- / The basic aim was to briefly present a method for implementing an effective IVD program i.e., a program which would produce the maximum results in the minimum time with the minimum effort. In this work the response of a commercially available diode dosimetry system was studied for two energy qualities, 6MV and 15 MV. Diodes were calibrated against ionization chambers. Signal stability post-irradiation, intrinsic precision, linearity of response with dose and dose decrease under the diode were studied. For each beam energy the response of the diode relative to the given dose as measured by an ionization chamber was evaluated. Diode was calibrated for every energy to give entrance dose, exit dose and eventually the midline dose. Entrance and exit correction factors for field size, tray, source to skin distance, angle and wedge were determined. It was found that diode response i.e. diode reading per cGy of given dose varies significantly with treatment beam set-up. Finally the effects of dose rate, temperature and accumulated dose on the diode’s response were studied.

In the current study, we present measurements of peripheral dose that is absorbed by specific radio-sensitive organs outside the radiation field for five clinical cases, and compare them with the corresponding values that are given by ISIS 3D Treatment Planning System, as well as with the values given by a software that can calculate peripheral doses called ‘Peridose’. The measurements were made with MOSFET dosimeters in anthropomorphic phantom. / Στην παρούσα εργασία, παρουσιάζουμε μετρήσεις της περιφερειακής δόσης που απορροφάται από συγκεκριμένα ακτινευαίσθητα όργανα εκτός του πεδίου ακτινοβόλησης για πέντε κλινικές περιπτώσεις, και τις συγκρίνουμε με τις αντίστοιχες τιμές που δίνονται από το ISIS 3D Treatment Planning System καθώς και από τις τιμές που δίνει ένα πρόγραμμα το οποίο μπορεί να υπολογίσει περιφερειακές δόσεις που λέγεται ‘Peridose’. Οι μετρήσεις έγιναν με δοσίμετρα MOSFET σε ανθρωπόμορφο ομοίωμα.

Δοσιμετρία είναι ο κλάδος της επιστήμης που ασχολείται με τις μετρήσεις ιοντιζουσών ακτινοβολιών, με σκοπό την ποσοτική έκφραση της σχέσης μεταξύ των χαρακτηριστικών ενός πεδίου ακτινοβόλησης και του αποτελέσματος της ακτινοβόλησης ενός συστήματος. Η δοσιμετρία συνεισφέρει σημαντικά σε όσες επιστήμες κάνουν χρήση ιοντιζουσών ακτινοβολιών, και ιδιαίτερα στο χώρο της Ιατρικής, απ’ όπου και πρωτοξεκίνησε η εφαρμογή της. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι δοσιμετρίας, και φυσικά, πολλά διαφορετικά είδη δοσιμέτρων. Στη συγκεκριμένη εργασία θα ασχοληθούμε αποκλειστικά με τη δοσιμετρία θερμοφωταύγειας. Το φαινόμενο της θερμοφωταύγειας βρίσκει πρακτική εφαρμογή στη δοσιμετρία ιοντιζουσών ακτινοβολιών με τη συλλογή των οπτικών φωτονίων που εκπέμπονται κατά την αποδιέγερση του θερμοφωταυγάζοντος υλικού, που χρησιμοποιείται. Η μέθοδος της θερμοφωταύγειας αποτελεί την πιο αξιόπιστη μέθοδο για την μέτρηση δόσεων ακτινοβολίας από ιατρικές εξετάσεις. Οι εφαρμογές της δοσιμετρίας θερμοφωταύγειας στην Ιατρική αφορούν κυρίως μετρήσεις της απορροφούμενης δόσεως στην Ακτινοθεραπεία και την Ακτινοδιαγνωστική, ενώ εφαρμόζεται σε μικρότερο βαθμό και στην Πυρηνική Ιατρική. Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η μέτρηση δόσεων ασθενών, που υποβάλλονται σε ακτινοδιαγνωστικές εξετάσεις, με τη βοήθεια κρυστάλλων θερμοφωταύγειας. Στην Ακτινοδιαγνωστική, η ανάγκη της δοσιμέτρησης προκύπτει από τις επιταγές της Ακτινοπροστασίας, η οποία απαιτεί τη μικρότερη δυνατή δόση στον ασθενή και το προσωπικό, με την καλύτερη δυνατή ποιότητα απεικόνισης. Κι η ανάγκη αυτή γίνεται πιο επιτακτική, όταν οι ακτινοδιαγνωστικές εξετάσεις αφορούν νεογνά και μικρά παιδιά, καθώς και συγκεκριμένες ομάδες του πληθυσμού που χαρακτηρίζονται από υψηλό βαθμό ακτινοευαισθησίας. Πιο συγκεκριμένα, καλούμαστε να υπολογίσουμε την δόση που λαμβάνουν ασθενείς στον θυροειδή αδένα, όταν υποβάλλονται σε εξέταση οισοφαγογραφήματος που πραγματοποιούνται προκειμένου να ελεγχθεί η φυσιολογία και η λειτουργία του πεπτικού συστήματος. Παράλληλα, καλούμαστε να εκτιμήσουμε τον τυχόν κίνδυνο καρκινογένεσης, λόγω των στοχαστικών αποτελεσμάτων της ακτινοβολίας, έπειτα από συσχέτιση με την τιμή της απορροφούμενης δόσης που προκύπτει. / --

In recent years, small fields have come to play a key role in advanced radiotherapy, yet protocols to perform dosimetry under small field conditions are still in their infancy. In 2008, the IAEA and AAPM published a formalism [Med. Phys. 35, 5179-5186] recommending the use of point-dose correction factors. This thesis uses Monte Carlo simulations to demonstrate that the values of these correction factors depend strongly on both detector design and field size, as well as other variables such as detector off-axis position and detector azimuthal angle. Mass density is found to be the principal determinant of detector water non-equivalence. Furthermore, it is shown that it is possible to compensate for the mass-density of a detector cavity by incorporating additional components of contrasting mass-density into that detector’s design. For small cavities, such design modifications enable the detector’s small- to large- field response ratio to be matched to that of a “point-like” water-structure: ideal detector performance can be achieved across a variety of irradiation conditions. For existing commercial detectors, a Dose Area Product (DAP) formalism is also developed and shown to be much more robust than the point-dose correction factor approach. In conclusion, correction factor values for existing detector designs depend on a host of variables and their calculation typically relies on the use of time-intensive Monte Carlo methods. This thesis indicates that future moves towards density-compensated detector designs or DAP-based protocols can simplify the methodology of small field dosimetry.

Στόχος τη ακτινοθεραπείας είναι η χορήγηση της θεραπευτικής δόσης με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια. Αυτό συνεπάγεται τον σωστό καθορισμό της ακτινοβολούμενης περιοχής καθώς και την ακριβή εναπόθεση της δόσης. Αυτή η διπλωματική εργασία ασχολείται με την προσπάθεια για ακριβή υπολογισμό και εναπόθεση της δόσης για πεδία ακτινοβόλησης τα όποια είναι μικρότερα από 5x5cm. Όταν το μέγεθος του πεδίου μικρύνει τότε η μέτρηση και ο υπολογισμός της δόσης με κλασικές μεθόδους δε είναι πλέον ακριβείς καθώς παράγοντες όπως η πλευρική ηλεκτρονική ισορροπία, το μέγεθος και είδος του ανιχνευτή καθώς και το μέγεθος της πηγής που είναι ορατό από κάθε σημείο, πρέπει να ληφθούν υπόψη. Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Mephysto για να μετρήσουμε την πραγματική δόση που δίνει ο γραμμικός επιταχυντής της εταιρείας ELEKTA σε δέσμες φωτονίων ενέργειας 6 ΜV χρησιμοποιώντας έναν ανιχνευτή Pin Point της εταιρείας PTW. Στη συνέχεια συγκρίθηκαν αυτά τα αποτελέσματα (προφίλ δόσης, κατά βάθος δόση PDD) με τα αποτελέσματα που δοθήκαν από το υπολογιστικό σύστημα σχεδιασμού θεραπειών (Treatment Planning System) Oncentra Master Plan της εταιρείας Nucletron. Παρατηρήθηκε απόκλιση μεταξύ αυτών των δυο μεθόδων ελαφρώς μικρότερη του 3%. Αυτή η απόκλιση οφείλεται στο ότι ο εικονικός γραμμικός επιταχυντής που έχει δημιουργηθεί στο σύστημα Oncentra Master Plan για τον υπολογισμό της δόσης, δημιουργήθηκε ώστε να αποδίδει πλησιέστερα