Les néphropaties (maladie des tissus rénaux) postradiques constituent l'un des facteurs limitants pour l'élaboration des plans de traitement lors des radiothérapies abdominales. Le processus actuel, qui consiste à évaluer la fonctionnalité relative des reins grâce à une scintigraphie gamma deux dimensions, ne permet pas d'identifier les portions fonctionnelles qui pourraient être évitées lors de l' élaboration des plans de traitement. Une méthode permettant de cartographier la fonctionnalité rénale en trois dimensions et d'extraire un contour fonctionnel utilisable lors de la planification a été développée à partir de CT double énergie injectés à l'iode. La concentration en produit de contraste est considérée reliée à la fonctionnalité rénale. La technique utilisée repose sur la décomposition à trois matériaux permettant de reconstruire des images en concentration d'iode. Un algorithme de segmentation semi-automatisé basé sur la déformation hiérarchique et anamorphique de surfaces permet ensuite d'extraire le contour fonctionnel des reins. Les premiers résultats obtenus avec des images patient démontrent qu'une utilisation en clinique est envisageable et pourra être bénéfique. / Post-radic nephroaties (illness of kidney tissues) are one of the limitating factors when realising treatment planning for abdominal radiotherapies. The present process which consists in evaluating the Differential Kidney Function with a two-dimensional gamma scintigraphy, does not allow any identification of functional parts that could be taken into account during planification. The method presented in this document gives a three dimensional functional map of the kidney and a functional contour usable in planification, using double energy CT images with iodine contrast agent.The concentration in contrast agent is assumed to be related to kidney function. The proposed method is based on a three-materials decomposition allowing to reconstruct images of iodine concentration. The functionnal contour is extracted through a semi-automatic algorithm based on hierarchic and anamorphic surface deformation. First results obtained with patient images demonstrate the possibility of several future clinical applications.

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles. / During the past decade, technological developments in radiation therapy have considerably transformed treatment techniques. Novel nonstandard beams improve target dose conformity, but increase the complexity of dosimetry procedures. As recent studies demonstrated the invalidity of these protocols to nonstandard beams, a new protocol applicable to nonstandard beam reference dosimetry is in preparation by the IAEA-AAPM. The first goal of the study is to characterize the factors responsible for non-unity corrections in nonstandard beam dosimetry, and provide conceptual solutions to minimize the magnitude of the corrections. The second goal is to provide methods to estimate uncertainties accurately in nonstandard beam dosimetry, and estimate uncertainty levels achievable in typical clinical situations. Results of this study show that reporting dose to the sensitive volume of the chamber filled with water reduces the correction factor approximately by half under high gradients. A theoretical expression of correction factor is obtained for ideal nonstandard reference fields. In radiochromic film dosimetry, levels of uncertainty of the order of 0.3% are achieved with strict procedures and show great potential for nonstandard beam measurements. Results also suggest that experimental uncertainties in nonstandard beam are an important issue to consider both during daily QA routine and reference dosimetry, and could be a limiting factor in the new generation of protocols.

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique. / Computed tomography (CT) is widely used in radiotherapy to acquire patient-specific data for an accurate dose calculation in radiotherapy treatment planning. To consider the composition of heterogeneous tissues, calculation techniques such as Monte Carlo method are needed to compute an exact dose distribution. To use CT images with dose calculation algorithms, all voxel values, expressed in Hounsfield unit (HU), must be converted into relevant physical parameters such as the electron density (ED). This conversion is typically accomplished by means of a HU-ED calibration curve. Any discrepancy (or artifact) that appears in the reconstructed CT image prior to calibration is susceptible to yield wrongly-assigned tissues. Such tissue misassignment may crucially decrease the reliability of dose calculation. The aim of this work is to assign exact physical values to CT image voxels to insure the reliability of dose calculation in radiotherapy treatment planning. To achieve this, origins of CT artifacts are first studied using Monte Carlo simulations. Such simulations require a lot of computational time and were parallelized to run efficiently on a supercomputer. An sensitivity study on HU uncertainties due to CT artifacts is then performed using statistical analysis of the image histograms. Beam hardening effect appears to be the origin of several artifacts and is specifically addressed. Finally, a review on the state of the art in beam hardening correction is presented and an empirical correction is exposed in detail.

