L’objectif général de cette thèse est d’utiliser les connaissances en physique de la radiation, en programmation informatique et en équipement informatique à la haute pointe de la technologie pour améliorer les traitements du cancer. En particulier, l’élaboration d’un plan de traitement en radiothérapie peut être complexe et dépendant de l’utilisateur. Cette thèse a pour objectif de simplifier la planification de traitement actuelle en curiethérapie de la prostate à haut débit de dose (HDR). Ce projet a débuté à partir d’un algorithme de planification inverse largement utilisé, la planification de traitement inverse par recuit simulé (IPSA). Pour aboutir à un algorithme de planification inverse ultra-rapide et automatisé, trois algorithmes d’optimisation multicritères (MCO) ont été mis en oeuvre. Suite à la génération d’une banque de plans de traitement ayant divers compromis avec les algorithmes MCO, un plan de qualité a été automatiquement sélectionné. Dans la première étude, un algorithme MCO a été introduit pour explorer les frontières de Pareto en curiethérapie HDR. L’algorithme s’inspire de la fonctionnalité MCO intégrée au système Raystation (RaySearch Laboratories, Stockholm, Suède). Pour chaque cas, 300 plans de traitement ont été générés en série pour obtenir une approximation uniforme de la frontière de Pareto. Chaque plan optimal de Pareto a été calculé avec IPSA et chaque nouveau plan a été ajouté à la portion de la frontière de Pareto où la distance entre sa limite supérieure et sa limite inférieure était la plus grande. Dans une étude complémentaire, ou dans la seconde étude, un algorithme MCO basé sur la connaissance (kMCO) a été mis en oeuvre pour réduire le temps de calcul de l’algorithme MCO. Pour ce faire, deux stratégies ont été mises en oeuvre : une prédiction de l’espace des solutions cliniquement acceptables à partir de modèles de régression et d’un calcul parallèle des plans de traitement avec deux processeurs à six coeurs. En conséquence, une banque de plans de traitement de petite taille (14) a été générée et un plan a été sélectionné en tant que plan kMCO. L’efficacité de la planification et de la performance dosimétrique ont été comparées entre les plans approuvés par le médecin et les plans kMCO pour 236 cas. La troisième et dernière étude de cette thèse a été réalisée en coopération avec Cédric Bélanger. Un algorithme MCO (gMCO) basé sur l’utilisation d’un environnement de développement compatible avec les cartes graphiques a été mis en oeuvre pour accélérer davantage le calcul. De plus, un algorithme d’optimisation quasi-Newton a été implémenté pour remplacer le recuit simulé dans la première et la deuxième étude. De cette manière, un millier de plans de traitement avec divers compromis et équivalents à ceux générés par IPSA ont été calculés en parallèle. Parmi la banque de plans de traitement généré par l’agorithme gMCO, un plan a été sélectionné (plan gMCO). Le temps de planification et les résultats dosimétriques ont été comparés entre les plans approuvés par le médecin et les plans gMCO pour 457 cas. Une comparaison à grande échelle avec les plans approuvés par les radio-oncologues montre que notre dernier algorithme MCO (gMCO) peut améliorer l’efficacité de la planification du traitement (de quelques minutes à 9:4 s) ainsi que la qualité dosimétrique des plans de traitements (des plans passant de 92:6% à 99:8% selon les critères dosimétriques du groupe de traitement oncologique par radiation (RTOG)). Avec trois algorithmes MCO mis en oeuvre, cette thèse représente un effort soutenu pour développer un algorithme de planification inverse ultra-rapide, automatique et robuste en curiethérapie HDR. / The overall purpose of this thesis is to use the knowledge of radiation physics, computer programming and computing hardware to improve cancer treatments. In particular, designing a treatment plan in radiation therapy can be complex and user-dependent, and this thesis aims to simplify current treatment planning in high dose rate (HDR) prostate brachytherapy. This project was started from a widely used inverse planning algorithm, Inverse Planning Simulated Annealing (IPSA). In order to eventually lead to an ultra-fast and automatic inverse planning algorithm, three multi-criteria optimization (MCO) algorithms were implemented. With MCO algorithms, a desirable plan was selected after computing a set of treatment plans with various trade-offs. In the first study, an MCO algorithm was introduced to explore the Pareto surfaces in HDR brachytherapy. The algorithm was inspired by the MCO feature integrated in the Raystation system (RaySearch Laboratories, Stockholm, Sweden). For each case, 300 treatment plans were serially generated to obtain a uniform approximation of the Pareto surface. Each Pareto optimal plan was computed with IPSA, and each new plan was added to the Pareto surface portion where the distance between its upper boundary and its lower boundary was the largest. In a companion study, or the second study, a knowledge-based MCO (kMCO) algorithm was implemented to shorten the computation time of the MCO algorithm. To achieve this, two strategies were implemented: a prediction of clinical relevant solution space with previous knowledge, and a parallel computation of treatment plans with two six-core CPUs. As a result, a small size (14) plan dataset was created, and one plan was selected as the kMCO plan. The planning efficiency and the dosimetric performance were compared between the physician-approved plans and the kMCO plans for 236 cases. The third and final study of this thesis was conducted in cooperation with Cédric Bélanger. A graphics processing units (GPU) based MCO (gMCO) algorithm was implemented to further speed up the computation. Furthermore, a quasi-Newton optimization engine was implemented to replace simulated annealing in the first and the second study. In this way, one thousand IPSA equivalent treatment plans with various trade-offs were computed in parallel. One plan was selected as the gMCO plan from the calculated plan dataset. The planning time and the dosimetric results were compared between the physician-approved plans and the gMCO plans for 457 cases. A large-scale comparison against the physician-approved plans shows that our latest MCO algorithm (gMCO) can result in an improved treatment planning efficiency (from minutes to 9:4 s) as well as an improved treatment plan dosimetric quality (Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) acceptance rate from 92.6% to 99.8%). With three implemented MCO algorithms, this thesis represents a sustained effort to develop an ultra-fast, automatic and robust inverse planning algorithm in HDR brachytherapy.

