Le Centre Oscar Lambret traite avec le Cyberknife®, depuis juin 2007, les lésions hépatiques en conditions stéréotaxiques, avec un asservissement à la respiration par des repères externes corrélés à des grains implantés près de la cible. Les résultats cliniques montrent un excellent contrôle local mais il subsiste des incertitudes lors de la préparation et de la réalisation du traitement. Cette thèse consiste à identifier et quantifier ces incertitudes puis à déterminer des solutions et/ou des alternatives et d’en évaluer l’intérêt. Ainsi, la méthode de définition de la cible par le radiothérapeute est évaluée. Une amélioration de la méthode actuellement en place en routine est envisagée, notamment par le choix de l’imagerie la mieux adaptée ainsi que par l’intervention d’un deuxième opérateur, expert en imagerie (radiologue). Les mouvements des organes à risques et cibles induits par la respiration ne sont pas pris en compte lors de l’étape de planification, effectuée sur les images 3D en amont du traitement. L’impact dosimétrique associé à ce mode de planification est évalué grâce à des simulations Monte Carlo 4D, prenant en compte les mouvements du patient et de l’accélérateur linéaire. La question d’une planification 4D comme perspective d’amélioration est alors posée. Les mouvements et déformations du foie dus à la respiration sont également mis en cause dans les incertitudes intervenant au cours du traitement. Le modèle de corrélation des repères externes avec la cible, utilisé pour l’asservissement respiratoire, ne tient pas compte des déformations et des rotations possibles au sein même du foie. Une étude des conséquences sur le suivi de la cible est effectuée. / Oscar Lambret Center treated with Cyberknife®, since June 2007, liver lesions in stereotactic conditions with respiratory tracking using external LEDs correlated with seeds implanted near the target. Clinical results show excellent local control but there are still uncertainties in the preparation and delivery of treatment. The aims of this thesis are to identify and quantify these uncertainties, to define solutions and/or alternatives and to assess their added value. As a first step, the method of the target definition by the radiation oncologist is evaluated. Improvement of the method currently used in routine is considered, including the choice of the most appropriate imaging and the intervention of a second operator, expert in imaging (radiologist). The organ at risk and target motion induced by the respiratory is not taken into account in the treatment planning step, performed on the 3D images (the so-called planning CT). The dosimetric impact associated with this type of planning is evaluated using 4D Monte Carlo simulations that take into account patient and linear accelerator movements and the synchrony between both movements. The question of 4D planning as prospect of improvement is then investigated. Movements and deformations of the liver due to respiration are also implicated in the uncertainties involved in the treatment. The correlation model of external markers with the target, used for respiratory tracking, ignores eventual deformations and rotations within the liver. A study of the impact on the target tracking is performed.

En radiothérapie, le niveau de précision de la dose délivrée au patient au cours de son traitement est d’une importance essentielle dans l’évolution vers une amélioration de la qualité et de la cohérence des données de suivi. L’une des premières étapes vers un système de support à la décision clinique (Clinical-Decision Support System CDSS) est la reconstruction précise de cette dose délivrée, en prenant en compte les nombreux facteurs pouvant générer des déviations significatives entre la dose planifiée visualisée à l’écran par l’utilisateur et la dose réellement accumulée lors des séances de traitement. Ces facteurs incluent les variations de débit de l’accélérateur, les incertitudes d’étalonnage, de calcul de dose, les mouvements du patient et des organes, etc.L’objectif de cette étude est d’implémenter et tester une plate-forme de calcul Monte Carlo pour la validation des systèmes Cyberknife et Tomothérapie installés au Centre Oscar Lambret. L’étude d’un détecteur dédié aux petits faisceaux (la chambre d’ionisation microLion) est également incluse, ce détecteur étant particulièrement adapté aux mesures sur le système Cyberknife.Le contexte et les concepts théoriques sont introduits dans les deux premiers chapitres. Dans le troisième chapitre, la modélisation Monte Carlo du Cyberknife et du détecteur microLion est détaillée. La quatrième partie inclut la description de la plate-forme Moderato et de son module d’évaluation. Dans le dernier chapitre, la modélisation du dernier modèle de Cyberknife (M6) équipé d’un collimateur multi-lames est décrite. Une nouvelle technique est également introduite dans le but d’accélérer la recherche des paramètres du faisceau d’électrons pour un modèle Monte Carlo, permettant une intégration plus simple et automatisée de nouveaux appareils dans Moderato. / In radiation therapy, the accuracy of the dose delivered to the patient during the course of treatment is of great importance to progress towards improved quality and coherence of the outcome data. One of the first steps to evolve towards a Clinical-Decision Support System (CDSS) is to be able to accurately reconstruct that delivered dose, taking into account the range of factors that can potentially generate significant differences between the planned dose visualized on the screen of the dosimetrist, and the actually delivered dose accumulated during the treatment sessions. These factors include accelerator output variations, commissioning uncertainties, dose computation errors, patient and organ movement, etc.The objective of this work is to implement and test a Monte Carlo platform for the validation of the Cyberknife and Tomotherapy systems installed at Centre Oscar Lambret. A study of a small field-dedicated detector (the microLion ionization chamber) is also included, this detector being particularly suited for measurements on the Cyberknife system.The context and theoretical concepts are introduced in the first two chapters. In the third chapter, the Monte Carlo modelling of the Cyberknife and microLion detector is detailed. The fourth part includes the description of the Monte Carlo platform Moderato and its evaluation module. In the final chapter, the modelling of the latest MLC-equipped Cyberknife model (the M6) is described. A new technique is also introduced to accelerate the optimization of the beam electron parameters of a Monte Carlo model, thus allowing for an easier and more automated use of the Moderato system. / Doctorat en Sciences biomédicales et pharmaceutiques (Médecine) / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les faisceaux de photons de petites dimensions utilisés en radiothérapie stéréotaxique sont caractérisés par de forts gradients de dose et un manque important d’équilibre électronique latéral, ce qui rend les techniques dosimétriques conventionnelles inadaptées. L’objectif de la thèse est de permettre une meilleure évaluation de la dose délivrée aux patients traités par radiothérapie stéréotaxique. D’une part, les données dosimétriques de base utilisées pour l’étalonnage du système de planification de traitement (TPS) ont été déterminées numériquement. Pour cela, deux installations de radiothérapie de type CyberKnife ont été modélisées avec le code Monte Carlo PENELOPE. Des mesures de rapport d’ouverture du collimateur ont également été réalisées à l’aide de plusieurs détecteurs actifs et de deux dosimètres passifs (film radiochromique et micro-LiF) et comparées aux facteurs d’ouverture du collimateur calculés par simulation. Six détecteurs ont été modélisés afin d’étudier les phénomènes physiques impliqués dans la réponse des détecteurs en petits champs. Parmi les détecteurs étudiés, seuls les films radiochromiques sont en accord avec la simulation, ils peuvent être utilisés sans facteur correctif. La perturbation induite par les autres détecteurs a pu être expliquée, soit par l’effet volume dû à la taille trop importante du volume actif par rapport au diamètre du faisceau, soit par la masse volumique des matériaux utilisés dans la conception du détecteur qui est trop éloignée de celle de l’eau. Les facteurs correctifs, permettant de corriger la non-équivalence-eau et/ou la mauvaise résolution spatiale de chaque détecteur, ont été déterminés pour les deux systèmes CyberKnife.D’autre part, un protocole de mesure de distributions de dose 2D pour les mini-faisceaux, basé sur l’utilisation des films radiochromiques, a été établi et un programme sous MatLab permettant l’analyse entre les distributions de doses mesurées et calculées a été développé. Des plans de traitement stéréotaxique en milieu hétérogène ont ensuite été réalisés pour un fantôme afin d’évaluer les algorithmes de calcul de dose implémentés dans le TPS MultiPlan (TPS associé au système CyberKnife). L’analyse des distributions de dose 2D des plans de traitement a montré que l’algorithme de type « Pencil Beam » implémenté dans MultiPlan est performant en milieu homogène équivalent-eau mais n’est pas adapté pour les milieux à faible densité électronique tels que le poumon. En effet, celui-ci surestime la dose dans le champ (jusqu’à 40%) ce qui peut conduire à diminuer l’efficacité du traitement de la tumeur et la sous-estime hors du champ ce qui risque de sous-évaluer la dose reçue par les organes à risques à proximité. En milieu hétérogène, l’algorithme Monte Carlo implémenté dans MultiPlan est globalement en accord avec la mesure et est par conséquent l’algorithme à privilégier pour estimer la dose délivrée au patient lorsque des milieux à faible densité sont présents. / Dosimetry of small beams is challenging given their small size compared to the detectors, high dose gradient and the lack of lateral electronic equilibrium. The Ph.D. thesis aims to improve the accuracy of the dose delivered to the patient in stereotactic radiotherapy.On the one hand, dosimetric data used to calibrate the treatment planning system (TPS) were determined using numerical simulations. To achieve this, two CyberKnife radiotherapy facilities were modelled using the PENELOPE Monte Carlo code. Output ratios measurements were performed with several active detectors and with two passive dosimeters (radiochromic film and micro-LiF) and compared with output factors calculated by simulation. Six detectors were modeled in order to study the detectors response in small beams. Among the detectors studied, only the radiochromic films were in agreement with the simulations, they can be used without correction factors. The disturbance of the detectors response in small beams was explained either by the volume effect induced by the active volume, which is too high compared to the beam size, or by the mass density effect induced by the detector body materials which are too far from water mass density. The correction factors, required to correct the disturbance caused by the non-water-equivalence and/or the low spatial resolution of each detector, were calculated for the two CyberKnife systems.On the other hand, a 2D dose measurement protocol using radiographic films and a MatLab program were developed. Stereotactic treatment plans were then performed for a phantom in order to assess the calculation algorithms implemented in the MultiPlan TPS (associated with the CyberKnife system). The analysis of the 2D dose distributions related to the stereotactic treatment plans has shown that the “Pencil Beam” based algorithm implemented in MultiPlan is suitable for dose calculation in homogeneous water-equivalent media but not in low electronic density media such as the lung. Indeed, the dose is overestimated (up to 40%) inside the field and may lead to reduce the tumor treatment efficiency while it is underestimated outside the field which can underestimate the dose to critical organs within proximity of the tumor. Regarding the Monte Carlo algorithm implemented in MultiPlan, calculated and measured dose distributions are consistent and, as a consequence, it is the most suitable algorithm available in MultiPlan to estimate the dose received by a patient when low density media are involved.

