Cette thèse se cadre dans le développement de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique. Étant donné la complexité des distributions de dose de radiation qu’impliquent les techniques modernes de traitement en radiothérapie externe, il est nécessaire d’avoir des outils cliniques offrant une mesure complète d’une distribution tridimensionnelle (3D) de dose administrée par un accélérateur linéaire médical. Des solutions prometteuses, ayant une capacité de mesure intéressante autant spatialement que temporellement, résident dans la dosimétrie à scintillation volumétrique. Dans le but de faciliter le développement de prototypes expérimentaux, cette thèse met de l’avant un processus de conception généralisé qui exploite les fonctionnalités de tracé réel de rayons d’un logiciel de conception optique. L’approche proposée permet une modélisation optique complète de systèmes tomographiques employant multiples caméras — de type standard ou plénoptique — pour imager la lumière fluorescente émise d’un volume scintillant sous l’effet de la radiation. La thèse fournit le bagage à la fois contextuel et théorique de la physique médicale et de l’ingénierie optique nécessaire à la compréhension et l’appréciation des travaux présentés, tout en cadrant la motivation de ceux-ci dans une réalité clinique, soit celle de la radiothérapie externe. Les contributions principales de la thèse se divisent en trois portions. D’abord, des travaux de simulation valident le processus généralisé de modélisation optique de systèmes à imageurs multiples et le calcul de leur modèle tomographique au moyen d’un logiciel de conception optique. Ensuite, à partir du processus de simulation de prototypes virtuels, une étude de faisabilité démontre la mise en application d’un prototype expérimental employant de multiples caméras plénoptiques pour des mesures volumétriques en dosimétrie à scintillation. Enfin, une analyse comparative entre l’emploi des caméras standards versus plénoptiques dans le contexte de tomographie à émission est présentée, puis des pistes à explorer sont discutées afin de mieux élucider la question de leur apport tomographique respectif. En somme, le processus de conception généralisé mis de l’avant dans cette thèse découple et simplifie les étapes de développement expérimental, offrant une flexibilité accrue de design de futurs outils cliniques pour la dosimétrie 3D. Ce travail ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique. / This thesis simplifies and generalizes the developmental workflow of volumetric scintillation dosimetry systems. Due to the high complexity of radiation dose distributions delivered to patients by means of modern radiotherapy treatment techniques, it is essential to have clinical tools capable of measuring the full three-dimensional (3D) dose distributions delivered by medical linear accelerators. Imaging-based volumetric scintillation dosimetry offers promising solutions with potential for both high spatial and temporal resolution. To ease the development of experimental prototypes, this thesis puts forth a generalized design workflow based on the real ray tracing capabilities of optical design software. The proposed method allows for a complete and precise optical modeling of tomographic systems composed of multiple cameras, either standard or plenoptic, used to image the fluorescent light emission induced by radiation in translucent scintillator volumes. This thesis provides the reader with both the contextual and theoretical background in medical physics and optical engineering to understand fully and to appreciate the work carried out in the context of external beam radiation therapy. The main contributions of the thesis are three-fold. First, a simulative study serves to validate the generalized workflow for optical and tomographic modeling of multiple imager-based scintillation dosimetry systems using optical design software. Subsequently, a feasibility study demonstrates the simulation-to-experimental implementation of a tomographic-based prototype using multiple plenoptic camera images of a plastic scintillator volume for volumetric dose measurements. Finally, a comparative analysis between the use of sandard versus plenoptic cameras in the context of emission computed tomography is carried out, leading to the discussion of potential future work needed to better define and quantify the tomographic contribution of each respective type of imaging system. Concretely, the generalized design workflow based on the innovative use of optical design software elaborated within the pages of this thesis both simplifies and decouples the phases of prototype development, offering increased flexibility in designing future clinical tools for 3D dosimetry. This work thus paves the way for developing next-generation measurement systems in volumetric scintillation dosimetry and other tomography-based imaging applications.

