Depuis l'avènement de la tomodensitométrie (TDM) au début des années 1970, la durée nécessaire à l'acquisition d'un jeu de données nécessaire à la reconstruction d'une image est passée de plusieurs jours à quelques centaines de millisecondes. Mis à part le progrès des composants mécaniques, électriques et électroniques, le principe de base implanté dans le tout premier prototype est toujours utilisé par les scanners d'aujourd'hui. Si le principe est resté le même, l'utilisation de l'imagerie TDM clinique a connu pour sa part une expansion fulgurante. Un nombre d'examens important, atteignant mondialement les centaines de millions par an au début des années 2000, commence alors à inquiéter la communauté scientifique et médicale. Si la dose administrée par examen reste relativement faible, les conséquences de cette exposition globale pourraient s'avérer fâcheuses. Parallèlement, les 15 dernières années ont vu l'apparition d'un nouveau type de détection. Ce détecteur, qui compte individuellement les photons X et mesure leur énergie, pourrait jouer un rôle important dans la quête de réduction de la dose. Même si ce nouveau développement n'a pas été motivé en réponse directe à l'accroissement de la dose, son avènement arrive à un moment très opportun. D'après la théorie, le seul fait d'acquérir la radiation incidente en utilisant cette approche permet une mesure moins bruitée. La nature spectrale de l'information recueillie ouvre aussi la porte à de nouvelles méthodes de traitement et d'analyse des images reconstruites. Dans la pratique, la fabrication de tels détecteurs n'est cependant pas chose facile et de nombreux impondérables ont fait leur apparition. L'influence des différentes caractéristiques de détection sur la qualité des images est aujourd'hui encore méconnue. Ce projet contient diverses contributions apportées au domaine de la TDM polyénergétique, en utilisant le concept de reconstruction d'images pour leitmotiv. Dans un premier temps, un modèle pragmatique et très différent des approches Monte Carlo existantes est proposé afin de reproduire de manière analytique une acquisition TDM spectrale. Un nouvel algorithme de reconstruction itératif adapté spécifiquement aux données polyénergétiques est ensuite présenté. Cet algorithme, unifiant les concepts éprouvés de décomposition en fonctions de base et de reconstruction statistique, permet de tirer pleinement parti de cette mesure particulière. Une approche de reconstruction différente, utilisant une représentation polaire de l'objet image, est aussi présentée. Celle-ci permet de diminuer grandement les exigences logicielles tout en réduisant les durées de reconstruction. L'influence de certaines caractéristiques de détection associées aux détecteurs spectraux est aussi étudiée, en mettant l'emphase sur les conséquences au niveau de la qualité des images reconstruites. Une méthode novatrice, permettant d'estimer le dépôt de dose à partir d'une acquisition polyénergétique, est finalement présentée.

Ce travail a été mené dans un contexte de collaboration étroite entre le Centre de Protonthérapie d'Orsay de l'Institut Curie (ICPO), Dosisoft et le laboratoire Creatis afin de mettre en place un nouveau modèle de calcul de dose pour la nouvelle salle de traitement de l'ICPO. Le projet de rénovation et d'agrandissement de ce dernier a permis l'installation d'un nouvel accélérateur ainsi que d'une nouvelle salle de traitement équipée d'un bras isocentrique de la société IBA, dans le but de diversifier les localisations des cancers traités à l'ICPO. Le premier objectif de cette thèse est de développer un ensemble de méthodologies et de nouveaux algorithmes liés au calcul de dose pour les adapter aux caractéristiques spécifiques des faisceaux délivrés par la nouvelle machine IBA, avec comme finalité de les inclure dans le logiciel Isogray de DOSIsoft. Dans un premier temps, la technique de la double diffusion est abordée en tenant compte des différences avec le système passif des lignes fixes de l'ICPO. Dans un deuxième temps, une modélisation est envisagée pour les modalités de faisceaux balayés. Le deuxième objectif est d'améliorer les modèles de calcul de dose Ray-Tracing et Pencil-Beam existants. En effet, le collimateur personnalisé du patient en fin de banc de mise en forme du faisceau pour les techniques de double diffusion et de balayage uniforme provoque une contamination de la dose délivrée au patient. Une méthodologie de réduction de cet effet a été mise en place pour le système passif de délivrance du faisceau, ainsi qu'un modèle analytique décrivant la fonction de contamination, dont les paramètres ont été validés grâce à des simulations Monte Carlo sur la plateforme GATE. Il est aussi possible d'appliquer ces méthodes aux systèmes actifs.