The risk of secondary cancer associated with low doses of ionizing radiation, is gaining new interest every day, especially in long term surviving patients. The unavoidable amount of the scattered dose, which is absorbed by radiosensitive tissues/organs away from the irradiated treatment site, known as peripheral dose (PD), is the outcome of secondary irradiation sources while it influences the treatment parameters. Since the associated cancer risk is likely to be much lower but not insignificant from such low doses this may affect the choice of treatment options adopted. In this study, we performed measurements in a water phantom in order to indicate the trends of the PD from conventional radiotherapy and to demonstrate the influence of typical treatment parameters, such as the distance, the depth, the field size and the energy using the mobileMOSFET dose verification system. The PD is given as a function of the above treatment parameters and a comparison was made with an ionization chamber. In the same way measurements are presented in an anthropomorphic phantom and a comparison of the results between the mobileMOSFET dose verification system and the treatment planning software is given. Finally, the PD measurements were performed in preselected areas outside the treatment field in patients undergoing 3D conformal radiotherapy treatment and since, modern treatment modalities such as the stereotactic radiosurgery/radiotherapy (SRS/SRT) procedures consolidate more and more in the treatment of benign and malignant disease, we investigated the PD in patients undergoing intracranial and extracranial treatment with Cyberknife, before and after the shielding upgrade, and demonstrated the influence of the monitor units (MU) and the size of the collimator. A discussion for the potential of stochastic radiation induced effects with both treatment modalities is also given. Peripheral dose (PD) is strongly dependent upon the irradiation parameters selected during the treatment planning procedure such as the distance, the depth, the field size and the energy of the photon beam. More specifically, PD decreases almost exponentially with the increase of distance. Close to the edge of the field, the internal scattered radiation from the patient is the predominant source of secondary scattered dose. As the distance from the field edge increases, the radiation scattered by the collimator, and the machine leakage become predominant. On the other hand, the PD is higher near the surface and drops to a minimum at the depth of dmax, and then the PD tends to become constant with depth. Closer to the field edge, where internal scatter from the phantom dominates, the PD increases with depth, because the ratio of the scatter to primary increases with depth. A few centimetres away from the field, where collimator scatter and leakage dominate, the PD decreases with depth, due to the attenuation by the water. Finally, PD is significantly higher for larger field sizes, due to the increase of the scattering volume and as the energy increase the PD increases too. According the results of PD measurements with the 3D conformal radiotherapy treatment, the mean PD in the thyroid gland, expressed as a percentage of the prescribed dose (%TD), was 1.43 %, 9.85 %, 7.27% and 2.02 %, corresponding to whole brain irradiation, mediastinum treatment, and breast treatment with and without the irradiation of supraclavicular and axillary nodes, respectively. The risk of radiation induced cancer to the thyroid gland was estimated to be at levels of 0.18 %, 1.19 %, 1.18 % and 0.33 % respectively. The mean PD of the breast, expressed as a % TD, was 5.90 %, 2.59 % and 3.14% corresponding to mediastimun treatment and breast treatment with and without the irradiation of supraclavicular and axillary nodes, respectively. The risk to the breast was estimated to be at levels of 3.97 %, 1.76 % and 1.45%, in mediastinum and breast treatment, with and without the supraclavicular irradiation, respectively. Although the results indicate that there is not an increased risk of secondary cancer in the thyroid gland and the breast after conventional radiotherapy (3D CRT), the significance of this risk has to be considered taking into account the existing pathology and the age of the patient as also further studies are needed to determine the weight of each contributor to the peripheral dose as also. As a concern, the results of the PD measurements during Cyberknife treatment, the mean preshielding PD, as a percentage of the prescribed dose (% TD) was 2.32 %, 0.63 % and 0.48 %, in the thyroid gland, the umbilicus and the pubic symphysis, respectively, since in the preshielding measurements the nipple was not monitored. The mean postshielding PD was 2.06 %, 0.65 %, 0.59 %, and 0.47 %, in the thyroid gland, the nipple, the umbilicus and the pubic symphysis, respectively. The risk for inducing secondary cancers can be considered low for the organs studied, by taking into account the existing pathology of the patients undergoing Cyberknife treatment. However, it should not be completely disregarded, especially in long term surviving patients, who are being treated for benign diseases or for curatively non metastatic malignancies. We also concluded that the increase of the collimator size during Cyberknife treatment corresponds to an increase of the PD and becomes less significant at larger distances, indicating that at these distances the PD is predominate due to the head leakage and the collimator scatter. Weighting the effect of the number of monitor units and the collimator size can be effectively used during the optimization procedure of Cyberknife in order to choose the most suitable treatment plan that will deliver the maximum dose to the tumor, while being compatible with the dose constraints for the surrounding organs at risk. Attention is required in defining the thyroid gland as a structure of avoidance in the treatment plan especially in patients with benign diseases. The most important advantages of the mobileMOSFET dosimeter are its small size, as it can be easily placed on the patient’s skin and the almost direct estimation of the dose during exposure. Moreover, its sensitivity and reproducibility make it suitable for measurements of low PD, as it provides an adequate measure of dose at low dose levels for high-energy photon beam irradiations used for therapy applications. However, attention should be given to the utilized Calibration Factor (CF), since its sensitivity is affected by the accumulated dose during its lifetime. / Σύμφωνα με τη παγκόσμια έκθεση καρκίνου, περίπου 50% όλων των ασθενών με καρκίνο θα υποβληθούν σε ακτινοθεραπεία σε κάποια φάση της θεραπείας τους. Ο κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου σε σχέση με τις χαμηλές δόσεις της ιοντίζουσας ακτινοβολίας μπορεί να είναι μικρός αλλά όχι αμελητέος, κερδίζοντας ένα ιδιαίτερο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα της ακτινοθεραπείας, επηρεάζοντας τον τρόπο επιλογής των υιοθετημένων θεραπειών. Η σκεδαζόμενη δόση, που αναπόφευκτα απορροφάται από τα ακτινοευαίσθητα όργανα που κείτονται εκτός του όγκου/στόχου, αναφέρεται στην βιβλιογραφία ως περιφερική δόση. Η περιφερική δόση είναι αποτέλεσμα διαφόρων δευτερογενών πηγών ακτινοβολίας. Συγκεκριμένα, προέρχεται από τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία εσωτερικά του ασθενούς, από τη διαρρέουσα και σκεδαζόμενη ακτινοβολία από τα μηχανικά μέρη που συνθέτουν το γραμμικό επιταχυντή όπως είναι ο πρωτεύον και δευτερεύον κατευθυντήρας, το φίλτρο επιπεδότητας, οι τροποποιητές δέσμης (σφήνες, μπλοκς, πολλαπλά φύλλα κατευθυντήρα), καθώς επίσης από τη σκεδαζόμενη ακτινοβολία από τους τοίχους, το ταβάνι και το πάτωμα του χώρου όπου στεγάζεται το ακτινοθεραπευτικό μηχάνημα αλλά και τη διαρρέουσα ακτινοβολία από τα δευτερογενή νετρόνια που παράγονται από τις φωτοπυρηνικές αλληλεπιδράσεις όταν η ενέργεια των φωτονίων είναι μεγαλύτερη των 10 MV. Όλο και περισσότερες μοντέρνες τεχνικές χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία τόσο καλοήθη όσο και κακοήθη όγκων, όπως είναι η στερεοτακτική ακτινοχειρουργική και ακτινοθεραπεία, όπου υψηλή δόση δίδεται στον όγκο/στόχο ανά συνεδρία (υποκλασματοποίηση), διατηρώντας σε πολύ χαμηλά επίπεδα την δόση στους υγιείς ιστούς. Η εκτίμηση της περιφερικής δόσης με αυτές τις τεχνικές γίνεται ένα από τα σημαντικότερα δοσιμετρικά θέματα που απασχολούν την ακτινοθεραπευτική κοινότητα και κυρίως εστιάζεται σε ασθενείς νεαρής ηλικίας, σε ασθενείς με καλοήθη όγκο καθώς επίσης σε ασθενείς με μεγάλο χρόνο βιωσιμότητας. Συγκεκριμένα, αυτή η διδακτορική διατριβή είναι η πρώτη μελέτη που αναφέρεται σε μέτρηση της περιφερικής δόσης σε ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή και εξωκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό σύστημα του Cyberknife. Επίσης είναι η πρώτη μελέτη όπου οι μετρήσεις της περιφερικής δόσης διεξήχθησαν με το δοσίμετρο MOSFET, χρησιμοποιώντας το δοσιμετρικό σύστημα mobileMOSFET. Τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα του δοσιμέτρου MOSFET είναι το μικρό του μέγεθος, δεδομένου ότι μπορεί εύκολα να τοποθετηθεί στο δέρμα του ασθενούς, καθώς και η σχεδόν άμεση εκτίμηση της δόσης στα ακτινοευαίσθητα όργανα κατά τη διάρκεια της έκθεσης τους. Επιπλέον, η ευαισθησία και η επαναληψημότητά του, το καθιστούν κατάλληλο δοσίμετρο για τη μέτρηση χαμηλού επιπέδου δόσεων, όπου συγκαταλέγεται και η περιφερική δόση. Δεν απαιτούνται πολλοί παράγοντες διόρθωσης, ωστόσο, ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο συντελεστή βαθμονόμησης (CF), καθώς η ευαισθησία του, επηρεάζεται από τη συσσωρευμένη δόση κατά τη διάρκεια της ζωής του. Αρχικά πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε ομοίωμα νερού, προκειμένου να αναδειχθεί η συμπεριφορά της περιφερικής δόσης με την επίδραση διαφόρων παραμέτρων της θεραπείας όπως είναι η απόσταση (από την άκρη του πεδίου) και το βάθος, καθώς και από το μέγεθος του πεδίου και την ενέργεια φωτονίων που χρησιμοποιήσαμε, κάνοντας στη συνέχεια σύγκριση των αποτελεσμάτων μας με το θάλαμο ιονισμού. Έγιναν μετρήσεις περιφερικής δόσης σε ανθρωπόμορφο ομοίωμα, για πέντε κλινικές περιπτώσεις (ολοκρανιακή ακτινοβόληση, ακτινοβόληση πνεύμονα, ακτινοβόληση μαστού με και χωρίς τους υπερκλείδιους και μασχαλιαίους αδένες, ακτινοβόληση του ορθού και του προστάτη) προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στα μάτια, στο θυροειδή αδένα, τις ωοθήκες και τις γονάδες. Πραγματοποιήθηκε σύγκριση των μετρήσεων του δοσιμετρικού συστήματος mobileMOSFET με τους υπολογισμούς περιφερικής δόσης του συστήματος σχεδιασμού πλάνου ISIS 3D. Σε πενήντα (50) ασθενείς που προσήλθαν στο Πανεπιστημιακό νοσοκομείου του Ρίου, προκειμένου να υποβληθούν σε τρισδιάστατη σύμμορφη ακτινοθεραπεία, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις περιφερικής δόσης σε δυο ιδιαίτερα ακτινοευαίσθητα όργανα όπως είναι ο θυροειδής αδένας και ο μαστός, προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου σε αυτά, με βάση το μοντέλο που προτείνει η Διεθνής Επιτροπή Ακτινοπροστασίας (ICRP 103). Τέλος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της περιφερικής δόσης σε 35 ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή και εξωκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό στερεοτακτικό σύστημα του Cyberknife είτε για καλοήθης (ακουστικό νευρίνωμα, μηνιγγίωμα, αδένωμα υποφύσεως κτλ.) είτε για κακοήθης ασθένειες (αρτηριοφλεβώδης δυσπλασία, οστικές και εγκεφαλικές μεταστάσεις, γλοιώματα κτλ.), προκειμένου να εκτιμηθεί η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυροειδή αδένα, το μαστό, και στα όργανα που βρίσκονται στην περιοχή του οφαλού και της ηβικής σύμφυσης. Επίσης μελετήθηκε η συμπεριφορά της περιφερικής δόσης με και χωρίς την αναβάθμιση της θωρακίσεως του ρομποτικού συστήματος, καθώς επίσης και με την επίδραση του αριθμού των monitor units και του μεγέθους του κατευθυντήρα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των μετρήσεων στο ομοίωμα του νερού, η περιφερική δόση εξαρτάται από τις παραμέτρους ακτινοβόλησης όπως είναι η απόσταση από την άκρη του πεδίου και το βάθος, καθώς επίσης από το μέγεθος του πεδίου και την εκάστοτε ενέργεια των φωτονίων που χρησιμοποιήθηκε. Κοντά στην άκρη του πεδίου ακτινοβόλησης, η εσωτερική σκέδαση του ασθενούς είναι η κυρίαρχη πηγή δευτερογενούς ακτινοβολίας ενώ όσο απομακρυνόμαστε από το πεδίο η σκεδαζόμενη ακτινοβολία από τα διάφορα μέρη του ακτινοθεραπευτικού μηχανήματος καθώς και η διαρρέουσα ακτινοβολία είναι οι σημαντικότερες πηγές δευτερογενούς ακτινοβολίας. Η περιφερική δόση μειώνεται σχεδόν εκθετικά με την απόσταση. Συγκεκριμένα, η περιφερική δόση είναι μεγάλη κοντά στην επιφάνεια, εν συνεχεία μειώνεται μέχρι το βάθος της μέγιστης δόσης και στη συνέχεια παραμένει σχεδόν σταθερή. Η αύξηση του μεγέθους του ακτινοβολούμενου πεδίου συνεισφέρει σε μεγαλύτερη περιφερική δόση λόγω του μεγαλύτερου όγκου σκέδασης ενώ μεγαλύτερη περιφερική δόση έχουμε και με την αύξηση της ενέργειας των φωτονίων που χρησιμοποιούμε. Από τις μετρήσεις που έγιναν με ανθρωπόμορφο ομοίωμα, προκύπτει ότι το σύστημα σχεδιασμού θεραπείας ISIS 3D υπερεκτιμά την περιφερική δόση σε σημεία που είναι αρκετά μακριά από τον εκάστοτε όγκο στόχο. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του μετρήσεων στους ασθενούς που υποβλήθηκαν σε τρισδιάστατη σύμμορφη ακτινοθεραπεία, η μέση περιφερική δόση στο θυρεοειδή αδένα, ως ποσοστό της χορηγηθήσας δόσης, είναι 1.43 %, 9.85 %, 7.27 % και 2.02 %, στην ολοκρανιακή ακτινοβολία, στην ακτινοβόληση του μεσοθωρακίου και στην ακτινοβόληση του μαστού με και χωρίς την ακτινοβόληση των υπερκλειδίων και των μασχαλιαίων αδένων, αντίστοιχα. Η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυρεοειδή αδένα εκτιμήθηκε στα επίπεδα του 0.18 %, 1.19 %, 1.18 % και 0.33 % αντίστοιχα. Η μέση περιφερική δόση του μαστού μετρήθηκε αντίστοιχα 5.90 %, 2.59 % και 3.14 % για την ακτινοβόληση του μεσοθωρακείου και την ακτινοβόληση του μαστού με και χωρίς την ακτινοβόληση των υπερκλειδίων και μασχαλιαίους, αντίστοιχα. Η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο μαστό εκτιμήθηκε στα επίπεδα του 3.97 %, 1.76 % και 1.45 %, αντίστοιχα. Αν και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι δεν υπάρχει ιδιαίτερα αυξημένος κίνδυνος εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυρεοειδή αδένα και το μαστό με την τρισδιάστατη σύμμορφη ακτινοθεραπεία, ιδιαίτερη έμφαση πρέπει να δοθεί στους ασθενείς που είναι νέοι ηλικιακά καθώς και σε αυτούς που έχουν μεγάλη επιβιωσιμότητα. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων στους ασθενείς που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό σύστημα του Cyberknife, είναι τα ακόλουθα. Η μέση περιφερική δόση, ως ποσοστό της χορηγηθήσας δόσης, πριν την αναβάθμιση της θωρακίσεως του συστήματος, μετρήθηκε σε 2.32 %, 0.63 % και 0.48 %, στο θυρεοειδή αδένα, την περιοχή του ομφαλού και της ηβικής σύμφυσης, αντίστοιχα. Η μέση περιφερική δόση, μετά την αναβάθμιση της θωρακίσεως του συστήματος, μετρήθηκε σε 2.06 %, 0.65 %, 0.59 %, και 0.47 %, στο θυρεοειδή αδένα, το μαστό, την περιοχή του ομφαλού και της ηβικής σύμφυσης, αντίστοιχα. Η πιθανότητα εμφάνισης δευτερογενούς καρκίνου στο θυροειδή αδένα και στο μαστό, εκτιμήθηκε περίπου σε 0.12 % και 0.14 %, αντίστοιχα, μετά την αναβάθμιση θωρακίσεως του συστήματος Cyberknife. Γενικά η πιθανότητα δευτερογενούς καρκίνου και στα δύο όργανα υψηλού κινδύνου είναι μικρή αν αναλογιστούμε και την εκάστοτη παθολογία των ασθενών που υποβλήθηκαν σε ενδοκρανιακή στερεοταξία με το ρομποτικό σύστημα του Cyberknife. Ωστόσο δε θα πρέπει να αγνοηθεί για τους ασθενείς που είναι νέοι ή έχουν καλοήθη πάθηση ή μεγάλο χρόνο βιωσιμότητας. Στην περίπτωση του θυροειδούς αδένα, όπου κείτεται κοντά στην περιοχή ακτινοβόλησης, η πιθανότητα αυτή μπορεί να αυξηθεί δραματικά αν οι δέσμες εξόδου περάσουν μέσα από αυτόν. Επομένως, ένα ερώτημα που τίθεται είναι αν ο θυροειδής αδένας κατά το σχεδιασμό της θεραπείας πρέπει να θεωρηθεί ή όχι ως όργανο κινδύνου. Τέλος, καθώς επιβεβαιώθηκε ότι η περιφερική δόση είναι ανάλογη του αριθμού των monitor units, η εκτίμησή της μπορεί να γίνει έμμεσα από τα monitor units για δεδομένη απόσταση που βρίσκεται το εκάστοτε όργανο κινδύνου από τον όγκο στόχο. Παράλληλα συμπεράναμε ότι όσο αυξάνεται το μέγεθος του κατευθυντήρα η περιφερική δόση αυξάνεται. Είναι προφανές λοιπόν ότι η επίδραση αυτών των δυο παραμέτρων στη περιφερική δόση πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά τη διάρκεια σχεδιασμού ενός πλάνου θεραπείας από τον ακτινοφυσικό, προκειμένου να κάνει τη βελτιστοποίησει του πλάνου θεραπείας, επιλέγοντας εκείνο που θα δώσει την μέγιστη δόση στον όγκο/ στόχο χωρίς να υπερβεί τα όρια δόσης ανοχής των υγιών ιστών.

