Titre de l'écran-titre (visionné le 25 mars 2024) / Les fantômes d'eau sont des outils essentiels pour assurer l'étalonnage précis des machines de radiothérapie et des traitements efficaces en utilisant l'eau comme moyen de simulation des tissus humains. Dans ce mémoire, nous présentons toutes les étapes de la synthèse, de la création d'un prototype et du contrôle d'un nouveau fantôme d'eau automatisé basé sur un robot parallèle à câbles de 5 degrés de liberté. Ce système pourrait offrir plusieurs avantages par rapport aux fantômes d'eau existants, notamment un mouvement plus rapide et la capacité d'effectuer des mesures angulaires grâce à sa plage de rotation continue de 90 degrés. Notre approche a commencé par l'identification de l'architecture la plus appropriée pour le robot, impliquant le calcul de l'espace des torseurs faisables en force pour toutes les configurations 5-DDL avec 8 câbles, en fonction de nos points d'attache de câbles prédéfinis. Un algorithme d'élagage a été développé pour éliminer rapidement les architectures qui ne couvraient pas la plage de rotations souhaitée, facilitant ainsi l'identification de l'architecture optimale. De plus, nous avons conçu une méthode pour calculer un espace de travail rotationnel sans interférence pour notre conception choisie. En termes de contrôle, nous avons détaillé le schéma de contrôle, la planification de la trajectoire, le problème géométrique direct et les matrices Jacobiennes pour notre robot parallèle à câbles de 5-DDL. En outre, nous avons résolu le défi de la singularité de représentation rencontré dans notre projet, en adoptant une représentation vectorielle unitaire pour l'orientation. Le processus de conception du robot a été méticuleusement décrit, y compris la justification de la sélection des composants. Nous avons divisé le prototype global en trois sections principales: la structure, les systèmes de treuil et les poulies pivotantes, en fournissant des informations détaillées sur chacune. Le processus de calibrage du robot a également été discuté, ainsi que les défis rencontrés. Enfin, nous avons mené un test sous une machine de radiothérapie, cartographiant le rayonnement avec le capteur d'ionisation connecté à l'effecteur final. Bien que nous ayons compté uniquement sur l'encodeur du moteur pour la rétroaction de position et que cette méthode manque de la précision nécessaire pour cette application, les résultats étaient très prometteurs. Notre conception innovante de fantôme d'eau démontre le potentiel comme nouvelle méthode efficace et précise pour l'étalonnage des machines de radiothérapie, avec la capacité d'améliorer considérablement les résultats pour les patients dans la pratique clinique. / Water phantoms are critical tools for ensuring the accurate calibration of radiotherapy machines and effective treatments by using water as a medium for simulating human tissue. In this memoir, we present all the steps of synthesizing, prototyping and controlling a novel automated water phantom based on a 5-degree-of-freedom cable-driven parallel robot. The system could offer several advantages over existing water phantoms, including faster movement and the ability to perform angular measurements due to its 90-degree continuous range of rotation. Our approach began with identifying the most suitable architecture for the robot, involving the calculation of the wrench-feasible workspace for all the 5-DoF configurations with 8 cables, based on our predetermined cable attachment points. A pruning algorithm was developed to rapidly eliminate architectures that failed to cover the desired range of rotations, thereby facilitating the easier identification of the optimal architecture. Furthermore, we devised a method to calculate an interference-free rotational workspace for our chosen design. In terms of control, we detailed the control schematic, trajectory planning, forward kinematics, and Jacobian matrices for our 5-DoF CDPR. Furthermore, we addressed the challenge of representation singularity encountered in our project, resolving it by adopting a unit vector representation for orientation. The design process of the robot was meticulously outlined, including the rationale behind component selection. We divided the overall prototype into three main sections: the structure, winch systems, and swivel pulleys, providing detailed insights into each. The calibration process of the robot was also discussed, along with the challenges encountered. Finally, we conducted a test under a radiotherapy machine, mapping radiation with the ionization sensor connected to the end-effector. Although we relied solely on the motor's encoder for position feedback, which lacks the precision needed for this application, the results were very promising. Our innovative water phantom design demonstrates potential as a new, efficient, and precise method for calibrating radiotherapy machines, with the capability to significantly improve patient outcomes in clinical practice.