La planification automatique des traitements de radiothérapie n´ecessite un calcul très rapide de la dose délivrée au patient. Nous proposons de réaliser ce calcul en segmentant le fantôme du patient en mailles homogènes, et en associant aux mailles des projections vers des distributions précalculées en milieux homogènes, ainsi que des pondérations gérant les hétérogénéités. Le calcul de dose se fait en deux étapes. La première étape concerne les mailles : les projections et pondérations y sont paramétrées en fonction de critères physiques et géométriques. La seconde étape concerne les voxels : la dose y est calculée en évaluant les fonctions préalablement associées à leur maille. Cette méthode est très rapide, notamment quand le nombre de points d'intérêt est limité (quelques centaines), les résultats étant dans ce cas obtenus en moins d'une seconde. Avec de telles performances, la planification automatique des traitements de radiothérapie devient parfaitement envisageable.

Dans le cadre d'un important et ambitieux projet de renouvellement de son centre, l'ICPO (Institut Curie - Centre de Protonthérapie d'Orsay) renouvelle ses logiciels dédiés au traitement des patients par protonthérapie, technique de radiothérapie utilisant des faisceaux de protons. Les hautes énergies utilisées durant les traitements, ainsi que la précision offerte par les caractéristiques des particules de proton, nécessitent une mise en place du patient plus précise qu'en radiothérapie classique. Le sujet de cette thèse est né de ces problématiques, puisqu'il vise à utiliser les informations RX intrinsèques aux images, et renouveler l'offre logicielle liée à la planification de la dose. Aujourd'hui, le deuxième objectif est parfaitement rempli, puisque le logiciel Isogray est utilisé en routine clinique, et les premiers patients planifiés avec son aide ont d'ores et déjà été traités. Le premier objectif quant à lui, même s'il a pu progresser de manière significative, n'a pas pu aboutir dans le temps imparti pour la thèse, des mises au point ainsi que des tests cliniques étant encore nécessaires. Cependant, les premiers résultats obtenus sont encourageants et ont permis de soulever les premiers problèmes à résoudre, Cette thèse s'inscrit dans le cadre d'un partenariat entre l'ICPO et la société DOSIsoft, leader européen des logiciels de planification de traitement, fournissant les logiciels dernière génération utilisés à l'ICPO. Le savoir faire du laboratoire TSI (Traitement du Signal et de l'Image) de Télécom ParisTech vient s'ajouter à ce partenariat, apportant une plus-value scientifique conséquente.

Les systèmes de planification dosimétrique utilisent pour calculer le dépôt de dose dans l'être humain d'une part une description des tissus basée sur l'imagerie scanographique et d'autre part une description de l'interaction du faisceau reposant sur une équivalence eau des tissus, à laquelle peut s'ajouter un facteur de diffusion. Du fait du type de rayonnement et de l'énergie utilisés en scanographie, les nombres CT doivent être convertis en facteurs d'équivalence eau avant d'être utilisés par le système de planification.<br />Une détermination par simulation GEANT4 du facteur d'équivalence eau en fonction des nombres CT est proposée. Les facteurs de 77 tissus humains ont été déterminés pour un faisceau de protons de 135 MeV et de 12C de 290 MeV/A et comparés à ceux rapportés dans la littérature. Aux erreurs de détermination (<1.5%) s'ajoutent les incertitudes liées à l'acquisition des nombres CT, ces dernières pouvant atteindre 2%.<br />Les facteurs d'équivalence eau ont ensuite été utilisés pour convertir les courbes d'énergie déposée obtenues dans un tissu à celles obtenues dans l'eau et inversement. Ces courbes d'énergie déposée recalées ont été comparées aux courbes d'énergie déposée issues de la simulation. Pour les deux faisceaux, un accord en position inférieur à 0.5 mm est atteint. Des différences selon les tissus apparaissent au niveau de l'énergie maximale déposée. Elles peuvent atteindre 3% pour les tissus osseux et le faisceau de protons et varient entre 1.5% et 3.5% pour le faisceau de 12C, quel que soit le tissu. Une amélioration significative des recalages de l'énergie déposée en deux dimensions est obtenue en introduisant un facteur supplémentaire permettant de corriger de la diffusion.