Le CyberKnifeTM est composé d’un accélérateur linéaire de 6 MV monté sur un bras robotisé, avec 6 axes de rotation et d’un système d’imagerie permettant de guider le faisceau d’irradiation sur la cible à traiter. Le but est d'améliorer la précision du traitement et la réduction de l’irradiation des organes critiques environnants. Le traitement est réalisé par la convergence « isotrope » d’une centaine d’orientation pour créer jusqu’à 1200 mini faisceaux dirigés sur la cible avec une précision sub-millimétrique. Cet ensemble est complété par une table de traitement montée sur un bras robotisé qui offre 6 degrés de liberté supplémentaires, permettant d’améliorer encore la précision du traitement et de lever d’éventuelles limitations. Grâce à son sous système SynchronyTM, le CyberKnifeTM est capable de traiter les tumeurs abdo-thoraciques, qui bougent avec la respiration en déplaçant dynamiquement le LINAC afin de compenser le mouvement respiro-induit. La forte dose utilisée dans ce genre de traitement hypofractionné, rend toute erreur même minimale inacceptable et impose une très grande précision géométrique, tout en assurant une précision dosimétrique maximale.Notre travail est consacrée à évaluer la qualité de traitement en termes des précisions géométrique et dosimétrique, pour les différents modes de suivi disponibles dans le système en statique, et en dynamique avec suivi respiratoire. Dans cette étude, nous avons utilisé différents types de détecteurs, et trois plateformes afin de simuler des simples mouvements respiratoires, des mouvements réels provenant des patients traités et enfin des mouvements complexes avec hystérésis / The CyberKnifeTM consists of 6MV LINAC mounted on a robotic arm, with six degree of freedom and is coupled to an image guiding system, allowing us to guide the irradiation beams toward the target. The aim is to improve the treatment accuracy and to reduce the irradiation of critical surrounding organs. The treatment is realized by the isotropic convergence of hundreds of orientations for creating up to 1200 mini-beams, which are orientated to the target with submillimetric accuracy. This group is completed by a treatment couch, which is also mounted on a robotized arm, that offers 6 additional degrees of freedom, allowing an additional improvement of accuracy, and eliminates the possible limitations. Using its subsystem SynchronyTM, the CyberKnifeTM is capable of treating the abdo -thoracic tumors, which move with respiration, by moving dynamically the LINAC to compensate the respiratory motion of the tumors. The high dose level, which is used in this kind of hypofractionated treatment, makes the smallest error unacceptable, and needs a very high geometric accuracy with keeping a maximal dosimetric accuracy. Our work is dedicated to evaluate the quality of treatment, in the terms of dosimetric and geometric accuracies. For the different modes of tracking, which are available in the system in static mode, and dynamic mode with respiratory motion tracking. By using different kinds of detectors (ionization chambers, radiochromic films) and three different platforms, which allow simulating simple respiratory motion, real respiratory motion coming from real treated patients, and finally complex motion with hysteresis

Cancer remains a significant global challenge, constituting one of the leading causes of death worldwide. With an aging population, the demand for cancer treatments is increasing. Nevertheless, due to technological advancements, cancer mortality rates are declining. This study contributes to these advancements, focusing specifically on radiation therapy, a crucial technology widely used today. Since the invention of radiation therapy, there has been significant research and progress in the field. One such advancement is the CyberKnife® system (Accuray Incorporated, Sunnyvale, CA, USA) - a fully robotic radiotherapy device that enables precise patient treatments. Its flexibility allows for the delivery of high-quality plans, but treatment times can be quite long, leading to adverse effects for both patients and healthcare providers. This thesis introduces algorithms aimed at reducing the robot traversal time of the CyberKnife technology. These algorithms are incorporated into an existing optimization framework for treatment planning, with their effectiveness evaluated across various patient cases. Significant reductions in treatment times for some patient cases were observed, while maintaining satisfactory plan quality, primarily due to more efficient traversal paths for the CyberKnife robot. The increased efficiency of the robot can also be leveraged to create treatment plans with more irradiation directions, increasing the treatment quality in some cases. / Cancer förblir en betydande global utmaning och är en av de främsta dödsorsakerna i världen. Med en åldrande befolkning ökar efterfrågan på cancerbehandlingar. Trots detta minskar cancerdödligheten tack vare teknologiska framsteg. Denna studie bidrar till dessa framsteg, med särskilt fokus på strålterapi, en avgörande teknologi som används i stor utsträckning idag.  Sedan uppfinningen av strålterapi har det gjorts betydande forskning och utveckling inom området. Ett sådant framsteg är CyberKnife®-systemet (Accuray Incorporated, Sunnyvale, CA, USA) - en helt robotiserad strålterapimaskin som möjliggör precisa behandlingar för patienter. Dess flexibilitet gör det möjligt att leverera högkvalitativa planer, men behandlingstiderna kan vara långa, vilket leder till negativa effekter för såväl patienter som sjukvården. Denna uppsats introducerar algoritmer som syftar till att minska traverseringstiden för CyberKnife-roboten. Dessa algoritmer integreras i ett befintligt optimeringsramverk för behandlingsplanering, med deras effektivitet utvärderad baserat på olika patientfall.  Betydande minskningar av behandlingstiderna observerades för vissa patientfall, samtidigt som tillfredsställande plankvalitet behölls, främst med anledning av mer effektiva traverseringsvägar för CyberKnife-roboten. Denna effektivisering möjliggör också skapandet av behandlingsplaner med fler strålriktningar, vilket förbättrade behandlingskvaliteten i vissa fall.

Des avancements récents dans le domaine de la radiothérapie stéréotaxique permettent à un nombre grandissant de patients de recevoir un traitement non-invasif pour le cancer du foie. L’une des méthodes utilisées consiste à suivre le mouvement de la tumeur à l’aide de marqueurs radio-opaques insérés dans le foie grâce au système de suivi de l’appareil de traitement CyberKnife. Or, l’insertion de ces marqueurs est parfois trop invasive pour certains patients souffrant de maladie du foie avancée. Ces patients ont souvent un historique de chirurgie qui permet d’utiliser les agrafes chirurgicales déjà présentes dans leur foie dans le but de suivre leur tumeur. Cette nouvelle approche au traitement des tumeurs du foie est investiguée dans cette étude afin d’en déterminer les paramètres optimaux pour une meilleure pratique thérapeutique. L’expérimentation sur fantôme anthropomorpique a permis de conclure que le contraste des agrafes dans leur milieu augmente lors de l’augmentation des paramètres d’imagerie (kilovoltage et milliampérage de l’appareil de radiographie). D’autre part, l’erreur commise par le système CyberKnife dans l’identification des agrafes pour le suivi a été mesurée comme étant supérieure à celle sur l’emplacement des marqueurs radiologiques de platine (environ 1 mm contre moins de 1 mm). Cette erreur est considérée comme acceptable dans le contexte de ce type de traitement particulier. Enfin, une analyse gamma de l’impact dosimétrique du suivi par agrafes a montré qu’il était approximativement équivalent à celui par marqueurs de platine. De ces observations on conclue que le traitement des tumeurs du foie avec suivi des agrafes chirurgicales est valide et peut être amélioré suivant certaines recommandations cliniques. / Recent progress in stereotactic body radiation therapy allows an ever larger number of people to receive non-invasive treatment for liver cancer. One of the methods that were developed involves tracking the tumor’s movements, using radio-opaque markers which are inserted into the liver of the patient, with the help of the tracking system of the CyberKnife. However, the insertion of these markers is sometimes too invasive for patients with poor liver condition. These patients often have a history of surgery which allows the tracking of surgical clips that are already present in the liver as a surrogate for the tumor. This new approach to treating liver cancer is investigated in the present study in order to identify the optimal parameters for a better practice of this therapy. An anthropomorphic phantom experiment lead to the conclusion that the clip contrast in the tissue increases with an increase of the two imaging parameters (kV and mA of the x-ray tube). In addition, the error that was made on the identification of the position of clips by the CyberKnife system was measured as being slightly superior to the error on platinum marker positions (approximately 1 mm vs less than 1 mm). This error is considered acceptable in the context of this particular type of treatment. Finally, a gamma analysis of the dosimetric impact of clip tracking shows that it is approximately equivalent to that of platinum marker tracking. From these observations, we conclude that the treatment of liver tumors using surgical clips is valid and can be improved following this study’s clinical recommendations.

L’appareil de radiochirurgie CyberKnife performe des traitements avancés de radiothérapie qui offrent des avantages nets pour certains types de cancer. Or, cet appareil produit uniquement des petits faisceaux circulaires ce qui complexifie les procédures de dosimétrie en milieu clinique. En effet, en conditions de petits champs, les diverses perturbations au niveau du détecteur peuvent être très grandes. Ainsi, l’utilisation de la méthode Monte Carlo est nécessaire lors de l’étalonnage et la caractérisation de faisceaux. Ces processus, lors desquels des valeurs de dose de référence et relative sont mesurées et entrées dans les systèmes de planification de traitement, assurent l’efficacité des traitements ainsi que la sécurité des patients. Cette thèse porte sur la modélisation Monte Carlo du CyberKnife M6 et étudie diverses applications à la dosimétrie de petits champs de radiothérapie. En premier lieu, une nouvelle méthode permettant la correction de la dépendance au débit de dose des diodes au silicium est proposée. Cette dernière est validée puis appliquée à des mesures relatives effectuées au CyberKnife du Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Les résultats illustrent la correction de l’erreur systématique induite dans les mesures due à la dépendance au débit de dose de la diode considérée. La méthode proposée fournit alors une solution efficace à cette problématique. En second lieu, une méthode pour l’optimisation des paramètres sources requis en entrée lors de la modélisation Monte Carlo de faisceaux de radiothérapie est introduite. Cette dernière est basée sur une approche probabiliste portant sur la comparaison de mesures et de simulations pour divers détecteurs, et permet la détermination de l’énergie du faisceau d’électrons incident sur la cible d’un appareil, ainsi que de la largeur à mi-hauteur de sa distribution radiale. La méthode proposée, qui est appliquée au CyberKnife du CHUM, fournit une nouvelle approche permettant l’optimisation d’un modèle Monte Carlo d'un faisceau ainsi que l’estimation des incertitudes sur ses paramètres sources. En troisième lieu, le modèle de faisceau du CyberKnife développé est utilisé afin d’estimer l’impact des incertitudes des paramètres sources sur diverses fonctions dosimétriques couramment utilisées en milieu clinique, ainsi que sur des distributions de dose obtenues par simulation de plans de traitement. Les résultats illustrent l’augmentation de l’impact des incertitudes du modèle de faisceau avec la réduction de la taille de champ, et fournissent une nouvelle perspective sur la précision de calcul atteignable pour ce type de calcul de dose Monte Carlo en petits champs. En quatrième lieu, les protocoles de dosimétrie TG-51 (version adaptée du manufacturier) et TRS-483 sont respectivement appliqués et comparés pour l’étalonnage du CyberKnife M6 se trouvant au CHUM. Il est observé que le TRS-483 est cohérent avec le TG-51. Des facteurs de correction de la qualité et corrigeant pour les effets de moyenne sur le volume propres au CyberKnife du CHUM sont estimés par simulations Monte Carlo pour une chambre à ionisation Exradin A12. Les résultats illustrent que la valeur générique fournie dans le TRS-483 pourrait être surestimée en comparaison à notre modèle de CyberKnife et que cette surestimation pourrait être due à la composante de moyenne sur le volume. / The CyberKnife radiosurgery system performs advanced radiotherapy treatments that offer clear benefits for certain types of cancer. However, this device produces small circular fields only, which complicates dosimetry procedures in a clinical environment. Indeed, under small field conditions, the various perturbations at the detector level can become very large. Thus, the use of the Monte Carlo method is necessary when calibrating and characterizing beams. Such processes, during which reference and relative dose values are measured and entered into treatment planning systems, ensure the validity of treatments as well as patient safety. This thesis focuses on the Monte Carlo modeling of the CyberKnife M6 and studies various applications to small photon fields dosimetry. Firstly, a new method for the correction of the dose rate dependency of silicon diode detectors is proposed. The latter is validated and applied to relative measurements performed at the CyberKnife of the Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Results illustrate the correction of the systematic error induced in the measurements due to the dose rate dependency of the considered diode. The proposed method provides an efficient solution to this issue. Secondly, a method for the optimization of the source parameters required as input during Monte Carlo beam modeling is introduced. The latter is based on a probabilistic approach and on the comparison of measurements and simulations for various detectors. The method allows the determination of the energy of the electron beam incident on the target of a linac, as well as the full width at half-maximum of its radial distribution. The proposed method, which is applied to the CyberKnife unit of the CHUM, provides a new approach for the optimization of a Monte Carlo beam model and a way to estimate the uncertainties on its source parameters. Thirdly, the developed CyberKnife beam model is used to estimate the impact of source parameter uncertainties on various dosimetric functions commonly used in the clinic environment, and on dose distributions obtained by simulation of treatment plans. Results illustrate the increase of the impact of beam modeling uncertainties with the decrease of the field size, and provide insights on the reachable calculation accuracy for this type of Monte Carlo dose calculation in small fields. Lastly, the TG-51 (manufacturer’s adapted version) and TRS-483 dosimetry protocols are respectively applied and compared for the calibration of the CHUM’s CyberKnife. We observe that TRS-483 is consistent with TG-51. Beam quality and volume averaging correction factors specific to the CHUM's CyberKnife are estimated using Monte Carlo simulations for an Exradin A12 ionization chamber. Results illustrate that the generic value provided in the TRS-483 could be overestimated in comparison to our CyberKnife model and that this overestimation could be due to the volume averaging component.

