do not comply with these protocols. Therefore, the conversion of the dose to the chamber cavity to the dose to water becomes uncertain; and the geometrical details of the chamber, as well as the details of the delivery, are expected to be significant. In this thesis, a realistic model of the Exradin A12 Farmer chamber is simulated. A framework is applied for the calculation of ionisation chamber response to arbitrarily modulated fields as a summation of responses to pencil beams. This approach is used with the chamber model and tested against measurements in static open fields and dynamic MLC IMRT fields. As a benchmark test of the model, quality conversion factors values calculated by Monte-Carlo simulation with the chamber model are in agreement within 0.1 % and 0.4 % with those in the AAPM TG-51, for 6 MV and 18 MV photon beams, respectively. Pencil-beam kernels show a strong dependence on the geometrical details of the chamber. Kernel summations with open fields show a relative agreement within 4.0 % with experimental data ; the agreement is within 2.0 % for dynamic MLC IMRT beams. Simulations show a strong sensitivity of chamber response on positioning uncertainties, sometimes leading to dose uncertainties of 15 %. / Pour le contrôle de qualité spécifique au patient en IMRT, on pratique une mesure ponctuelle de dose avec une chambre à ionisation et une mesure relative de distribution de dose avec un film. L'utilisation de chambres à ionisation suit les protocoles de dosimétrie qui ne traitent que de faisceaux de référence pour lesquels la théorie de Spencer-Attix est valide. Cependant, la radiothérapie à modulation d'intensité, ainsi que d'autres techniques récentes de radiothérapie, ne se conforme pas à ces protocoles. Par conséquent, la conversion de la dose dans la chambre à la dose dans l'eau devient incertaine ; et on s'attend à ce que les détails géométriques de la chambre, ainsi que les détails de l'émission des faisceaux, soient significatifs. Dans cette thèse, la chambre Exradin A12 de type Farmer a été modélisée de façon réaliste. Un formalisme a été utilisé pour la simulation de la réponse de la chambre à des champs modulés de façon arbitraire, où la réponse était calculée en sommant les réponses à des faisceaux-pinceaux. Cette approche est utilisée avec le modèle de la chambre et contrôlée par comparaison avec des mesures de champs statiques ouverts et de champs d'IMRT délivrés avec un collimateur multilame (CML) en mode dynamique. Comme test de référence du modèle de la chambre, les facteurs de conversion de qualité ont été calculés avec la chambre par Monte-Carlo et les résultats montrent un accord à mieux que 0.1 % et 0.4 % avec les valeurs du TG-51 de l'AAPM pour des faisceaux de photons de 6 MV et 18 MV, respectivement. Les noyaux de faisceaux-pinceaux montrent une forte dépendance aux détails géométriques de la chambre. Les sommations des noyaux avec les champs ouverts montrent un accord relatif à mieux que 4 % avec les résulats expérimentaux ; cet accord est à mieux que 2 % pour les faisceaux d'IMRT délivrés en mode dynamique avec le CML. Les simulations ont montré une force sensibilité d

A clinical linear accelerator and a Cobalt-60 teletherapy unit were used in combination with five cylindrical cavity ionization chambers to explore the possibility of transferring calibration coefficients from a calibrated reference ionization chamber to a field ionization chamber using linac megavoltage x-ray beams. Five cross-calibration setup methods were explored in Solid Water™ and Lucite™ solid phantoms using 6 MV and 18 MV beams. The calibration coefficients obtained using Lucite™ phantoms were shown to have no statistical difference when compared to those obtained using Solid Water™ phantoms. The calibration coefficients obtained with the 6 MV beam were statistically different than those obtained with the 18 MV beam. The robustness of the five transfer methods in a linac beam was investigated and one method was shown to have superior fault tolerance, with respect to the other methods. / Un accélérateur linéaire clinique et une unité de téléthérapie contenant une capsule de Cobalt-60 furent utilisés en association avec cinq chambres d'ionisation à cavité cylindrique afin d'explorer la possibilité de transférer les coefficients d'étalonnage à partir d'une chambre d'ionisation de référence étalonnée à une autre chambre d'ionisation pour des faisceaux de photons de 6 MV et 18 MV. Cinq méthodes de transfert furent étudiées dans des fantômes en Lucite™ et Solid Water™. Les coefficients d'étalonnage obtenus en utilisant des fantômes de Lucite™ ne montraient aucune différence statistique en comparaison avec ceux en Solid Water™. Par contre, les coefficients d'étalonnage obtenus avec les faisceaux de 6 MV différaient statistiquement de ceux obtenus avec les faisceaux 18 MV. La robustesse des cinq méthodes de transfert fut étudiée et une des méthodes a démontré avoir une meilleure tolérance aux erreurs comparativement aux autres méthodes.