Ce travail a été mené dans un contexte de collaboration étroite entre le Centre de Protonthérapie d’Orsay de l’Institut Curie (ICPO), Dosisoft et le laboratoire Creatis afin de mettre en place un nouveau modèle de calcul de dose pour la nouvelle salle de traitement de l’ICPO. Le projet de rénovation et d’agrandissement de ce dernier a permis l’installation d’un nouvel accélérateur ainsi que d’une nouvelle salle de traitement équipée d’un bras isocentrique de la société IBA, dans le but de diversifier les localisations des cancers traités à l’ICPO. Le premier objectif de cette thèse est de développer un ensemble de méthodologies et de nouveaux algorithmes liés au calcul de dose pour les adapter aux caractéristiques spécifiques des faisceaux délivrés par la nouvelle machine IBA, avec comme finalité de les inclure dans le logiciel Isogray de DOSIsoft. Dans un premier temps, la technique de la double diffusion est abordée en tenant compte des différences avec le système passif des lignes fixes de l’ICPO. Dans un deuxième temps, une modélisation est envisagée pour les modalités de faisceaux balayés. Le deuxième objectif est d’améliorer les modèles de calcul de dose Ray-Tracing et Pencil-Beam existants. En effet, le collimateur personnalisé du patient en fin de banc de mise en forme du faisceau pour les techniques de double diffusion et de balayage uniforme provoque une contamination de la dose délivrée au patient. Une méthodologie de réduction de cet effet a été mise en place pour le système passif de délivrance du faisceau, ainsi qu’un modèle analytique décrivant la fonction de contamination, dont les paramètres ont été validés grâce à des simulations Monte Carlo sur la plateforme GATE. Il est aussi possible d’appliquer ces méthodes aux systèmes actifs. / This work was achieved in collaboration between the Institut Curie Protontherapy Center of Orsay (ICPO), the DOSIsoft company and the CREATIS laboratory, in order to develop a new dose calculation model for the new ICPO treatment room. A new accelerator and gantry room from the IBA company were installed during the up-grade project of the protontherapy center, with the intention of enlarging the cancer localizations treated at ICPO. Developing a package of methods and new dose calculation algorithms to adapt them to the new specific characteristics of the delivered beams by the IBA system is the first goal of this PhD work. They all aim to be implemented in the DOSIsoft treatment planning software, Isogray. First, the double scattering technique is treated in taking into account major differences between the IBA system and the ICPO fixed beam lines passive system. Secondly, a model is explored for the scanned beams modality. The second objective of this work is improving the Ray-Tracing and Pencil-Beam dose calculation models already in use. For the double scattering and uniform scanning techniques, the patient personalized collimator at the end of the beam line causes indeed a patient dose distribution contamination. A reduction method of that phenomenon was set up for the passive beam system. An analytical model was developed which describes the contamination function with parameters validated through Monte-Carlo simulations on the GATE platform. It allows us to apply those methods to active scanned beams.

En radiothérapie externe, l'imagerie par rayons X (CT-scan et CBCT) est l'imagerie de référence pour la planification et la délivrance du traitement. Le CT-scan permet l'accès aux densités électroniques des tissus, requises pour le calcul de dose. Le CBCT permet le positionnement du patient, le tracking et le gating de la tumeur. Cependant, l'imagerie par rayons X présente un faible contraste entre les tissus mous et est irradiante. Grâce à un meilleur contraste, l'IRM pourrait améliorer le positionnement du patient, la délinéation des volumes d'intérêt, et le ciblage de la dose. L'IRM présente ainsi un intérêt majeur pour la planification de radiothérapie. L'objectif de cette thèse a été premièrement d'optimiser un protocole d'acquisition d'images IRM de la sphère ORL, avec patient en position de traitement. Le second objectif a été de réaliser une dosimétrie à partir de l'IRM. Cependant, à contrario du CT-scan, l'IRM ne fournit pas la densité électronique des tissus. Pour palier cela, une méthode patch-based (PBM) et une méthode de deep learning (DLM) ont été utilisées pour générer des pseudo-CT, et calculer la dose. La DLM fut un réseau antagoniste génératif et la PBM fut développée en utilisant une recherche de patchs similaires avec des descripteurs d'images. Ces méthodes ont été évaluées et comparées à une méthode atlas (ABM) et une méthode d'assignation de densité (BDM) à partir de critères de jugement images et dosimétriques. La DLM et la PBM apparurent comme les méthodes les plus précises. La DLM fut la méthode la plus rapide et robuste aux variations anatomiques. / In external beam radiotherapy, X-ray imaging (CT-scan and CBCT) is the main imaging modality for treatment planning and dose delivery. CT-scan provides the electron density information required for dose calculation. CBCT allows fast imaging for patient positioning, tracking and gating of the tumor. However, X-ray imaging has a poor soft tissue contrast, and it is an ionizing imaging, in contrast of MRI. Thanks to this better soft tissue contrast, MRI could improve patient positioning, tumor and organs at risk delineation, and dose targeting. The introduction of MRI in the radiotherapy workflow is therefore a topical issue. This thesis firstly aims to optimize an MRI protocol with patient in head-and-neck radiotherapy treatment position. This protocol was endorsed by our clinical center. The second aim of this thesis was to conducted dose calculation from MRI. However, this imaging, unlike CT, lacks the electron density information required for dose calculation. To address this issue, an original non-local-mean patch-based method (PBM) and a deep learning method (DLM) were used to generate pseudo-CTs from MRIs, and compute the dose. The DLM was a generative adversarial network, and the PBM was performed by using an approximate nearest neighbor search with MR feature images. These both methods were evaluated and compared to an atlas-based method (ABM) and a bulk density method (BDM). This comparison was performed by using image and dosimetric endpoints. The DLM and PBM appeared the most accurate methods. The DLM was faster and more robust to anatomical variations than the PBM.