Pour analyser les images en tomodensitométrie, une méthode stœchiométrique est gé- néralement utilisée. Une courbe relie les unités Hounsfield d’une image à la densité électronique du milieu. La tomodensitométrie à double énergie permet d’obtenir des informations supplémentaires sur ces images. Une méthode stœchiométrique a été dé- veloppée pour permettre de déterminer les valeurs de densité électronique et de numéro atomique effectif à partir d’une paire d’images d’un tomodensitomètre à double énergie. Le but de cette recherche est de développer une nouvelle méthode d’identification de tissus en utilisant ces paramètres extraits en tomodensitométrie à double énergie. Cette nouvelle méthode est comparée avec la méthode standard de tomodensitométrie à simple énergie. Par ailleurs, l’impact dosimétrique de bien identifier un tissu est déterminé. Des simulations Monte Carlo permettent d’utiliser des fantômes numériques dont tous les paramètres sont connus. Les différents fantômes utilisés permettent d’étalonner les méthodes stœchiométriques, de comparer la polyvalence et la robustesse des méthodes d’identification de tissus double énergie et simple énergie, ainsi que de comparer les distributions de dose dans des fantômes uniformes de mêmes densités, mais de compo- sitions différentes. La méthode utilisant la tomodensitométrie à double énergie fournit des valeurs de densi- tés électroniques plus exactes, quelles que soient les conditions étudiées. Cette méthode s’avère également plus robuste aux variations de densité des tissus. L’impact dosimé- trique d’une bonne identification de tissus devient important pour des traitements aux énergies plus faibles, donc aux énergies d’imagerie et de curiethérapie. / A stoichiometric method is usually used to analyze computed tomography images. A curve links the Hounsfield units on the images to the electron density in a given me- dium. Dual-energy computed tomography gives additional information on a scan. A stoi- chiometric method was developed to acquire both electron density and effective atomic number from a pair of images. The aim of this research is to develop a new method to identify tissues using the parame- ters extracted from dual-energy computed tomography. This new method is compared to the standard single-energy computed tomography segmentation method. Furthermore, the effect of correctly assigning tissues on dose distribution is studied. Monte Carlo simulations allow the use of perfectly known numerical phantoms. Dif- ferent phantoms allowed the calibration of the stoichiometric methods, the comparison of the versatility and the robustness of the dual-energy and the single-energy methods, and the comparison of dose distribution in phantoms of same densities, but of different compositions. The dual-energy identification method gives more accurate values of electron density in any studied condition. This method is also more robust to tissues of variable density. The dosimetric impact of an accurate identification becomes more important for treatments using lower energy photons, such as imaging energies and brachytherapy.

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D. / Pulmonary cancer is the main cause of death amongst all cancers in Canada with a prognosis of about 15% survival rate in 5 years. The efficiency of radiotherapy treatments is lower when high displacements of the tumors are observed, mostly caused by intrafraction respiratory motion. Advanced techniques such as radiosurgery and intensity-modulated radiotherapy treatments (IMRT) are expected to provide better clinical results by delivering higher radiation doses to the tumor while sparing the surrounding healthy lung tissues. The goal of this project is to perform 4D Monte Carlo dose recalculations to assess the dosimetric impact of moving tumors in CyberKnife and IMRT treatments using dose accumulation in deforming anatomies. Scripts developed in-house were used to model both situations and to compare the Monte Carlo dose distributions with those obtained with standard clinical plans. Displacement vectors fields are obtained from a 4D CT data set and a deformable image registration (DIR) algorithm which allows a voxel-to-voxel correspondence between each respiratory phase. The DIR is computed by the Advanced Normalization Tools (ANTs) software and is mostly based on diffeormophisms. A modified version of DOSXYZnrc from EGSnrc software, defDOSXYZnrc, is used to transport radiation through non-linear geometries. These results are then compared to a typical 3D plan to determine whether or not the current planification is a good approximation of the true 4D dose calculation.

No description available.