L’utilisation de marges personnalisées dans le traitement du cancer du poumon en radiothérapie : analyse des mouvements physiologiques et des impacts dosimétriques OBJECTIFS : Le but de cette étude est d’analyser les mouvements physiologiques et leurs impacts dosimétriques lors de la planification de traitements en radiothérapie par tomodensitométrie thoracique (TDM). MÉTHODES : Il s’agit d’une étude de 15 patients. Des plans de radiothérapie conforme tridimensionnelle (3D-CRT) ont été utilisés. Un plan de référence a été fait et comparé à des plans utilisant des marges personnalisées (obtenue par 5 TDM). Des analyses volumétriques et dosimétriques ont été faites. RÉSULTATS : Les volumes obtenus progressent rapidement avec la fusion de TDM. Lorsqu’une couverture semblable est obtenue, le volume cible est moindre et l’irradiation pulmonaire est discrètement réduite. CONCLUSION : Malgré les avantages d’une marge personnalisée, elle ne produit qu’un avantage clinique limité. Toutes les techniques augmentant le volume total pour inclure les mouvements devraient en venir à des conclusions semblables. / Individualized margins in radiotherapy planning of lung cancer: analysis of physiological movements and their dosimetric impacts OBJECTIVE: This study is an analysis of physiological movements and their dosimetric impacts when a single thoracic CT-scan is used for treatment planning purposes in radiation oncology. METHODS: This is a study of 15 patients. Three-dimensional conformal radiation therapy was (3D-CRT) was used. A reference clinical plan was constructed and compared with plans using individualized margins (obtained by using five CT-scans). Volumetric and dosimetric analyses were made for each. RESULTS: The total volume occupied by GTV progressed quickly with the fusion of CT-scans. For a similar coverage, target volume was smaller and lung irradiation was slightly decreased. CONCLUSIONS: Even if the individualized margin was used, it produced a limited clinical advantage. All techniques that increase total volume with an aim to include more movements should come to similar conclusions.

Le mouvement induit par la respiration dans la région thoraco-abdominale a été évalué à l'aide de séries d'images de tomodensitométrie en quatre dimensions (4DCT) pour un échantillon de 40 patients présentant principalement des tumeurs pulmonaires et gastro-intestinales. L'observation du déplacement des structures par rapport à leur position d'équilibre respective a révélé un déplacement en phase en supérieur-inférieur. L'amplitude est plus importante pour le diaphragme et les reins. Il n'y a pas de différences significatives entre les tumeurs pulmonaires et les autres sites étudiés. La méthodologie de planification dosimétrique actuelle (3D-CRT ou IMRT) s'est révélée adéquate en moyenne pour une population de 10 cas de tumeurs pulmonaires ayant une grande amplitude de déplacement. L'utilisation de la phase de mi-ventilation ne modifie pas significativement la couverture de dose, mais diminue les variable dosimétriques du poumon. La moyenne des phases du 4DCT n'apporte pas d'avantages par rapport à la méthodologie actuelle. / Respiration-induced motion in the thoracoabdominal region was studied with fourdimensional computed tomography (4DCT) for 40 patients mainly with lung and gastrointestinal tumours. Relative distance to mean amplitude position of internal structures showed an inphase motion in superior-inferior direction. Diaphragm and kidneys displayed in average the greatest amplitude. There were no significant amplitude differences between lung and other locations motion. The actual treatment planning method (3D-CRT or IMRT) turned out to be, in average, adequate for ten lung cases with large motion. The use of mid-ventilation phase for treatment planning does not change significantly dose coverage but lower lung dosimetric parameters. The use of 4DCT average showed not benefits over the actual procedure.