Cette thèse s'inscrit dans la perspective des traitements de radiothérapie en insistant sur la nécessité de disposer d’un logiciel de planification de traitement (TPS) rapide et fiable. Le TPS est composé d'un algorithme de calcul de dose et d’une méthode d’optimisation. L'objectif est de planifier le traitement afin de délivrer la dose à la tumeur tout en sauvegardant les tissus sains et sensibles environnant. La planification des traitements consiste à déterminer les paramètres d’irradiation les mieux adaptés au patient. Dans le cadre de cette thèse, les paramètres d'un traitement par RCMI (Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d'Intensité) sont la position de la source, les orientations des faisceaux et, pour chaque faisceau composé de faisceaux élémentaires, la fluence de ces derniers. La fonction objectif est multicritère en associant des contraintes linéaires. L’objectif de la thèse est de démontrer la faisabilité d'une méthode d'optimisation du plan de traitement fondée sur la technique de calcul de dose rapide développée par (Blanpain, 2009). Cette technique s’appuie sur un fantôme segmenté en mailles homogènes. Le calcul de dose s’effectue en deux étapes. La première étape concerne les mailles : les projections et pondérations y sont paramétrées en fonction de critères physiques et géométriques. La seconde étape concerne les voxels: la dose y est calculée en évaluant les fonctions préalablement associées à leur maille.Une reformulation de cette technique permet d’aborder le problème d’optimisation par la méthode de descente de gradient. L’optimisation en continu des paramètres du traitement devient envisageable. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent de nombreuses perspectives dans le domaine de l’optimisation des plans de traitement en radiothérapie. / This thesis deals with the radiotherapy treatments planning issue which need a fast and reliable treatment planning system (TPS). The TPS is composed of a dose calculation algorithm and an optimization method. The objective is to design a plan to deliver the dose to the tumor while preserving the surrounding healthy and sensitive tissues.The treatment planning aims to determine the best suited radiation parameters for each patient’s treatment. In this thesis, the parameters of treatment with IMRT (Intensity modulated radiation therapy) are the beam angle and the beam intensity. The objective function is multicritiria with linear constraints.The main objective of this thesis is to demonstrate the feasibility of a treatment planning optimization method based on a fast dose-calculation technique developed by (Blanpain, 2009). This technique proposes to compute the dose by segmenting the patient’s phantom into homogeneous meshes. The dose computation is divided into two steps. The first step impacts the meshes: projections and weights are set according to physical and geometrical criteria. The second step impacts the voxels: the dose is computed by evaluating the functions previously associated to their mesh.A reformulation of this technique makes possible to solve the optimization problem by the gradient descent algorithm. The main advantage of this method is that the beam angle parameters could be optimized continuously in 3 dimensions. The obtained results in this thesis offer many opportunities in the field of radiotherapy treatment planning optimization.

Cette thèse s'inscrit dans la perspective des traitements de radiothérapie en insistant sur la nécessité de disposer d'un logiciel de planification de traitement (TPS) rapide et fiable. Le TPS est composé d'un algorithme de calcul de dose et d'une méthode d'optimisation. L'objectif est de planifier le traitement afin de délivrer la dose à la tumeur tout en sauvegardant les tissus sains et sensibles environnant. La planification des traitements consiste à déterminer les paramètres d'irradiation les mieux adaptés au patient. Dans le cadre de cette thèse, les paramètres d'un traitement par RCMI (Radiothérapie Conformationnelle avec Modulation d'Intensité) sont la position de la source, les orientations des faisceaux et, pour chaque faisceau composé de faisceaux élémentaires, la fluence de ces derniers. La fonction objectif est multicritère en associant des contraintes linéaires. L'objectif de la thèse est de démontrer la faisabilité d'une méthode d'optimisation du plan de traitement fondée sur la technique de calcul de dose rapide développée par (Blanpain, 2009). Cette technique s'appuie sur un fantôme segmenté en mailles homogènes. Le calcul de dose s'effectue en deux étapes. La première étape concerne les mailles : les projections et pondérations y sont paramétrées en fonction de critères physiques et géométriques. La seconde étape concerne les voxels: la dose y est calculée en évaluant les fonctions préalablement associées à leur maille.Une reformulation de cette technique permet d'aborder le problème d'optimisation par la méthode de descente de gradient. L'optimisation en continu des paramètres du traitement devient envisageable. Les résultats obtenus dans le cadre de cette thèse ouvrent de nombreuses perspectives dans le domaine de l'optimisation des plans de traitement en radiothérapie.