L’étude de la dynamique d’un faisceau d’ions de haute intensité dans les lignes de basse énergie (LBE)représente l’un des défis majeurs de la science des accélérateurs. basse énergie, cette dynamique est dominée par le champ de charge d’espace induit par le faisceau lui-même, qui en général est non linéaire et peut entrainer des phénomènes de halo, de grossissement d’émittance et de pertes de faisceau. Toutefois, un faisceau à basse énergie se propageant dans une LBE induit l’ionisation du gaz résiduel présent dans la chambre. Les particules (ions et électrons) issues de l’ionisation sont repoussées ou attirées radialement par le champ de charge d’espace en fonction du signe de leur charge. D’autres réactions physiques ont lieu dans la ligne basse énergie, jouant ainsi un rôle dans la dynamique du faisceau et sur l’établissement du temps et du taux de compensation de charge d’espace. Afin d’obtenir des résultats prédictifs et fiables quantitativement, des simulations de transport de faisceau en régime de compensation de charge d’espace avec le code de calcul warp ont été réalisées en prenant également compte les réactions physiques les plus probables. On discutera ensuite des résultats de ces simulations en lien avec ceux issus de différentes compagnes de mesure réalisées auprès des LBE des projets MYRRHA et IFMIF. / The study of intense ion beam dynamics in lowenergy beam transport line (LEBT) representsone of the most important challenges inaccelerating sciences. At low energy, it isdominated by the space-charge field created bythe beam itself, which is generally non-linearand can induce halo, emittance growth and beamlosses. But, a ion beam at low energypropagating in a LEBT ionises the residual gas.The particles (ions and electrons) fromionisation are repelled or confined radially bythe space charge field according to their chargesign.Other interactions take place in the LEBT,modifying the beam dynamics and the space chargecompensation time and the space-chargecompensation yield. In order to obtain predictiveand precise results quantitatively, numericalsimulations of beam transport in space-chargecompensation regime with WARP code havebeen realized taking account the most probablephysical interactions. Then, we will discuss theresults with comparisons with experimental dataobtained on the MYRRHA and IFMIF LEBT’s

Le laboratoire TRIUMF se spécialise dans la production de faisceaux d’ions rares radioactifs qui sont fondamentaux en physique nucléaire et de la matière condensée, entre autres. TRIUMF construit présentement un accélérateur linéaire d’électrons supraconducteur de 50 MeV, 10 mA dans le cadre du projet ARIEL. Les électrons accélérés seront utilisés pour produire des faisceaux radioactifs par photo-désintégration. Le faisceau d’électrons est « converti » en photons par le rayonnement de freinage des électrons lorsqu’ils traversent un matériau de Z élevé placé directement devant la cible de production. La cible utilisée initialement sera du 9Be afin de produire du 8Li. Le 9Be est intégré dans un composé de BeO fabriqué à TRIUMF et conçu d’après les spécifications de l’IPN Orsay où les tests préliminaires prendront place pendant la construction d’ARIEL. La puissance déposée dans la cible et la production d’isotopes rares sont calculées avec le code de simulations Monte Carlo FLUKA. / The TRIUMF laboratory in Vancouver B.C. is a world leader in the production of rare radioactive ion beams. Such beams are fundamental in research for nuclear physics, nuclear astrophysics and solid state science among others. TRIUMF is constructing a 50 MeV, 10 mA superconducting electron linac as part of its ARIEL project. The accelerated electrons will be used to produce RIB through photodisintegration. The electron beam is “converted” into photons by braking radiation of the electrons passing through a high Z material placed immediately before the production target. The initial target to be employed is 9Be, used to produce a 8Li beam. The 9Be is imbedded in a BeO compound manufactured at TRIUMF and designed following specifications of IPN Orsay where the preliminary tests will be conducted while ARIEL is being constructed. Both the power deposition and rare isotope production rates were calculated using the Monte Carlo simulation package FLUKA.

L'objectif de ce travail est de développer deux modules pour créer une simulation Monte Carlo ayant comme objectif futur de calculer les doses de radiation d'un traitement en radiothérapie externe. Le premier module permet de lire, modéliser et réduire le nombre de voxels présent dans une série d'images médicales de type DICOM. La réduction doit se faire tout en gardant les informations essentielles pour une simulation Monte Carlo. Un algorithme a été développé pour appliquer une compression de type octree à la distribution des densités électroniques recueillies dans les images de tomodensitométrie. L'image résultante possède ainsi une certaine anisotropie au niveau de la résolution. Des résultats obtenus, la réduction du nombre total de voxels atteinte est de l'ordre de 75% de la taille initiale. Les simulations Monte Carlo démontrent qu'aucune information dosimétrique n'est perdue après la transformation. L'efficacité de la simulation se trouve améliorée tant au niveau de sa rapidité que de son utilisation de la mémoire. Le second module développé est un modèle d'accélérateur linéaire de type Primus (Siemens). Ce modèle permet d'obtenir des distributions de doses pour deux faisceaux de photons d'énergies différentes (6 et 23 megavolts [MV]). Dans les deux cas, les distributions de doses ont été comparées à des mesures expérimentales prises avec une chambre à ionisation. Les distributions de doses dans l'axe central du faisceau ont atteint un niveau de précision de 2%. Au niveau des distributions de doses hors axe, les déviations maximales sont de l'ordre de 5% et de 2mm dans les pénombres. Pour le faisceau de 23 MV, la géométrie présente une asymétrie qui devra être corrigée en modifiant le filtre égalisateur ou en utilisant une source de radiation asymétrique. Dans tous les cas, l'ouverture des collimateurs secondaires devra être optimisée afin d'éliminer les erreurs au niveau de la pénombre. Une fois ces modifications effectuées, les images DICOM compressées avec l'octree pourront être insérées à l'intérieur du modèle de l'accélérateur. Ce faisant, il suffirait d'ajuster la configuration des faisceaux et du patient pour évaluer un traitement en radiothérapie externe.