Le mélanome uvéal représente la majorité des cancers primaires intraoculaires chez l'adulte et 90% des cas sont situés dans la choroïde. Souvent, le mélanome uvéal est traité par curiethérapie ou radiothérapie interne. Dans ce traitement, une plaque épisclérale contenant des sources radioactives est placée par chirurgie sur la sclère du patient afin d'y déposer une dose énergétique permettant de faire diminuer le volume tumoral. Le mélanome uvéal se caractérise par des différences dans les niveaux de radiosensibilité des cellules présentes dans la tumeur. Or, ce facteur n'est pas considéré dans les modèles dosimétriques (« fantômes ») actuellement employés par les physiciens médicaux pour la planification du traitement de curiethérapie. Ce projet de maîtrise consiste à concevoir un fantôme dosimétrique à base d'hydrogel, produit par bioimpression, reprenant certaines caractéristiques géométriques de l'œil, et contenant des cellules présentant différents niveaux de radiosensibilité. Pour ce faire, un hydrogel à d'alginate (fonction mécanique), de gomme de xanthane (fonction imprimabilité) et de collagène de type I (fonction cellulaire) a été optimisé en fonction de son imprimabilité en appareil de bioimpression. Une technique a été développée, permettant l'impression d'un dôme d'hydrogel reprenant la géométrie d'une sclère humaine. La viabilité de cellules du mélanome uvéal dans l'hydrogel a été quantifiée pour trois (3) lignées (Mel270, Mμ2, 92.1) possédant des niveaux de radiosensibilité différents, ainsi que pour une lignée saine (fibroblastes stromaux choroïdiens). Ces tests, comparant les valeurs de viabilité avec et sans procédure de bioimpression, ont permis de déterminer la fenêtre optimale d'utilisation des différentes lignées cellulaires pour des expériences de dosimétrie futures. Le modèle de fantôme ainsi développé permettra d'imprimer des formes tumorales contenant des cellules de différents niveaux de radiosensibilité, afin de mieux mesurer le dépôt de la dose par les plaques épisclérales sur les cellules du mélanome uvéal et de la sclère pendant le traitement de curiethérapie. / Uveal melanoma is the most frequent type of intraocular primary cancer and 90% of these tumours are located in the choroid. Uveal melanoma is usually treated by brachytherapy or internal radiotherapy. In this treatment, an episcleral plaque containing radioactive sources is surgically placed onto the patient's sclera to deposit an energetic dose that will reduce the tumor volume. Uveal melanoma is known to be a type of cancer that shows a wide range of radiosensitivity among the different cells that compose the tumour. However, radiosensitivity data are not taken into account in the current dosimetry models ("phantoms") used to prepare the treatment by the medical physicists. This master's project aims at developing, by 3D printing, an eye-shaped cell-laden hydrogel dosimetry phantom that could be used for studying the effect of radiotherapeutic treatments on different cell types that are associated with different radiosensitivity levels. A hydrogel of alginate (mechanical function), collagen type I (cellular function) and xanthan gum (printability function) was optimized for its printability. A technique was developed to print a dome-shaped hydrogel having the geometry of the human sclera. The cell viability of uveal melanoma in the hydrogel was quantified for 3 cell lines (Mel270, Mμ2, 92.1) having different levels of radiosensitivity, as well as for a healthy cell line (choroidal stromal fibroblasts). These tests that compare the cell viability with and without printing procedures indicated the optimal window for the use of the different cell lines in future dosimetry experiments. The dosimetry phantoms model thus developed will allow the printing of tumor shape containing cells with different radiosensitivity level to better measure the deposition of the dose by the episcleral plaque son uveal melanoma cells and the sclera during the treatment of brachytherapy.

Titre de l'écran-titre (visionné le 3 octobre 2023) / La radiothérapie externe est une modalité de traitement utilisée contre le cancer qui vise à distribuer de la dose de radiation à une région atteinte par la maladie. Les dosimètres sont les instruments utilisés pour mesurer de la dose livrée par l'appareil de traitement. Le besoin de valider des distributions de dose en trois dimensions pour des traitements de radiothérapie de haute précision a récemment généré de l'intérêt face aux dosimètres en gel. Le gel polymère est un type de gel permettant une mesure de la dose en 3D. Le principe de ces instruments repose sur les réactions de polymérisations croisées qui sont déclenchées dans la zone irradiée entraînant une diminution, proportionnelle à la dose, du temps de relaxation transversale T₂, obtenu en imagerie par résonance magnétique. Ce projet de maîtrise a pour but de faire la caractérisation et la comparaison de gels dosimétriques fabriqués à base du monomère N-Isopropylacrylamide 97 % (NIPAM). Plusieurs recettes ont été développées dans les précédentes études, mais aucune ne s'entend sur la composition du gel qui optimise ses performances dosimétriques. Dans le but de déterminer une recette optimisée de gel NIPAM, quatre recettes tirées de la littérature ont été comparées. L'analyse repose sur la réponse à la dose, la qualité des images produites, la sensibilité ainsi que le coût de chacun des dosimètres produits. Les résultats ont démontré qu'une plus grande concentration de NIPAM augmente la sensibilité du gel et permet d'obtenir une meilleure qualité d'image. La recette composée de 5% de NIPAM est celle qui offre le meilleur compromis entre la qualité d'image et le coût d'un dosimètre. Ces résultats ont permis l'élaboration d'une recette optimisée dont les performances ont été évaluées. Enfin, un