L’hadronthérapie est une technique avancée de traitement du cancer par radiothérapie. Elle offre une ballistique d’irradiation bien supérieure à la radiothérapie conventionnelle, mais nécessite également un contrôle qualité plus poussé. Dans ce travail, nous avons implémenté de nouveaux outils dans la plateforme Monte Carlo GATE, afin de pouvoir recalculer des plans de traitements issus d’un Système de Plannification de Traitement (TPS). Tout d’abord, nous avons défini un environnement de simulation permettant de réaliser des calculs précis et éfficaces. Les simulations ont été validées avec des mesures et d’autres codes Monte Carlo, pour des profils de dose en profondeur et transverses. Un bon accord a été obtenu pour les profils de dose en profondeur, mais des écarts plus marqués ont été observés pour les profils transverses. Ensuite, une méthode de modélisation pour des systèmes de traitement à balayage actif de faisceau étroit (PBS) a été proposée. Elle a été appliquée à un système de protonthérapie IBA et validée par comparaison à des mesures pour des champs complexes. Une interface permettant de faire le lien entre GATE et des fichiers DICOM RT ION PLAN et DICOM RT DOSE a également été réalisée. Enfin, nous avons comparé des distributions de dose TPS et Monte Carlo en milieux homogènes et hétérogènes. Les modèles de faisceau implémentés dans ces deux outils dosimétriques ont montré un accord satisfaisant en milieu homogène, mais les limites du TPS ont été mises en évidence dans des milieux hétérogènes. Un plan de prostate composé de deux champs latéraux opposés a été simulé et comparé avec le TPS, démontrant les nouvelles capacités de la plateforme. Dans cette thèse de doctorat, nous avons montré que la plateforme Monte Carlo GATE est un bon candidat pour la simulation de plans de traitements PBS et peut permettre l’évaluation des algorithmes de calcul de dose implémentés dans les TPSs. Cette plateforme supporte également des applications d’imagerie, telles que l’imagerie PET ou gamma-prompt et ouvre la porte à des recherches multidisciplinaires innovantes. / Hadron Therapy is an advanced radiotherapy technique for cancer treatment. It offers a better irradiation ballistic than conventional techniques and therefore requires appropriate quality assurance procedures. In this work, we upgraded the GEANT4-based GATE Monte Carlo platform in order to recalculate the TPS dose distributions in view of further benchmarking. In a first step, we selected an appropriate simulation environment (physics models and parameters) in order to produce accurate and efficient simulations. GATE simulations were validated using measurements and other Monte Carlo codes for depth-dose and transverse profiles. While a good agreement was found for depth-dose profiles, larger discrepancies were pointed out for transverse profiles. In a second step, we developed a modeling method to simulate active scanning beam delivery systems, which does not require to simulate the components of the treatment nozzle. The method has been successfully applied to an IBA proton therapy system and validated against measurements for complex treatment plans. Interfaces have also been developed in order to link DICOM RT ION PLAN and DICOM RT DOSE with GATE. Finally, we compared in a third step the TPS and Monte Carlo dose distributions in homogeneous and heterogeneous configurations. The beam models of both dose engines were in satisfactory agreement, allowing further evaluation of clinical treatment plans. A two-field prostate plan has been evaluated, showing a satisfactory agreement between the TPS and Monte Carlo, and demonstrating the novel capabilities of the platform for the evaluation of the TPS. To summarize, we selected an appropriate simulation environment for proton therapy, proposed a modeling method for active scanning systems and presented a method to compare the TPS and Monte Carlo dose distributions. All tools developed in GATE were or will be publicly released. A detailed validation stage of the system including absolute dosimetry is still necessary, in order to quantitatively evaluate its accuracy in various homogeneous and heterogeneous configurations. In this thesis, we have demonstrated that the GATE Monte Carlo platform is a good candidate for the simulation of active scanning delivery systems, allowing further TPS benchmarking. Moreover, the GATE platform also handles imaging applications, such as PET or prompt-gamma imaging towards online treatment monitoring and paves the way of interdisciplinary research advances.