αποτελέσματα σε αυτά του ELEKTA για πεδία ακτινοβόλησης που έχουν μεγάλη κλινική χρήση (5 έως 15 cm αν διάσταση). Όταν όμως τα πεδία μικρύνουν (κάτω από 5cm αν διάσταση) τότε έχουμε απόκλιση από της πραγματικές τιμές. Αλλάζοντας το φαινομενικό μέγεθος της πηγής στο Oncentra Master Plan καταφέραμε να φέρουμε τους υπολογισμούς από το Oncentra Master Plan πάρα πολύ κοντά στις μετρήσεις του Mephysto. Δημιουργήθηκε έτσι ένα νέο εικονικό μηχάνημα στη βάση δεδομένων του Oncentra Master Plan με το όνομα Sli Patras SRS, οι παράμετροι του οποίου (φαινομενικό μέγεθος πηγής) έχουν βελτιστοποιηθεί για ακριβέστερους υπολογισμούς δόσης για μικρά πεδία. Με αυτό το μηχάνημα καταφέρθηκε ακριβέστερος υπολογισμός της δόσης, με αποκλίσεις μικρότερες από 1.5%, για μικρά πεδία, σε σύγκριση με το προηγούμενο μηχάνημα Sli Patra. Το νέο αυτό μηχάνημα επιτρέπει ακριβέστερους υπολογισμούς για μικρά πεδία και έχει πλέον υιοθετηθεί και χρησιμοποιείται στην κλινική ρουτίνα στο Π.Γ.Ν. Πατρών. / Small field dosimetry in sterotactic cancer radiation therapy.

Ο βασικός στόχος αυτής της εργασίας είναι η μελέτη της θεωρητικής συμπεριφοράς και τα πλεονεκτήματα της γενικευμένης βάθμωσης δόσης-απόκρισης, καθώς και η έρευνα για τη χρησιμότητα της γενικευμένης βάθμωσης δόσης-απόκρισης σε πρακτικά ακτινοβιολογικά πλάνα θεραπείας μέσω χρήσης της πλατφόρμας RayStation. Τέλος, θα διερευνηθεί η επίδραση της αρχιτεκτονικής του οργάνου (παράλληλη / σειριακή). Βασικό υλικό της μελέτης μας ήταν το λογισμικό για το σχεδιασμό πλάνων θεραπείας RAYSTATION 1.9, που αναπτύχθηκε και σχεδιάστηκε από τη RAYSEARCH LABORATORIES AB, Στοκχόλμη, Σουηδία. Εκτός από αυτό, κάναμε εκτεταμένη χρήση βασικών θεωρητικών τύπων που σχετίζονται με τον υπολογισμό του TCP, NTCP, P + και του γ(D) καθώς και με την ακτινοβιολογικά μοντέλα. Σε ό, τι αφορά τις μεθόδους της μελέτης αυτής, πρώτον υπολογίσαμε θεωρητικά το γ(D) για TCP και NTCP αντίστοιχα, για την ετερογενή κατανομή της δόσης σε διαφορετικά μεγέθη, προκειμένου να επαληθεύσουμε τους υπολογισμούς του RAYSTATION για TCP και NTCP. Επιπλέον, έχουμε δημιουργήσει ένα πλάνο θεραπείας με το όργανο-στόχος και τα όργανα που βρίσκονται σε κίνδυνο να βρίσκονται στην ίδια περιοχή ενδιαφέροντος, προκειμένου να ελέγξουμε την εγκυρότητα του συστήματος για την συνάρτηση P + καθώς και των γενικευμένων γ(D). Επιπλέον, έχουμε θέσει μια σειρά από διαφορετικά πλάνα θεραπείας με το όργανο-στόχος και τα όργανα σε κίνδυνο σε διαφορετικές περιοχές ενδιαφέροντος όπου αυξήσαμε τη μέση δόση, προκειμένου να διερευνήσουμε τη συμπεριφορά του ΔP(μεταβολή απόκρισης) και του γ(D), πριν και μετά την αλλαγή της δοσολογίας. Επίσης υπολογίσαμε θεωρητικά τις ποσότητες αυτές, προκειμένου να εξακριβωθεί η εγκυρότητα των θεωρητικών εκφράσεων συγκρίνοντας τες με τις τιμές που το σύστημα παρήγε σε μας. Τέλος, προσπαθήσαμε να διερευνήσουμε τη συμπεριφορά της ποσότητας ΔP υπολογίζοντας το σχετικό σφάλμα μεταξύ της πραγματικής και την κατά προσέγγιση τιμής χρησιμοποιώντας το Poisson και το Probit μοντέλο, για την περίπτωση όπου έχουμε ένα όργανο-στόχος το οποίο αποτελείται από δύο τμήματα σε παράλληλη αρχιτεκτονική και με τον ίδιο αριθμό κλώνων. Όσον αφορά τα αποτελέσματά μας, πρώτα απ 'όλα, επαληθεύσαμε θεωρητικά τους υπολογισμούς του RAYSTATION για τo γενικευμένο γ(D) και την αντικειμενική συνάρτηση με τη χρήση ενός ανεξάρτητου τρόπου υπολογισμών. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι μετά από μια μικρή μεταβολή (αύξηση) της δόσης, το όργανο που έχει επηρεαστεί περισσότερο, είναι το όργανο με το υψηλότερο γενικευμένο γ(D). Εκτός από αυτό, ελέγχθηκε η εγκυρότητα των θεωρητικών εκφράσεων σχετικά με τον υπολογισμό της μεταβολής της απόκρισης και του γενικευμένου γ(D), αλλά μόνο για την περίπτωση μικρής μεταβολής της δόσης. Ειδικά για την περίπτωση του 50% TCP και NTCP, οι θεωρητικές τιμές που το σύστημα παρέχει εμφανίζουν μεγάλη προσέγγιση με τις πειραματικές, γεγονός που αποδεικνύει τη μεγάλη σημασία του D50 μοντέλου στο προσδιορισμό των κλινικών επιπέδων απόκρισης. Τέλος, όσον αφορά το τελευταίο μέρος των υπολογισμών μας, μπορούμε εύκολα να πούμε ότι η συμπεριφορά της ΔPapprox εμφανίζεται λογική, διότι, για τα δύο μοντέλα που χρησιμοποιήσαμε, πλησιάζει σημαντικά την πραγματική ΔP γύρω από την περιοχή του 50% ή 37%, όπως και αναμέναμε. Επαληθεύσαμε σε αρκετά ικανοποιητικό επίπεδο κάποιες βασικές θεωρητικές προσεγγίσεις για την κλίση δόσης-απόκρισης σχετικά με τη μη ομοιόμορφη κατανομή δόσης μέσω της πλατφόρμας RayStation αλλά το πιο σημαντικό πράγμα είναι το γεγονός ότι η χρησιμότητα της των γενικευμένης βάθμωσης δόσης-απόκρισης είναι εξαιρετικά σημαντική, διότι δίνει στο σχεδιαστή των πλάνων θεραπείας τη δυνατότητα να ερευνήσει ακριβώς το όργανο το οποίο, θα επηρεαστεί περισσότερο μετά από μια μικρή αύξηση της δόσης και ως εκ τούτου θα είναι σε θέση να βελτιστοποιήσει το πλάνο για αύξηση ελέγχου του όγκου αλλά και ελαχιστοποίηση επιπλοκών των υγειών ιστών. / The basic aim of that work is the study of the theoretical behavior and merits of the Generalized Dose-Response gradient as well as the investigation of the usefulness of the generalized dose response gradient in practical radiobiological treatment planning through the use of RayStation. Last but not least, it will be investigated the influence of the organ architecture(parallel/serial). Basic material of our study was the treatment planning platform RAYSTATION 1.9 that was developed and designed by RAYSEARCH LABORATORIES AB,STOCKHOLM,SWEDEN. Except for that ,we made extensive use of basic theoretical formulas that are related to the calculation of TCP, NTCP, P+ and Generalized Gamma as well as to the radiobiological models. As far as the methods of that study are concerned, firstly we calculated theoretically the Generalized Gamma for TCP and NTCP respectively, for heterogeneous dose distribution to different volumes in order to verify RAYSTATION computations for TCP and NTCP. Furthermore, we set a treatment plan with the target organ and the organs at risk in the same ROI in order to check the validity of the system concerning the objective function P+ and the Generalized Gamma. Moreover ,we set a number of different treatment plans with the target organ and the organs at risk in different ROIs and we increased the mean dose in order to investigate the behavior of change in response and that of γ(D) ,before and after the change in dose and to calculate theoretically these quantities, in order to verify the validity of the theoretical expressions by comparing them with the values that the system is providing to us. Finally, we tried to investigate the behavior of ΔP by calculating the relative error between the real and the approximate value using the Poisson and the Probit model, for the case of having a target organ consisting of two compartments in a parallel architecture and with the same number of clonogens. Concerning our results, first of all, we verified theoretically the computations of the RAYSTATION about the Generalized Gamma and the objective function by using an independent way of calculations. Furthermore, we proved that after a small change (increase) in dose ,the organ that is being affected most ,is the organ with the highest Generalized Gamma. Except for that, we verified the validity of the theoretical expressions concerning the calculation of the