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique. / Computed tomography (CT) is widely used in radiotherapy to acquire patient-specific data for an accurate dose calculation in radiotherapy treatment planning. To consider the composition of heterogeneous tissues, calculation techniques such as Monte Carlo method are needed to compute an exact dose distribution. To use CT images with dose calculation algorithms, all voxel values, expressed in Hounsfield unit (HU), must be converted into relevant physical parameters such as the electron density (ED). This conversion is typically accomplished by means of a HU-ED calibration curve. Any discrepancy (or artifact) that appears in the reconstructed CT image prior to calibration is susceptible to yield wrongly-assigned tissues. Such tissue misassignment may crucially decrease the reliability of dose calculation. The aim of this work is to assign exact physical values to CT image voxels to insure the reliability of dose calculation in radiotherapy treatment planning. To achieve this, origins of CT artifacts are first studied using Monte Carlo simulations. Such simulations require a lot of computational time and were parallelized to run efficiently on a supercomputer. An sensitivity study on HU uncertainties due to CT artifacts is then performed using statistical analysis of the image histograms. Beam hardening effect appears to be the origin of several artifacts and is specifically addressed. Finally, a review on the state of the art in beam hardening correction is presented and an empirical correction is exposed in detail.

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles. / During the past decade, technological developments in radiation therapy have considerably transformed treatment techniques. Novel nonstandard beams improve target dose conformity, but increase the complexity of dosimetry procedures. As recent studies demonstrated the invalidity of these protocols to nonstandard beams, a new protocol applicable to nonstandard beam reference dosimetry is in preparation by the IAEA-AAPM. The first goal of the study is to characterize the factors responsible for non-unity corrections in nonstandard beam dosimetry, and provide conceptual solutions to minimize the magnitude of the corrections. The second goal is to provide methods to estimate uncertainties accurately in nonstandard beam dosimetry, and estimate uncertainty levels achievable in typical clinical situations. Results of this study show that reporting dose to the sensitive volume of the chamber filled with water reduces the correction factor approximately by half under high gradients. A theoretical expression of correction factor is obtained for ideal nonstandard reference fields. In radiochromic film dosimetry, levels of uncertainty of the order of 0.3% are achieved with strict procedures and show great potential for nonstandard beam measurements. Results also suggest that experimental uncertainties in nonstandard beam are an important issue to consider both during daily QA routine and reference dosimetry, and could be a limiting factor in the new generation of protocols.

Doctor of Philosophy / Mechanical and Nuclear Engineering / Douglas S. McGregor / There is a need for compact, rugged neutron detectors for a variety of applications including national security and oil well logging. A solid form neutron detector would have a higher efficiency than present day gas filled ³He and ¹⁰BF ₃ detectors, which are standards currently used in the industry today. A sub-branch of the III-V semiconductors is the filled tetrahedral compounds, known as Nowotny-Juza compounds (A[superscript I]B[superscript II]C[superscript V]). These materials are desirable for their cubic crystal structure and semiconducting electrical properties. Originally studied for photonic applications, Nowotny-Juza compounds have not been fully developed and characterized. Nowotny-Juza compounds are being studied as neutron detection materials here, and the following work is a study of LiZnP and LiZnAs material development and device characterization. Precursor binaries and ternary materials of LiZnAs and LiZnP were synthesized in-house in vacuum sealed quartz ampoules with a crucible lining. Synthesized powders were characterized by x-ray diffraction, where lattice constants of 5.751 ± .001 Å and 5.939 ± .002 Å for LiZnP and LiZnAs, respectively, were determined. A static vacuum sublimation in quartz was performed to help purify the synthesized ternary material. The resulting material from the sublimation process showed characteristics of a higher purity ternary compound. Bulk crystalline samples were grown from the purified material. Ingots up to 9.0 mm in diameter and 13.0 mm in length were harvested. Individual samples were characterized for crystallinity on a Bruker AXS Inc. D2 CRYSO, energy dispersive x-ray diffractometer, and a Bruker AXS D8 DISCOVER, high-resolution x-ray diffractometer with a 0.004° beam divergence. High-resolution XRD measurements indicated reasonable out-of-plane and in-plane ordering of LiZnP and LiZnAs crystals. Devices were fabricated from the LiZnP and LiZnAs crystals. Resistivity of devices were determined within the range of 10⁶ – 10¹¹ Ω cm. Charge carrier mobility and mean free drift time products were characterized for electrons at 8.0 x 10⁻⁴ cm² V⁻¹ ± 4.8% and 9.1 x 10⁻⁴ cm² V⁻¹ ± 4.4% for LiZnP and LiZnAs respectively. Sensitivity to 337 nm laser light (3.68 eV photons) was observed, where an absorption coefficient of 0.147 mm⁻¹ was determined for LiZnAs devices. Thermal neutron sensitivity was evaluated with unpurified and purified LiZnP and LiZnAs devices. Sensitivity was observed, however material quality and crystalline quality significantly hindered device performance.