Recently, the field of external beam radiation therapy has seen an increase in the use of non-standard fields; those composed of many small fields or any field where charged particle disequilibrium conditions exist. Since current clinical reference dosimetry protocols do not cover the conditions of these non-standard fields a new formalism for reference dosimetry of small and non-standard fields has recently been proposed, introducing a plan-class specific reference field (pcsr ). This pcsr would represent a specific class of non-standard delivery and provide an intermediate step between the conventional reference field and a clinical delivery. The purpose of this study was to create a pcsr for an ear-nose-throat IMRT delivery as well as to establish a method of determining the pcsr quality correction factor used to convert calibration coefficients in reference conditions to those under pcsr conditions. The method created included the use of ionization chamber and GafChromic film measurements to determine the factor as well as the use of MLC dynalog files to be used with EGSnrc Monte Carlo simulation to calculate the factor. The method was found to work well in determining the pcsr quality correction factor for the full delivery of the pcsr plan but failed under a beam-by-beam examination of the factor. / Récemment, le domaine de la radiothérapie par faisceaux externes a vu une augmentation de l’utilisation de champs non-standards; ceux-ci composés de plusieurs petits champs ou bien de champs où les conditions de déséquilibre des particules chargées existent. Puisque les protocoles actuels de dosimétrie de référence ne couvrent pas les conditions de ces champs non-standards, un nouveau formalisme pour la dosimétrie de référence des petits et non-standards champs a récemment été proposé, introduisant un champ de référence spécifique pour chaque classe (localisation) de plan de traitement. Ce champ de référence spécifique représenterait une classe spécifique de traitement non-standard et fournirait une étape intermédiaire entre le champ de référence et un traitement clinique. Le but de cette étude était de créer un champ de référence spécifique pour un traitement IMRT ORL et d’établir une méthode déterminant le facteur de correction de qualité du champ de référence spécifique. Ce facteur de correction est utilisé pour passer des conditions de référence aux conditions du champ de référence spécifique. La méthode créée incluait l’utilisation d’une chambre d’ionisation, les mesures d’un film Gafchromic ainsi que l’utilisation des fichiers MLC dynalog, utilisés avec les simulations Monte Carlo EGSnrc, pour déterminer le facteur. La méthode était trouvée efficace lorsque le facteur de correction de qualité du champ de référence spécifique était déterminé pour toute la réalisation du plan mais échouait sous l’examen faisceau par faisceau du facteur.

