Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της δυναμικής σύμμορφης ακτινοθεραπείας με χρήση φυσικών διαμορφωτών δέσμης. Η δυναμική διαμόρφωση δέσμης επιτυγχάνεται με δύο ειδών φυσικούς διαμορφωτές δέσμης: τους προστατευτές, που είναι αντίγραφα σε σμίκρυνση του υπό προστασία οργάνου, κατασκευασμένα από υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, και διατηρούν διεύθυνση παράλληλη σε αυτό κατά την περιστροφή, και τους διαμορφωτές, που τοποθετούνται και στις δύο πλευρές του προστατευτή εξασφαλίζοντας ομοιόμορφη δόση στην περιοχή του όγκου. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τις βέλτιστες διαστάσεις και τις ακριβείς θέσεις των διαμορφωτών κατά τη διάρκεια της περιστροφής της ακτινογραφικής κεφαλής με βάση τις αρχές που διέπουν την κίνησή τους. Παράλληλα αναπτύχθηκε ένα εργαλείο λογισμικού, που ενσωματώνει το μαθηματικό υπόβαθρο και διευκολύνει την εισαγωγή των παραμέτρων θέσης και σύστασης των διαμορφωτών δέσμης. Το εργαλείο λογισμικού ενσωματώθηκε στον προσομοιωτή θεραπείας ακτινοβολίας Monte Carlo (MCRTS), που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της διάδοσης της ακτινοβολίας στη γεωμετρία του σχεδιασμένου συστήματος. Πραγματοποιήθηκαν μελέτες προσομοίωσης για την αποτελεσματικότητα της φυσικής διαμόρφωσης δέσμης στην περίπτωση όγκων στη περιοχή της κεφαλής και του αυχένα, βασισμένες σε γεωμετρική περιγραφή είτε με αναλυτικά αντικείμενα, είτε με στοιχειώδεις όγκους. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση των διαμορφωτών στην τροποποίηση της κατανομής δόσης στις περιοχές που περιβάλλουν την προστατευμένη περιοχή. Οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι η περιστροφική θεραπεία με διαμόρφωση δέσμης προσφέρει την επαρκή προστασία και ομοιόμορφη κατανομή δόσεων έξω από την προστατευμένη περιοχή. Προσομοιώσεις που χρησιμοποίησαν διαμορφωτές διαφορετικών υλικών οδήγησαν σε παρόμοιες κατανομές δόσεων. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων του προστατευτή στη κατανομή δόσης στην περιστροφική θεραπεία. Εξετάστηκε η επίδραση μιας σειράς υλικών, που συνήθως χρησιμοποιούνται για προστασία στην ακτινοθεραπεία, καθώς επίσης και η επίδραση μερικών νέων μέταλλο-πολυμερών σύνθετων υλικών. Τα μέταλλο-πολυμερή σύνθετα παρέχουν προστασία στα ζωτικής σημασίας όργανα, συγκρίσιμη με αυτή του μολύβδου, εάν η πυκνότητα τους είναι υψηλή. Η τεχνική που μελετήθηκε έδωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα από άποψη κατανομής δόσης και σχέσης κόστους-αποτελέσματος. / This doctoral thesis addresses dynamic intensity modulation by means of physical beam modifiers. The principles of gravity-oriented devices were generalized and extended, preserving principles of a beam shaping, but introducing motor-driven “patient-oriented” beam modifying devices. Beam modifying devices were divided in two categories: protectors and shapers. The protectors are diminished copies of the Organs At Risk (OARs) and stay parallel to them during gantry rotation, keeping them in the attenuated field for every gantry angle. Shapers are placed at the both sides of the protector to ensure uniform dose in the Planning Target Volume (PTV). Mathematical formalism for calculations of the dimensions and the initial coordinates of the beam modifying devices was developed as well as the laws of their motion during gantry rotation were derived. A software tool, incorporating the mathematical background, with user interface to facilitate the introduction of the input parameters was created. The software module was subsequently integrated into a Monte Carlo Radiation Therapy Simulator (MCRTS), used to simulate particle transport through the designed system. Simulation studies of field shaping in rotational therapy by means of beam modifying devices were carried out. Dose distributions in solid-geometry and voxel-based neck models were evaluated. Furthermore, the effectiveness of the shapers to modify the dose distribution outside the protected area was studied. The results of simulation studies showed that rotational therapy with beam modifying devices offers adequate protection of the OAR and a uniform dose distribution outside the protected region. Studies using shapers of different materials were also carried out and resulted in similar dose distributions. Additionally, the effect of protector’s parameters on the dose distribution in rotational therapy was studied in the thesis. A range of materials, consisting of commonly used for protection in radiotherapy, as well as by some new metal-polymer composites was under investigation. The metal-polymer composites can rival the lead in the protection of vital organs if the density provided is high. The presented technique has showed promising results in terms of conformal dose delivery and can be a preferred choice in radiotherapy departments due to comprehensive and adequate protection of the OAR and uniform dose in PTV ensured as well as of its cost effectiveness.