change in response and that of Generalized Gamma but only for the case of small change in dose. Especially for the case of 50% TCP and NTCP, the theoretical and the values that the system is providing appear great approximation, a fact that proves the high importance of D50 model in specifying clinical response levels. Finally, concerning the last part of our calculations, we easily can say that the behavior of ΔPapprox looks sensible because, for both models that we used, it approaches significantly the real ΔP around the region of 50% or 37% response, as we were expecting. We verified in a quite satisfying level some basic theoretical approaches for dose-response gradient concerning the non-uniform dose delivery through the RayStation platform but the most important thing is the fact that the usefulness of the of the Generalized Dose response gradient is extremely important because it gives to the planner the opportunity to investigate precisely which organ, from the normal tissues will be affected most after a small increase in dose and as a result he will be able to optimize the plan for higher tumor control and lowest normal tissue complications. *This work had been done in collaboration with the Division of Medical Radiation Physics, Department of Oncology-Pathology, Karolinska Institute, Stockholm, Sweden

Le cancer de la prostate est le cancer le plus fréquemment diagnostiqué en France chaque année. Il est responsable d’environ 10 % des morts liées au cancer. Les principaux traitements sont la chirurgie et la radiothérapie. Cette dernière concerne environ 60 % à 70 % des patients pris en charge en oncologie. La radiothérapie consiste à délivrer la dose la plus élevée possible à une cible tumorale, via des rayonnements ionisants, tout en limitant au maximum la dose délivrée aux tissus sains et organes à risque (OAR) environnants. Cette pratique requiert un contrôle sans faille de la dose délivrée au patient car une déviation de la prescription médicale peut réduire l’efficacité du traitement des volumes tumoraux. Elle peut également avoir des conséquences graves sur le patient dues à l’irradiation excessive des tissus sains. Un moyen pour évaluer de façon précise la dose délivrée est de simuler l’interaction rayonnement matière à l’intérieur du patient par simulation Monte-Carlo (SMC). Ceci exige une capacité de calcul importante notamment pour simuler les milliards de particules nécessaires à l’évaluation de la dosimétrie. Le temps nécessaire pour obtenir un résultat satisfaisant peut varier de quelques heures à plusieurs jours. Dans ce contexte, le moteur de simulation Monte-Carlo GGEMS (GPU GEant4-based Monte-Carlo Simulation), basé sur l’utilisation de cartes graphiques (GPUs), a pu être développé. Les effets physiques modélisés se basent sur le code Monte-Carlo générique Geant4 réputé et validé. Ce logiciel tient compte de différents types de simulations comme la radiothérapie externe ou les techniques de curiethérapie bas débit et haut débit de dose. Ces exemples ont nécessité la modélisation précise et l’utilisation de plusieurs types de géométries comme des volumes voxélisés, analytiques ou maillés. Concernant la radiothérapie, il n'existait pas de code Monte-Carlo utilisant les architectures GPUs prenant en considération l'ensemble de l'appareil de traitement. Dans ce contexte, nous avons développé un modèle de source paramétrée reproduisant scrupuleusement le faisceau d'émission et permettant une utilisation sur GPU. Nous avons modélisé analytiquement les géométries des mâchoires. Le collimateur multi-lames est quant à lui formé par un ensemble de triangles (maillage). La