With the development of modern linear accelerators, the dosimetry of complex electron beams technique became a challenge for physicists. Over the past few years, lots of efforts have been done on developing accurate and fast dose algorithms for electrons. Numerous Monte Carlo (MC) models of therapeutic electron beams are presented in the literature. However, beam models built solely with manufacturer specifications of the medical accelerator do not systematically provide acceptable agreements with measurements. Clinically accurate beam models are crucial to MC treatment planning as electron dose calculations found in commercial treatment planning system (TPS) are generally inaccurate for complex geometry or with heterogeneities. Therefore, there is a strong motivation to use highly accurate MC simulations as standard information for commissioning commercial TPS. The current research project consists in developing an improved accurate electron beam model based on detailed information of the linear accelerator and to incorporate it into an in-house TPS: The McGill Monte Carlo Treatment Planning (MMCTP). / Avec le développement d'accélérateurs linéaires, la dosimétrie de techniques complexes de faisceaux d'électrons devient un défi pour les physiciens. Ces dernières années, des efforts considérables ont été faits pour développer un algorithme de calcul de dose précis et rapide pour les faisceaux d'électrons. De nombreux modèles Monte Carlo (MC) pour des faisceaux thérapeutiques d'électrons sont connus dans la littérature. Néanmoins, des modèles de faisceaux construits seulement avec les spécifications des constructeurs d'accélérateurs linéaires ne fournissent pas systématiquement des résultats en concordance avec les mesures. Au niveau clinique, des modèles de faisceaux précis sont d'une importance capitales pour les calculs de dose par Monte Carlo, dans la mesure où les algorithmes de calcul de faisceaux d'électrons présents dans les systèmes de plannification de traitements (SPT) commerciaux sont générallement imprécis dans des cas comportant des geométries complexes ou des hétérogénéités. Par conséquent, il y a une grande motivation à utiliser des simulations de Monte Carlo précis, comme information standard pour la mise en service des SPT commerciaux. La recherche présentée dans ce manuscrit vise à développer un modèle amélioré et précis de faisceaux d'électrons basé sur des informations détaillées d'accélérateurs linéaires et à incorporer ce modèle dans un SPT: le « McGill Monte Carlo Treatment Planning (MMCTP) ».

The contents of this thesis are best divided into two components: (i) evaluation of atlas-based segmentation and deformable contour propagation and (ii) adaptive radiation therapy using deformable electron density mapping. The first component of this thesis involves the evaluation of two commercial deformable registration systems with respect to automatic segmentation techniques. Overall, the techniques revealed that manual modifications would be required if the structures were to be used for treatment planning. The automatic segmentation methods utilized by both commercial products serve as an excellent starting point for contouring process and also reduce inter- and intra-physician variability when contouring. In the second component, we developed a framework for dose accumulation adaptive radiation therapy. By registering the planning computed tomography (CT) images to the weekly cone-beam computed tomography (CBCT) images, we were able to produce modified CBCT images which possessed CT Hounsfield units; this was achieved by using deformable image registration. Dose distributions were recalculated onto the modified CBCT images and then compared to the planned dose distributions. Results indicated that deformable electron density mapping is a feasible technique to allow dose distributions to be recalculated on pre-treatment CBCT scans. / Le contenu de cette thèse est divisé en deux partis: (i) l'evaluation de la segmentation automatique basée sur des atlas anatomiques numériques et la propagation des structures déformables et (ii) la radiothérapie adaptative déformable utilisant la cartographie de la densité électronique. Le premier élément de cette thèse comprend l'evaluation de deux logiciels commerciaux par rapport aux techniques de segmentation automatique. Globalement, l'evaluation des techniques a démontré que des modifications manuelles seraient nécessaires si les contours créés par les logiciels devaient être utilisées cliniquement. Les méthodes de segmentation automatique utilisées par les deux produits commerciaux peuvent servir d'excellent point de départ pour le processus de contournage et aussi permettent de réduire la variabilité inter- et intra-médecin lors du contournage.Dans la deuxième parti, nous avons développé un processus pour l'accumulation de dose en radiothérapie adaptative. En enregistrant les images de planification de la tomodensitométrie (TDM) aux images de tomodensitométrie conique (TDMC), nous avons été en mesure de produire des images modifiées TDMC qui possédait des unités Hounsfield TDM en passant par l'enregistrement déformable des images utilisées. Les distributions de dose ont été recalculées sur les images de TDMC modifiées et ensuite comparées à la distribution de dose prévue. Les résultats indiquent que la cartographie déformable de la densité d'électronique est une technique adéquate pour permettre de recalculer les distributions de dose sur les images de TDMC.