Cette recherche s’inscrit dans le domaine de la gestion des risques et de la sécurité des patients, et vise à développer une méthode d’analyse de la fragilisation de l’activité pour faire face aux difficultés méthodologiques rencontrées par les centres de radiothérapie pour mener une analyse des risques encourus par les patients à partir de la méthode AMDEC. Cette thèse est une contribution empirique et théorique sur la « sécurité en réflexion » dans des espaces de discussion (régulation froide) que l’on distingue ici de la « sécurité en action » (régulation chaude). Ce travail cherche à déterminer de nouveaux liens entre la sécurité et la gestion des risques – relation éminemment connectée mais également chargée d’ambiguïtés – en donnant une place prépondérante à une étape méthodologique souvent délaissée, l’identification des risques. La sécurité des soins dépendant principalement des pratiques quotidiennes exercées par le personnel soignant, il s’agirait pour les analystes de faire le lien entre un risque générique facilement identifiable – par exemple, la surexposition des patients à des rayonnements ionisants – et sa construction, sa propagation dans le travail réel de l’équipe soignante. Cette recherche propose de travailler ce lien collectivement dans des « espaces de discussion » mobilisés classiquement par les sciences de gestion pour accompagner un changement ou pour améliorer la performance d’une organisation, et de les adapter pour identifier les risques à partir de l’analyse de la qualité du travail quotidien d’une équipe de radiothérapie. La thèse défendue dans ce travail est la suivante : la sécurité des patients dépend de la production de nouvelles connaissances 1) sur la complexité du travail de l’équipe soignante, 2) sur les modes de réussite mobilisés par les soignants pour résoudre ou contourner les complexités de leurs activités et 3) sur les conditions de fragilisation des modes de réussite. Autrement dit, la finalité de cette analyse des risques serait un recueil de données organisées sur ce qui se passe dans le travail et ce qui l’affecte. Ce recueil viserait à améliorer les informations détenues individuellement sur la complexité du travail collectif transverse, à mettre en visibilité des dimensions plus difficilement accessibles (politique, stratégique, organisationnelle, contextuelle…) et à faire des liens entre les complexités du travail et les risques encourus par les patients à partir d’un objet intermédiaire : les fragilisations des modes de réussite. L’objectif recherché de ces « Espaces de Partage et d’Exploration de la Complexité du Travail » (EPECT) est d’améliorer la connaissance individuelle et collective sur le développement des situations risquées dans le travail et de les partager dans l’équipe pour maximiser la sécurité réelle. La consolidation de l’étape d’identification des risques par une caractérisation et un partage de situations risquées dans le travail devrait améliorer le travail d’équipe et faciliter la maitrise des situations risquées. Le croisement de deux disciplines, l’ergonomie et la gestion des risques a permis d’enrichir les principes méthodologiques portés par chacune d’elle, des moyens de décrire des complexités de l’activité pour l’ergonomie et des situations risquées réelles pour l’ingénierie des risques. Au-delà de ces apports méthodologiques, l’ergonomie a été mobilisée pour élaborer progressivement de nouveaux principes méthodologiques à partir des limites réelles d’anciens principes méthodologiques et pour évaluer la méthode. Le nombre et « l’intensité » des difficultés méthodologiques rencontrées par les utilisateurs pourraient déterminer un lien faible ou fort entre la méthode de gestion des risques mobilisée et la sécurité des patients. Enfin, ce travail a été l’occasion de proposer une évolution du concept de sécurité réglée et de sécurité gérée et une nouvelle définition du risque. / This research is in the field of risk management and patient safety. It aims to develop a methodology for exploring the weakening of real work of a medical team and to cope with methodological difficulties encountered by radiotherapy centers when analyzing patients’ risks incurred the therapeutic process with FMEA method. This thesis is a theoretical and empirical contribution about "safety in reflection" in discussion spaces that is distinguished within "safety in action". This work seeks to identify a new link between safety and risk management by