navigation des électrons dans un volume voxélisé a également été développée. Nous avons utilisé comme exemple l'accélérateur Novalis TrueBeam® Stx. Nous pouvons ainsi effectuer des simulations Monte-Carlo reproduisant fidèlement cet accélérateur linéaire. L’ensemble de l’appareil a été validé à l’aide de comparaisons avec des mesures expérimentales ou avec des simulations Monte-Carlo de référence. Finalement, nous avons développé une plateforme de simulation Monte-Carlo utilisant les architectures GPUs pour des applications de curiethérapie et de radiothérapie externe. Cette plateforme comprend la navigation des photons et des électrons. Elle gère également les volumes voxélisés, analytiques (cylindre, pavé) et maillés. Les sources d'émission des particules sont modélisées pour reproduire fidèlement leur modèle de référence. Les facteurs d'accélération par rapport à Geant4 sont compris entre 40 et 568 selon l'application. Des applications de GGEMS dans des conditions cliniques, notamment en curiethérapie, sont la prochaine étape du développement. / Prostate cancer is the most frequently diagnosed cancer in France each year. It is responsible for about 10% of deaths related to cancer. The main treatments are surgery and radiation therapy. The latter concerns about 60 % to 70 % of patients treated in oncology. The aim of radiation therapy is to deliver the highest possible dose to the tumor target, via ionizing radiation, while minimizing the dose delivered to surrounding healthy tissues and organs at risk (OAR). This practice requires a flawless dose control for patient safety as far as a deviation from the medical prescription could reduce treatment efficiency This could also lead to an excessive irradiation of healthy tissues and cause serious damage to the patient. A way to evaluate the dose delivered to the patient is to track particles in the matter using Monte Carlo simulations (MCS). This requires a large computation time specially to simulate billion of particles and to evaluate the associated dosimetry. The time required to obtain a satisfactory result may vary from hours to days. In this context, the Monte Carlo simulation engine GGEMS (GPU Geant4-based Monte Carlo Simulation), based on the use of graphics cards (GPUs), has been developed. Physics effects are based on the generic and validated Monte Carlo code Geant4. This software is able to handle various types of simulations such as external beam radiation therapy and low dose rate or high dose rate brachytherapy. These examples need an accurate modelling and the use of several types of geometries such as for voxelised, analytical or meshed volumes. We analytically modeled jaw geometries. The multi-leaf collimator was formed by a set of triangles (mesh). Electron navigation in a voxelised volume was also developed. We used the example of the Novalis TrueBeam® Stx accelerator. We can then perform Monte Carlo simulations reproducing the linear accelerator. The entire device was validated using comparisons with experimental measurements or with Monte Carlo simulations from Geant4 Finally, we have developed a Monte Carlo simulation platform using GPU architectures for applications of brachytherapy and external beam radiotherapy. This platform includes photons and electrons navigation. It also manages voxelised, analytical (cylinder, cube) and mesh volumes. The particle emission sources are modelled to accurately reproduce their reference model. The acceleration factors from Geant4 are between 40 and 568 depending on the application. GGEMS Applications under clinical conditions, including brachytherapy, are the next development step.

