Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2008. / Bibliogr.: f. [44]-45. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

Ce projet de recherche s’inscrit dans le domaine de la dosimétrie à scintillation en radiothérapie, plus précisément en curiethérapie à haut débit de dose (HDR). Lors de ce type de traitement, la dose est délivrée localement, ce qui implique de hauts gradients de dose autour de la source. Le but de ce travail est d’obtenir un détecteur mesurant la dose en 2 points distincts et optimisé pour la mesure de dose en curiethérapie HDR. Pour ce faire, le projet de recherche est séparé en deux études : la caractérisation spectrale du détecteur à 2-points et la caractérisation du système de photodétecteur menant à la mesure de la dose. D’abord, la chaine optique d’un détecteur à scintillation à 2-points est caractérisée à l’aide d’un spectromètre afin de déterminer les composantes scintillantes optimales. Cette étude permet de construire quelques détecteurs à partir des composantes choisies pour ensuite les tester avec le système de photodétecteur multi-point. Le système de photodétecteur est aussi caractérisé de façon à évaluer les limites de sensibilité pour le détecteur 2-points choisi précédemment. L’objectif final est de pouvoir mesurer le débit de dose avec précision et justesse aux deux points de mesure du détecteur multi-point lors d’un traitement de curiethérapie HDR. / In high dose rate brachytherapy, the dose is delivered locally to the tumour and due to the inverse square law therefore the source is surrounded by high dose gradient. Thus a small uncertainty in the source position can cause a significant dose discrepancy. This project uses scintillation dosimetry for HDR brachytherapy dose measurement applications. The purpose of this work is to develop a detector able to measure the dose at 2 separate points, and optimize for such HDR brachytherapy applications. This project is divided into two parts: the spectral characterization of a 2-points detector, and the characterization of the photodetector system. First, the 2-points detector’s optical chain is characterized using a spectrometer. This allows to determine the optimal scintillating components and to then build optimal 2-points detectors. Second, the photodetector system is also characterized using the detectors built in the first section of the project. The final goal is to use the multi-points detector for precise and accurate dose measurements for both measuring points during HDR brachytherapy treatments.

La radiothérapie est utilisée pour traiter plus de la moitié des cas de cancer, et les appareils de traitement évoluent beaucoup depuis les dernières années, permettant ainsi d'améliorer les traitements. Cependant, il importe que la mesure de la dose de radiation délivrée par les appareils de traitement soit la plus précise possible afin d'éviter les erreurs lors d'un traitement. Les dosimètres à scintillation possèdent des avantages les mettant au premier plan pour la dosimétrie de faisceaux d'irradiation plus complexes, tel que la dosimétrie de petits champs. À ce jour, le seul dosimètre à scintillation commercial faisant appel à la technologie hyperspectrale permet d'excellentes performances dosimétriques dans plusieurs situations, au dépens d'un processus d'étalonnage long et complexe à réaliser, alors que le temps est un enjeu important à considérer en clinique. De plus, ce type de détecteur ne permet de mesurer la dose qu'en un point précis dans l'espace. Le but du présent projet de recherche est d'améliorer l'utilisation des dosimètres à scintillation, et se divise en deux volets principaux. Premièrement, un algorithme d'étalonnage simplifié a été développé, permettant ainsi un étalonnage beaucoup plus simple et rapide des dosimètres à scintillation nécessitant un étalonnage hyperspectrale. Cet algorithme, appelé NMF-PEAK, est basé sur un algorithme de factorisation non-négative de matrice (*Non-negative Matrix Factorization*, où NMF en anglais) acceptant en entrée une connaissance *a priori* sur les spectres à déterminer lors de l'étalonnage, en plus d'une connaissance a priori sur la quantité de lumière produite par chaque émetteur de lumière pour une séquence d'irradiations bien précise. Deuxièmement, un dosimètre à scintillation multi-tête, appelé l'*Hydra*, a été conçu puis testé expérimentalement. Il permet de mesurer la dose de radiation, en temps réel, à 3 positions simultanément. Les 3 têtes du détecteur se combinent dans une seule fibre optique, et le signal mesuré est donc une superposition du signal provenant des 3 têtes, obligeant ainsi l'utilisation de la méthode hyperspectrale pour étalonner ce type de détecteur. Finalement, l'algorithme d'étalonnage simplifié développé lors du présent projet de recherche a été appliqué afin d'étalonner ce nouveau détecteur multi-têtes, et les performances dosimétriques de ce détecteur sont évaluées pour l'étalonnage simplifié et l'étalonnage standard, en plus d'être comparées aux performances dosimétriques qui auraient été obtenues par le dosimètre à scintillation multi-points en cascade déjà développé dans le passé. / Radiation therapy is used to treat more than half of cancer cases, and the treatment devices have evolved a lot in the last few years, allowing to improve cancer treatments. However, the radiation dose delivered by these devices has to be measured with high accuracy in order to avoid treatment errors. Scintillation dosimeters possess advantages that put them at the forefront for the dosimetry of complex irradiation beams, such as small fields. Up to now, the only commercial dosimeter using a technology based on a hyperspectral approach is capable of high performances in many cases, however its calibration process is long and tedious and time is an important aspect to consider in the clinic. Moreover, this type of detector allows to measure the dose at only one location in space. The goal of the present research project aims at enhancing the use of scintillation dosimeters, and it divides in two principal aspects. First, a simplified calibration algorithm was developed, allowing a calibration that is a lot simpler and faster for dosimeters requiring a hyperspectral calibration. This algorithm, the NMF-PEAK, is based on a Non-negative Matrix Factorization (NMF) algorithm, and takes as an input prior knowledge on the calibration spectra to be determined, as well as a prior knowledge on the amount of light produced by each light-emitting components for a given irradiation sequence. Secondly, a multi-headed scintillation detector, called Hydra, was made and tested experimentally. It allows to measure the radiation dose in real-time at 3 different locations simultaneously. The 3 heads converge to a single optical fiber, and the measured signal is therefore a combination of the signals coming from each of the 3 heads. The hyperspectral approach has to be used in that case. Finally, the simplified calibration algorithm developed during this project was used to calibrate this novel multi-headed detector, and the dosimetric performances were evaluated when using the simplified and the standard calibration processes. They were also compared to the dosimetric performances of the waterfall multi-points scintillation dosimeter previously developed.

Le multidétecteur Héraclès est un assemblage de plusieurs détecteurs utilisés pour l'étude des collisions d'ions lourds. Plusieurs types de scintillateurs (BaF2 , Csl et scintillateurs plastiques (phoswich)) sont utilisés. La lumière émise par un scintillateur doit être recueillie par un photomultiplicateur pour être transformée en courant électrique et être amplifiée par un facteur pouvant aller jusqu'à 1000000. Les dernières expériences d'Héraclès ayant été grandement affectées par la variation du gain de ces dispositifs, il devenait impératif de développer un système permettant de contrôler la stabilité du gain des photomultiplicateurs. Plutôt que d'empêcher le gain des détecteurs de changer, il a été choisi de mesurer la variation de gain et de corriger les données a posteriori. Le système créé pour arriver à cette fin se sert d'un générateur d'impulsions électroniques qui alimente des diodes électroluminescentes. Le signal lumineux créé par les DEL est acheminé à l'aide de fibres optiques aux différents scintillateurs.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / La radiochirurgie stéréotaxique est un mode de traitement délivrant la dose de prescription en une seule fraction. Pour ce faire des petits champs et des arcs non coplanaires sont utilisés de manière à diminuer la dose aux tissus sains. Afin de s'assurer que la dose planifiée est bien conforme à celle donnée lors du traitement, des mesures de contrôles de qualité s'imposent. Or, il n'existe pas encore de détecteur idéal permettant de connaître précisément la dose dans ces conditions de traitement. Afin de palier à cette lacune, nous avons développé un détecteur à fibre scintillante possédant des caractéristiques favorables pour la radiochirurgie stéréotaxique telle qu'une grande résolution spatiale, l'équivalence à l'eau et l'indépendance angulaire et énergétique. Pour ce faire, des mesures de facteurs de sortie brute (soit, plus rigoureusement, la multiplication du facteur collimateur avec le facteur fantôme) et de profils furent effectuées avec les collimateurs coniques utilisés en radiochirurgie stéréotaxique. Les films Gafchromic EBT2, la diode de radiochirurgie non blindée SFD, la diode blindée 60008, la micro-chambre à ionisation A16 (des détecteurs présents sur le marché) ainsi que le détecteur à fibre scintillante furent utilisés lors des mesures, de façon à comparer la réponse des différents dosimètres pour mettre à jour leurs forces et leurs faiblesses. Par la suite, un prototype composé de 49 détecteurs à fibre scintillante disposés en croix a été développé et construit afin de prendre des mesures de distributions de dose en deux dimensions. Finalement, une mesure d'un plan de traitement complet a été effectuée avec la fibre scintillante, la diode de radiochirurgie non blindée SFD et la micro-chambre à ionisation A16 afin d'évaluer la précision avec laquelle il était possible de faire une mesure de dose lors d'un contrôle de qualité avec ces différents détecteurs.

Le multidétecteur HERACLES a été utilisé pour étudier les réactions ²⁵Na; ²⁵Mg + ¹²C à 9.23 MeV par nucléon à l’accélérateur ISAC-2 de TRIUMF. Les données brutes recueillies par HERACLES doivent être traitées pour en tirer des résultats physiques. Nous avons conçu un programme d’analyse codé en C++ pour traiter ces données. Le développement d’algorithmes d’identification a permis d’accélérer l’identification des particules dans les spectres des nombreux détecteurs d’HERACLES. Les résultats de l’identification montrent une identification en charge des particules pour les détecteurs des 4 premiers anneaux couvrant des angles de 4.8° à 24° par rapport au faisceau. Les particules légères sont identifiées en masse jusqu’à l’hélium dans les 2 autres anneaux couvrant les angles de 24° à 46°. L’étalonnage en énergie des détecteurs est déterminé à l’aide de la formule de Parlog. Nous avons réalisé une simulation hybride AMD et GEMINI et nous avons comparé les résultats aux données expérimentales pour les systèmes ²⁵Na; ²⁵Mg + ¹²C C à 9.23 MeV par nucléon.

Ce mémoire de maîtrise présente différents détecteurs de la matrice HERACLES et les tests qui furent effectués afin de l'adapter aux nouvelles conditions expérimentales imposées au centre de recherche TRIUMF. Depuis sa création, l'ensemble de détecteurs qui composent aujourd'hui la matrice HERACLES a subi plusieurs modifications et devra en subir encore afin d'être à la fine pointe de la recherche moderne. Cet ouvrage est divisé en trois chapitres distincts. Chaque chapitre traite d'une catégorie de détecteurs et des diverses recherches associées. Le premier chapitre traite des détecteurs à neutrons et des corrections à effectuer afin d'améliorer l'efficacité de détection. Le second aborde les modifications sur les détecteurs composés de scintillateurs CsI(Tl). Finalement, le troisième et dernier chapitre porte sur un type de photomultiplicateur à position qui est envisagé dans la composition de la matrice. Ce travail présente une combinaison de simulations effectuées grâce au logiciel GEANT4 et d'expériences en laboratoire. Les résultats des simulations furent utilisés pour obtenir des corrections à des données d'une expérience et à connaître les meilleures corrections potentielles à tester pour les différents détecteurs.