Le but principal de ce projet est de préparer l’implantation clinique du système Clarity qui utilise une sonde ultrasonore pour visualiser l’anatomie interne du patient. Ce système est utilisé pour les cas de prostate et nécessite d’être adapté pour les cas de poumon. L’utilité de ce système est de suivre un substitut afin d’inférer la position d’une tumeur pulmonaire. L’hypothèse de cette étude est qu’un substitut interne serait mieux corrélé avec une tumeur pulmonaire que le seraient des marqueurs externes. Les sous-objectifs sont : 1) aborder l’adaptation du montage pour faire des acquisitions sur des patients ; 2) explorer la performance des algorithmes de détection de mouvements ainsi que des métriques de qualité d’image sur des images US et ciné IRM; 3) démontrer que la corrélation entre un substitut interne et une structure pulmonaire est plus grande que celle avec un substitut externe. Pour les acquisitions d’images US, la sonde est placée sur les volontaires et fixée à la table de traitement à l’aide d’un bras mécanique. Il a été démontré qu’une pression insuffisante peut causer une perte de signal dû à la forme curviligne de la sonde. La diminution de la moyenne des intensités de l’image et de l’écart-type confirme une perte de signal lors d’amplitudes respiratoires élevées justifiée par une perte de contact entre la sonde et la peau malgré la fixation de la sonde. Entre les algorithmes de corrélation croisée normalisée (NCC), d’erreur moyenne quadratique (RMS) et de flux optique, la méthode NCC semble la plus robuste pour suivre le substitut interne (structure dans le foie) dans les images IRM pour 5/9 volontaires sains ( = 0, 050). Cette méthode est utilisé présentement pour les cas de prostate. Le flux optique s’est montré plus efficace pour des cas spécifiques ce qui démontre l’intérêt d’adapter l’algorithme pour les cas de poumons. Enfin, il a été démontré sur les images IRM qu’un substitut interne au niveau du foie est plus efficace pour la majorité des volontaires (8/9) en comparaison avec un marqueur sur la peau placé dans la région abdominale. Le marqueur abdominal possède une meilleure corrélation qu’un marqueur thoracique (9/9) illustrant l’importance du positionnement d’un marqueur externe pour le suivi d’une tumeur pulmonaire. / The main objective of this thesis is to prepare the clinical implementation of the Clarity ultrasound system for indirect lung tumours tracking using a surrogate. It is currently used for motion management during prostate treatments and requires adaptation. Our hypothesis is that an internal marker would have a better correlation with the tumour’s position than an external surrogate. The sub-objectives are : 1) test different setups for the image acquisition on patients ; 2) explore the algorithms’ performance for motion detection as well as the image quality metrics on US and dynamic MRI images ; 3) evaluate the correlation between surrogates and a lung structure to determine which performs best. The ultrasound probe is fixed on the treatment couch for the acquisition on healthy volunteers using a mechanical arm. Low pressure on the patient’s skin results in a loss of signal due to the curvilinear shape of the probe. We observed a loss of contact between the probe and the volunteers’ skin due to ample movements causing a deterioration of the image quality. We tested three different motion detection algorithms on dynamic MRI images : normalized cross-correlation (NCC), root mean square error (RMS) and optical flow. The NCC algorithm is the most robust out of the three for 5/9 volunteers for the internal surrogate tracking ( < 0.050). In specific cases, the optical flow method performed better indicating an interest in developping a new algorithm for indirect lung tracking. Finally, the correlation between the surrogates and a lung structure were calculated using the MRI images. The internal surrogate inside the liver was proven more efficient for indirect lung tumour tracking for 8/9 volunteers. External markers give a greater prediction error. It has also been shown that the positioning of the external marker on the patient’s skin impacts the correlation. The abdominal marker is better than the thoracic one for all the volunteers.