Le cancer est une des premières causes de mortalité dans le monde. Avec la chirurgie, la radiothérapie est une des thérapies curatrices essentielles en cancérologie. Elle consiste à utiliser les propriétés des rayonnements ionisants pour induire la mort des cellules cancéreuses. Néanmoins, du fait de la radiorésistance d’un certain nombre de tumeurs, nécessitant des doses délivrées intolérables pour les tissus sains environnants, de nombreux développements sont en cours pour limiter la dose délivrée et augmenter la radiosensibilité des tumeurs actuellement radio-résistantes. Parmi les stratégies envisagées, l’utilisation de nanoparticules théranostiques inorganiques ouvre des perspectives très intéressantes car il deviendrait possible de faire parvenir en quantité suffisante ces nanoparticules dans une tumeur après injection intraveineuse. Au sein du Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, les physico-chimistes ont développé des nanoparticules inorganiques d’un diamètre inférieur à 5 nm, permettant leur injection intraveineuse et leur élimination urinaire. Notre travail de thèse a porté sur la validation préclinique de deux types de nanoparticules (1- à coeur d’oxyde de gadolinium ; 2- nanoparticules d’or) en tant qu’agents radiosensibilisants permettant d’augmenter l’effet de la radiothérapie externe par rayons X sur divers types de tumeurs radio-résistantes : le gliosarcome, le carcinome épidermoïde du larynx et l’ostéosarcome. Les résultats obtenus aussi bien pour les nanoparticules d’oxyde de gadolinium que pour les nanoparticules d’or sont très prometteurs et laissent entrevoir un potentiel d’application en tant qu’agents de thérapie guidée par l’imagerie. / Cancer is a leading cause of death worldwide. With surgery, radiation therapy is an essential to cure tumors. Radiotherapy consists in using the properties of ionizing radiations to induce cancer cell death. However, because of the radioresistance of some tumors, requiring unacceptable dose delivered to surrounding healthy tissue, many developments are underway to limit the dose and increase the radiosensitivity of radio-resistant tumors. Among the proposed strategies, the use of inorganic theranostic nanoparticles opens very interesting perspectives since it should be possible to target sufficient nanoparticles into the tumor of interest following an intravenous injection. In the Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, chemists have developed inorganic nanoparticles with diameters below 5 nm, allowing their intravenous injection and urinary excretion. Our thesis has focused on the preclinical validation of two types of nanoparticles (1- based on gadolinium oxide, 2- based on gold) as radiosensitizing agents to increase the effect of external beam X-ray radiation on various types of radioresistant tumors : gliosarcoma, squamous cell carcinoma of the larynx and osteosarcoma. The results for both gadolinium oxide nanoparticles and gold nanoparticles are very promising and open the way for potential applications for imaging-guided therapy.

Les changements anatomiques des patients au cours du traitement de radiothérapie peuvent engendrer des conséquences dosimétriques significatives sur les volumes cibles (VC) ou les organes à risques (OARs). Le processus de radiothérapie adaptative peut compenser ces variations, cependant son déploiement en clinique est ralentit par une charge de travail supplémentaire considérable pour les équipes médicales et aucun logiciel n'est disponible pour une utilisation en clinique. Nous avons développé un outil d'alerte dosimétrique in vivo simple permettant d'identifier rapidement les situations où une adaptation de traitement est requise pour un patient. L'évaluation dosimétrique des traitements délivrés a été réalisée sur l'imagerie embarquée 3D (CBCT) dont la précision des calculs de dose a dû être évaluée. L'outil d'alerte permet de s'affranchir d'une nouvelle délinéation de volumes d'intérêt et est basé sur des critères objectifs et quantifiables constitués par le dépassement des limites dosimétriques définies pour chacun des volumes considérés. La précision et la détectabilité de l'outil ont été validées puis il a été appliqué dans une étude rétrospective de 10 patients ORL afin de surveiller l'administration du traitement et d'identifier les patients pour lesquels une adaptation du traitement aurait pu être envisagée. Dans son implémentation clinique, le processus de radiothérapie adaptative requiert des algorithmes de recalage déformable capable de suivre les déformations locales d'un patient se produisant au cours du traitement, seulement leur utilisation n'est pas encore validée. Nous avons procédé à l'évaluation de la précision d'un algorithme de recalage déformable, de type Block Matching présentant l'avantage d'être adapté à l'imagerie multimodale CT/CBCT, en comparaison par rapport à un algorithme de recalage rigide. Une étude a été menée pour 10 patients ORL en se basant sur la comparaison de contours de volumes d'intérêt pour 76 CBCT. Les paramètres de similarité utilisés consistaient en l'Indice de Similarité Dice, la distance de Hausdorff robuste (en mm) et la différence de volume absolu (en cm3) / Changing anatomy during radiotherapy can lead to significant dosimetric consequences for organs at risk (OARs) and/or target volumes. Adaptive radiotherapy can compensate for these variations however its deployment for clinical work is hampered by the increased workload for the medical staff and there is still no commercialized software available for clinical use. We developed a simple in vivo dosimetric alert tool allowing rapid identification of patients who might benefit from an adaptive radiotherapy. Dosimetric evaluation of delivered treatment has been conducted onto 3D on board imaging (CBCT) whose dose calculation accuracy has been evaluated. The tool does not require a new volume of interest delineation. Tool alert is based on objectives and quantifiable criteria defined by the exceeding volumes of interest dose thresholds. Tool precision and detectability have been validated and applied in a retrospective study on 10 head and neck patients. The tool allows detecting patients where an adaptive treatment could have been considered. In its clinical implementation, adaptive radiotherapy process requires deformable matching algorithms to follow patient local's deformations occurring during treatment. Nevertheless, their use has not been validated. We conducted an evaluation of the Block Matching deformable algorithm, suitable for multimodality imaging (CT/CBCT), in comparison to rigid algorithm. A study has been conducted for 10 head and neck patients based on volume of interest contours comparison for 76 CBCT. Similarity parameters used consisted on Dice Similarity Index, Robust Hausdorff Distance (in mm) and the absolute volume difference (in cc)

La radiothérapie externe représente une part importante du traitement conservateur du sein. Le calendrier classique consiste à délivrer une dose totale de 50 Gy en 25 fractions sur 5 semaines. Pour certaines catégories de femmes, une radiothérapie de 5 à 6 semaines, avec des transports longs et fréquents est parfois difficile à réaliser. La radiothérapie peropératoire (RIOP) permet de prévenir le risque de récidive locale dans le lit tumoral, et ne nécessite que quelques jours d’hospitalisation. Cette étude se concentre sur l’utilisation d'une source de rayons X miniaturisée de faible énergie (50kV). Après résection chirurgicale de la tumeur, un applicateur est inséré dans le lit tumoral et le système délivre une dose unique de 20 Gy à sa surface. Cependant, il n'y a pas de prescription personnalisée ni d'information sur la dose délivrée et ce point est contestable, car un texte officiel recommande une optimisation de la dose individuelle. Dans ce contexte, un calcul Monte Carlo permet d'évaluer avec précision la dose délivrée à la patiente en simulant le transport des particules. Cette thèse propose d'évaluer ce critère de dose absorbée le plus justement possible à partir d'une modélisation réaliste de la source de rayons X et de calculs de dose individuels à l'aide de simulations de Monte Carlo en prenant en compte les hétérogénéités tissulaires du sein. Des mesures dosimétriques in vivo viennent également confirmer les résultats de simulations. / External radiation therapy is an important part of breast conservative treatment. The conventional calendar is to deliver a total dose of 50 Gy in 25 fractions over 5 weeks. For certain categories of women, 5 to 6 weeks of radiotherapy, with long and frequent transport is sometimes difficult to achieve. Intra-operative radiotherapy (IORT) helps to prevent the risk of local recurrence in the tumor bed, and only requires a few days of hospitalization. This study focuses on the use of a miniaturized low energy X-ray source (50kV). After surgical resection of the tumor, an applicator is inserted into the tumor bed and the system delivers a single dose of 20 Gy on its surface. However, there is no custom prescription and this is questionable since an official text recommends optimizing the individual dose. In this context, a Monte Carlo calculation makes it possible to accurately assess the dose delivered to the patient by simulating the transport of particles. This thesis proposes to assess the absorbed dose criterion as accurately as possible from a realistic model of the X-ray source and individual dose calculations using Monte Carlo simulations taking into account the tissue heterogeneities of the breast. In vivo dosimetric measurements also confirm the results of simulations.