giving a predominant place to a methodological step often neglected: the risk identification. Safety of care depending mainly of day-to-day practices of caregivers, it would be for analysts to make the connection a generic risk (eg. overexposure of patients to radiation) and the construction, the spread in the real work of healthcare team. This research proposes to work this link collectively in discussion spaces classically mobilized by the sciences of management to accompany a change or improve the performance of the organization and to adapt them to identify risks in the daily work of a radiotherapy team. The thesis argues that patient safety depends on the production of a new knowledge: 1) on the complexity of the daily work of the healthcare team, 2) on success modes mobilized to reduce it and 3) on weakening conditions of these success modes. In other words, risk analysis will be a data collection about what is really happening in the daily work and what is affecting it. This data collection would seek to improve information held individually in relation to the complexity of the cross-functional collective work, to make visible dimensions that are difficult to access (politic, strategic, organization, context…) and to make links between complexity of work and risks incurred by patients. The aim of "spaces for sharing and exploring the complexity of work" is to improve individual and collective knowledge on the development of risky situations, to share them in the team in order to maximize the real safety. The interaction between ergonomics and risk management contribute to enrich methodological principles and revise theoretical notions.

La radiothérapie, qui représente un des traitements principaux des cancers, consiste à détruire les cellules tumorales par des radiations. Elle est délivrée sur plusieurs séances et nécessite une précision de plus en plus importante dans la localisation de la tumeur pour ne pas endommager les tissus sains avoisinants par des doses toujours plus élevées. Deux enjeux sont alors cruciaux : le positionnement quotidien du patient et le suivi de sa tumeur si celle-ci est mobile. Dans ce travail, nous abordons ces deux points en proposant tout d'abord un système de repositionnement précis et non irradiant. Ce système est composé de deux caméras temps de vol qui permettent une acquisition surfacique du patient à une fréquence pouvant atteindre les 50 Hz. Nous proposons ensuite une nouvelle approche de traitement prenant en compte les mouvements de la tumeur et des tissus sains tout en gardant à l'esprit que le temps de délivrance de traitement ne doit pas être trop augmenté. Nous combinons alors une irradiation par modulation d'intensité qui protège les tissus non tumoraux avec une irradiation délivrée sur une seule phase respiratoire. La nouveauté consiste ici à reproduire ce schéma sur plusieurs phases afin de stopper l'irradiation un minimum de temps par cycle respiratoire et donc d'achever la délivrance du traitement plus rapidement. Nous terminons par l'évaluation d'un modèle respiratoire créé et appliqué à nos données cliniques qui pourrait, couplé au système et au traitement proposés dans cette thèse, augmenter leurs performances en fournissant des informations anatomiques en temps réel. / Radiation therapy is one of the principal cancer treatments which uses radiations to kill cancerous cells. It is delivered over several days and requires an increasing tumor location accuracy in order irradiate well the tumor while protecting the surrounding healthy tissues. Therefore, we have to deal with two major issues: daily patient positioning and tumor motion management. As a first step, we propose an accurate non irradiant system for patient positioning. This system is composed of two times of flight cameras which acquire the patient surface at a frequency of 50 Hz. Then, we suggest a new treatment method that accounts for tumor and healthy tissue motion without increasing treatment duration. For this purpose, we combine an intensity modulated radiation therapy to the gating technique that delivers radiations on a unique respiratory phase. Our contribution consists on reproducing this scheme on several phases while increasing irradiation time efficiency. Finally, we evaluate a breathing model created and validated on our clinical datasets. This model, if coupled with our previous developments, could improve their accuracy by offering a real-time anatomical motion tracking.