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D. / Pulmonary cancer is the main cause of death amongst all cancers in Canada with a prognosis of about 15% survival rate in 5 years. The efficiency of radiotherapy treatments is lower when high displacements of the tumors are observed, mostly caused by intrafraction respiratory motion. Advanced techniques such as radiosurgery and intensity-modulated radiotherapy treatments (IMRT) are expected to provide better clinical results by delivering higher radiation doses to the tumor while sparing the surrounding healthy lung tissues. The goal of this project is to perform 4D Monte Carlo dose recalculations to assess the dosimetric impact of moving tumors in CyberKnife and IMRT treatments using dose accumulation in deforming anatomies. Scripts developed in-house were used to model both situations and to compare the Monte Carlo dose distributions with those obtained with standard clinical plans. Displacement vectors fields are obtained from a 4D CT data set and a deformable image registration (DIR) algorithm which allows a voxel-to-voxel correspondence between each respiratory phase. The DIR is computed by the Advanced Normalization Tools (ANTs) software and is mostly based on diffeormophisms. A modified version of DOSXYZnrc from EGSnrc software, defDOSXYZnrc, is used to transport radiation through non-linear geometries. These results are then compared to a typical 3D plan to determine whether or not the current planification is a good approximation of the true 4D dose calculation.

Le Cyberknife (Accuray, Sunnyvale, CA) est un appareil de radiochirurgie stéréotaxique sans cadre. Il a été développé pour administrer de fortes doses dans des volumes restreints. Aussi, pour obtenir une conformation optimale de traitement, des champs circulaires de petites dimensions sont utilisés (\phi = 0,5 à 6 cm). L'étude dosimétrique de ces petits champs doit être menée selon de nouveaux standards puisque ceux-ci échappent aux définitions du TG-51. L'objectif de ce projet est d'implanter une plateforme de calcul de dose de type Monte Carlo pour le CyberKnife en clinique. Il s'articule autour de deux réalisations principales. Tout d'abord, une caractérisation dosimétrique du modèle Monte Carlo de l'accélérateur linéaire du CyberKnife a été menée à travers des simulations Monte Carlo générées par le moteur de EGSnrc. Cette étude est basée sur la caractérisation de la réponse d'un détecteur à un champ de type CK à partir de simulations EGS_chamber. Cette approche permet de prendre en compte l'impact du détecteur sur les mesures expérimentales. Cet aspect est d'autant plus important que le modèle Monte Carlo de l'accélérateur est validé à partir de mesures expérimentales. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance, <1% ou 1 mm, entre les mesures expérimentales et les données de simulations pour les grands champs. Pour les champs de diamètre < 12,5 mm, le modèle est moins exact et une correction est appliquée pour atteindre une différence de <1% ou 1 mm. Deuxièmement, ce modèle validé du CK a été implanté dans un cadre de calcul Monte Carlo complet. Une plateforme de calcul dédiée aux calculs Monte Carlo, WebTPS, a été adaptée aux calculs de dose CK. Cette plateforme reçoit les données relatives au plan de traitement et lance des calcul EGSnrc sur un superordinateur. Cette approche tend à réduire les approximations lors de l'évaluation dosimétrique de plans de traitements cliniques. Une incertitude inférieure à 1% peut être atteinte en deux heures de calcul. Ce projet a donc pour objectif de développer une référence clinique pour le calcul de dose dans le cadre de la radiochirurgie stéréotaxique. L'outil WebTPS pourrait être particulièrement utile en clinique, l'algorithme de calcul de dose du CK étant limité dans plusieurs situations de traitement. / Purpose: The scope of this study is to implement a clinical Monte Carlo dose calculation system based on the EGSnrc engine. This web-based tool will be mostly used to evaluate clinical treatment plans in highly heterogeneous phantoms. Methods: The Monte Carlo calculation tool is based on the DOSXYZnrc user code. The platform automatically converts CyberKnife clinical plan to the user code input files. Phantoms can be created from HU to ED curves or by manually assigning material using medical contours. Parallel computation is made on a Compute Canada high-performance cluster to reduce simulation time. A Monte Carlo CyberKnife model is built on BEAMnrc user code using the manufacturer specifications. Simulated and experimental data is compared to estimate the electron beam parameters. The beam energy estimation is based on percent depth dose (PDD) comparison while the full width at half max (FWHM) is validated by output factor (OF) and off-axis ratio (OAR). An EGS_chamber model of the PTW60012 diode is used in the OF calculation. A set of phase-spaces is generated from the optimal model and for each collimator to calculate dose contribution from each incident beam. Results: The linac model optimisation yielded a 0.5% PDD agreement between experimental and simulation data, and a 0.5% or 1 mm for OAR. DOSxyz simulation of full treatment plan, based on the preliminary CyberKnife model, were achieved. Total Monte Carlo dose calculation have been achieved for heterogeneous phantoms. Uncertainty under 1% can be achieved for less than 2 hour of computing time. However, computing time estimation is nontrivial due to its dependence on cluster availability. Conclusion: This work aims to develop a suitable tool for reference plan dose calculation. This web-based tool would be used in several clinical and research applications where the CyberKnife embedded ray-tracing algorithm would show significant limitations. Because it is destined to a clinical use, the whole dose calculation system will be rigorously validated. / Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.