Le mélanome uvéal est le type de cancer de l'œil le plus répandu chez l'adulte. Il s'agit du mélanome le plus commun après le cancer de la peau. La curiethérapie en est le traitement privilégié : elle consiste à irradier la tumeur à l'aide de sources radioactives disposées dans un support lui-même maintenu en place à l'aide d'une plaque épisclérale (PE). Leur conception a été élaborée par l'Association Américaine des Physiciens en Médecine (AAPM) et la Société Américaine de Curiethérapie (SAC) il y a plusieurs décennies. Cette conception permet de traiter adéquatement la plupart des formes et tailles des mélanomes uvéaux. Néanmoins, le traitement peine à traiter toutes les formes et engendre fréquemment des effets secondaires indésirables. Ce projet vise à développer une nouvelle conception des PE personnalisées pouvant répondre à une majorité de mélanomes uvéaux en minimisant les effets secondaires. La fabrication additive, qui consiste à fabriquer des objets couche par couche, a été utilisée afin de produire ces nouvelles plaques pouvant être personnalisables. Ce projet vise à produire des PE issues de la fabrication additive en polyétheréthercétone (PEEK) et de quantifier leur conformité géométrique. Pour ce faire, la tomodensitométrie par rayons X (TDM-X) a été employée. Cette technique d'imagerie permet d'évaluer de manière précise et complète le niveau de conformité géométrique des PE. Ainsi, dans ce projet, des plaques épisclérales de 10 mm, 14 mm et 22 mm ont été imprimées en PEEK, en adaptant leur conception à la fabrication additive. Une analyse de conformité géométrique utilisant la TDM-X et comparant les résultats avec les modèles 3D des plans de conception a permis de quantifier la conformité géométrique à une hauteur de 0,13 mm en moyenne. En somme, ce projet de maîtrise pave la voie à un traitement de curiethérapie pour traiter le cancer de l'œil à l'aide de PE conçues sur mesure pour le patient.

Jusqu'à ce jour, très peu de travaux empiriques ont évalué les aspects psychologiques associés au cancer de la prostate. Cette étude transversale vise donc à comparer la prévalence des difficultés psychologiques (i.e., anxiété et dépression), psychophysiologiques (i.e., insomnie, fatigue) et des difficultés sexuelles en fonction de trois modalités de traitement pour le cancer de la prostate (radiothérapie, curiethérapie et prostatectomie radicale) et du temps écoulé depuis le diagnostic. L'échantillon est composé de 861 hommes ayant complété une batterie de questionnaires. Les résultats démontrent que les difficultés sexuelles constituent le problème le plus fréquent suivies de l'insomnie et de l'anxiété. De plus, les symptômes psychologiques et psychophysiologiques restent relativement stables dans le temps alors que les symptômes physiques tendent à se résorber. Enfin, les patients ayant reçu de la radiothérapie ont un risque plus élevé de souffrir d'humeur dépressive, de détresse psychologique globale et de fatigue comparativement aux patients n'ayant pas reçu ce traitement.

Malgré la découverte des antigènes tumoraux depuis quelques décennies dans les mélanomes humains, l’immunothérapie anticancéreuse reste encore relativement inefficace. En outre, les traitements anti-tumoraux classiques tels que la chimiothérapie et la radiothérapie ont longtemps été considérés comme des traitements affectant principalement les cellules tumorales en division. Actuellement, des études de plus en plus nombreuses suggèrent que le succès de la chimiothérapie dépendrait, en partie, du système immunitaire. En effet, d’une part, les agents chimio-thérapeutiques pourraient induire une mort immunogène des cellules tumorales et donc potentialiser les réponses immunitaires. D’autre part, certains rapports montrent que la présence préalable de cellules immunes dans l’environnement tumoral améliore le pronostic clinique observé après chimiothérapie notamment.<p><p>Au cours de ce travail, nous avons étudié l’effet du cyclophosphamide (CTX, un agent alkylant) sur le système immunitaire et la résistance anti-tumorale dans des souris porteuses du mastocytome P815. Nous avons remarqué qu’une seule injection de CTX dans des souris inoculées 10-20 jours plus tôt avec une dose létale de cellules tumorales induit la survie dans 100% des souris traitées. En outre, le rejet tumoral induit par le CTX est strictement dépendant des lymphocytes T CD4+ et CD8+, et permet une résistance tumorale à long terme spécifique du mastocytome P815. Le but de cette étude était d’appréhender les mécanismes cellulaires et moléculaires impliqués dans cette mémoire spécifique de la tumeur. <p><p>Nous avons premièrement montré que le CTX augmente les réponses de type Th1 et Th17 dans des souris immunisées. L’activation de ces réponses requiert l’IL-12p40 et corrèle avec une augmentation du nombre de cellules CD11b+/F4/80+/Ly6C+, suggérant que ces DCs inflammatoires présumées pourraient être une source potentielle d’IL-12 et/ou d’IL-23. Des résultats similaires ont été observés dans des souris porteuses de la tumeur P815 et traitées au CTX. Nous avons également caractérisé les cellules T anti-tumorales effectrices qui infiltrent la tumeur et en particulier, nous avons étudié le rôle des cellules T auxiliaires CD4+ dans la migration des lymphocytes T CD8+ spécifiques de la tumeur. Nous avons observé que la déplétion des cellules T CD4+ semble induire un blocage des lymphocytes T CD8+ dans les ganglions drainant la tumeur qui ne migrent alors plus vers le foyer tumoral. Nous avons donc évalué le rôle de chimiokines/récepteurs aux chimiokines qui pourraient être impliqués dans ce processus tels que les couples CXCR3/CXCL9-10-11. <p><p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished