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.

Pour analyser les images en tomodensitométrie, une méthode stœchiométrique est gé- néralement utilisée. Une courbe relie les unités Hounsfield d’une image à la densité électronique du milieu. La tomodensitométrie à double énergie permet d’obtenir des informations supplémentaires sur ces images. Une méthode stœchiométrique a été dé- veloppée pour permettre de déterminer les valeurs de densité électronique et de numéro atomique effectif à partir d’une paire d’images d’un tomodensitomètre à double énergie. Le but de cette recherche est de développer une nouvelle méthode d’identification de tissus en utilisant ces paramètres extraits en tomodensitométrie à double énergie. Cette nouvelle méthode est comparée avec la méthode standard de tomodensitométrie à simple énergie. Par ailleurs, l’impact dosimétrique de bien identifier un tissu est déterminé. Des simulations Monte Carlo permettent d’utiliser des fantômes numériques dont tous les paramètres sont connus. Les différents fantômes utilisés permettent d’étalonner les méthodes stœchiométriques, de comparer la polyvalence et la robustesse des méthodes d’identification de tissus double énergie et simple énergie, ainsi que de comparer les distributions de dose dans des fantômes uniformes de mêmes densités, mais de compo- sitions différentes. La méthode utilisant la tomodensitométrie à double énergie fournit des valeurs de densi- tés électroniques plus exactes, quelles que soient les conditions étudiées. Cette méthode s’avère également plus robuste aux variations de densité des tissus. L’impact dosimé- trique d’une bonne identification de tissus devient important pour des traitements aux énergies plus faibles, donc aux énergies d’imagerie et de curiethérapie. / A stoichiometric method is usually used to analyze computed tomography images. A curve links the Hounsfield units on the images to the electron density in a given me- dium. Dual-energy computed tomography gives additional information on a scan. A stoi- chiometric method was developed to acquire both electron density and effective atomic number from a pair of images. The aim of this research is to develop a new method to identify tissues using the parame- ters extracted from dual-energy computed tomography. This new method is compared to the standard single-energy computed tomography segmentation method. Furthermore, the effect of correctly assigning tissues on dose distribution is studied. Monte Carlo simulations allow the use of perfectly known numerical phantoms. Dif- ferent phantoms allowed the calibration of the stoichiometric methods, the comparison of the versatility and the robustness of the dual-energy and the single-energy methods, and the comparison of dose distribution in phantoms of same densities, but of different compositions. The dual-energy identification method gives more accurate values of electron density in any studied condition. This method is also more robust to tissues of variable density. The dosimetric impact of an accurate identification becomes more important for treatments using lower energy photons, such as imaging energies and brachytherapy.

Cette thèse a été réalisée dans le cadre de la dosimétrie des faisceaux de haute énergie délivrés au patient pendant un traitement de radiothérapie externe. L'objectif de ce travail est de vérifier que la distribution de dose 3D absorbée dans le patient est conforme au calcul réalisé sur le système de planification de traitement (TPS) à partir de l'imageur portal (en anglais : Electronic Portal Imaging Device, EPID). L'acquisition est réalisée en mode continu avec le détecteur aS-1200 au silicium amorphe embarqué sur la machine TrueBeam STx (VARIAN Medical system, Palo Alto, USA). Les faisceaux ont une énergie de 10 MeV et un débit de 600 UM.min-1. La distance source-détecteur (DSD) est de 150 cm. Après correction des pixels défectueux, une étape d'étalonnage permet de convertir leur signal en dose absorbée dans l'eau via une fonction de réponse. Des kernels de correction sont également utilisés pour prendre en compte la différence de matériaux entre l'EPID et l'eau et pour corriger la pénombre sur les profils de dose. Un premier modèle de calcul a permis ensuite de rétroprojeter la dose portale en milieu homogène en prenant en compte plusieurs phénomènes : les photons diffusés provenant du fantôme et rajoutant un excès de signal sur les images, l'atténuation des faisceaux, la diffusion dans le fantôme, l'effet de build-up et l'effet de durcissement du faisceau avec la profondeur. La dose reconstruite est comparée à celle calculée par le TPS avec une analyse gamma globale (3% du maximum de dose et 3 mm de DTA). L'algorithme a été testé sur un fantôme cylindrique homogène et sur un fantôme de pelvis à partir de champs modulés en intensité (RCMI) et à partir de champs d'arcthérapie volumique modulés, VMAT selon l'acronyme anglais Volumetric Modulated Arc Therapy. Le modèle a ensuite été affiné pour prendre en compte les hétérogénéités traversées dans le milieu au moyen des distances équivalentes eau dans une nouvelle approche de dosimétrie plus connue sous le terme de " in aqua vivo " (1). Il a été testé sur un fantôme thorax et, in vivo sur 10 patients traités pour une tumeur de la prostate à partir de champs VMAT. Pour finir, le modèle in aqua a été testé sur le fantôme thorax avant et après y avoir appliqué certaines modifications afin d'évaluer la possibilité de détection de sources d'erreurs pouvant influencer la bonne délivrance de la dose au patient.[...] / This thesis aims at the dosimetry of high energy photon beams delivered to the patient during an external radiation therapy treatment. The objective of this work is to use EPID the Electronic Portal Imaging Device (EPID) in order to verify that the 3D absorbed dose distribution in the patient is consistent with the calculation performed on the Treatment Planning System (TPS). The acquisition is carried out in continuous mode with the aS-1200 amorphous silicon detector embedded on the TrueBeam STx machine (VARIAN Medical system, Palo Alto, USA) for 10MV photons with a 600 UM.min-1 dose rate. The source-detector distance (SDD) is 150 cm. After correction of the defective pixels, a calibration step is performed to convert the signal into an absorbed dose in water via a response function. Correction kernels are also used to take into account the difference in materials between EPID and water and to correct penumbra. A first model of backprojection was performed to reconstruct the absorbed dose distribution in a homogeneous medium by taking into account several phenomena: the scattered photons coming from the phantom to the EPID, the attenuation of the beams, the diffusion into the phantom, the build-up, and the effect of beam hardening with depth. The reconstructed dose is compared to the one calculated by the TPS with global gamma analysis (3% as the maximum dose difference criteria and 3mm as the distance to agreement criteria). The algorithm was tested on a homogeneous cylindrical phantom and a pelvis phantom for Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) and (Volumetric Arc Therapy (VMAT) technics. The model was then refined to take into account the heterogeneities in the medium by using radiological distances in a new dosimetrical approach better known as "in aqua vivo" (1). It has been tested on a thorax phantom and, in vivo on 10 patients treated for a prostate tumor from VMAT fields. Finally, the in aqua model was tested on the thorax phantom before and after making some modifications to evaluate the possibility of detecting errors that could affect the correct delivery of the dose to the patient. [...]