dosimètre fabriqué à partir de cette recette optimisée a été utilisé pour valider un plan de traitement clinique. La carte de dose mesurée avec ce dosimètre est comparée à celle du logiciel de planification de traitement à l'aide d'une analyse Gamma 3 mm/3 % avec un seuil d'analyse de 10 % et 75 % des pixels analysés ont présenté un indice γ inférieur ou égal à 1. / External beam radiation therapy is a treatment modality used against cancer that aims to deliver a dose of radiation to a region of the body. Dosimeters are instruments used to measure the dose delivered by the treatment machines. The need to validate three-dimensional dose distributions for high-precision radiotherapy treatments has recently generated interest in gel dosimeters. Polymer gel is a type of gel that enables measurement of both absolute and spatial dose. Irradiation induces cross-linking polymerization reactions resulting in a decrease, proportionaly to delivered dose, in the transverse relaxation time T₂. The purpose of this master's project is to characterize and compare dosimetric gels made from N-isopropylacrylamide 97% monomer (NIPAM). Several recipes have been developed in previous studies, but none agrees on the composition of the gel that optimizes its dosimetric performance. In order to determine an optimized recipe for NIPAM gel, four recipes taken from the literature were compared. The analysis is based on dose response, image quality, sensitivity, and the cost of a phantom from each recipe. The results showed that a higher concentration of NIPAM increases the sensitivity of the gel and allows a better image quality. The recipe composed of 5% NIPAM is the one that offers the best compromise between image quality and the cost of a dosimeter. These results allowed the development of a optimized recipe whose performance was evaluated. Finally, a dosimeter made from this optimized recipe was used to validate a clinical treatment plan. The dose map measured with this dosimeter is compared to that of the treatment planning software using a 3mm/3% with threashold of 10% Gamma analysis, and 75% of the analyzed pixels showed a gamma index equal to or less than 1.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La radiothérapie est une approche thérapeutique permettant de délivrer une dose de radiation à une région tumorale. Cependant, cette méthode de traitement peut également affecter les tissus sains environnants, provoquant des effets secondaires indésirables chez les patients. Pour minimiser ces effets secondaires, il est nécessaire de valider les doses de radiation des tissus sains tout en assurant une couverture optimale de la dose à la tumeur. Les dosimètres utilisés pour effectuer ces validations ont en majorité des propriétés qui ne sont pas similaires à celles du milieu de référence en radiothérapie, l'eau. Ainsi, la dose mesurée par le scintillateur doit être ajustée à celle qui serait mesurée dans l'eau sans la présence du dosimètre, ce qui implique que des facteurs de correction doivent être calculés et utilisés pour la validation de la dose. Quoique minimes, les erreurs engendrées par ces cœfficients ne sont pas nulles et pourraient avoir un impact sur les incertitudes reliées à la mesure de dose. Dans ce contexte, le besoin d'un dosimètre équivalent à l'eau en milieu clinique est grandissant. En revanche, la plupart des scintillateurs liquides et plastiques équivalents à l'eau contiennent des solvants qui peuvent être néfastes pour la santé des personnes qui doivent les utiliser. Dès lors, en milieu clinique, des mesures de sécurité additionnelles doivent être prises afin de maintenir un environnement sans danger pour le personnel et les patients. Un scintillateur composé en majorité d'eau aurait alors l'avantage d'une meilleure équivalence à l'eau tout en minimisant les effets néfastes sur la santé des utilisateurs et leur environnement. C'est dans ce contexte que le mémoire présenté vise à caractériser de nouveaux types de scintillateurs à base d'eau afin d'explorer leur potentiel et leurs performances pour la mesure de la dose en radiothérapie. La caractérisation de scintillateurs liquides à base d'eau s'avère être l'objectif général présenté dans ce mémoire. Quatre scintillateurs ayant respectivement des concentrations en eau de 0%, 40%, 60% et 80% ont été étudiés. La caractérisation des propriétés physiques de ces scintillateurs a permis d'explorer trois aspects : la dépendance de l'efficacité de scintillation selon la concentration d'eau, la comparaison de l'efficacité de scintillation avec un scintillateur de référence ainsi que l'analyse spectrale des scintillateurs. La caractérisation des propriétés dosimétriques des scintillateurs a permis d'analyser la linéarité de la réponse selon la dose, la dépendance du signal au débit de dose ainsi que la variation de la réponse selon le type et la qualité de faisceau. En troisième lieu, l'aspect volumétrique du scintillateur liquide à base d'eau a été étudié par l'évaluation des distributions de dose à haute énergie. L'évaluation de l'efficacité de scintillation a permis de quantifier la diminution du signal émis avec l'augmentation de la concentration d'eau pour une même dose déposée au scintillateur. Une efficacité de scintillation relative moyenne de 25% a été obtenue pour le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% comparativement au scintillateur n'ayant pas d'eau dans son mélange. En second lieu, il a été possible d'observer que les scintillateurs liquides ayant majoritairement de l'eau comme solvant ont une réponse linéairement proportionnelle à la dose délivrée. Leur réponse ne varie pas selon le débit de dose. Le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% possède la plus faible dépendance selon l'énergie et le type de faisceau, avec une dépendance d'au maximum 4% pour toute la gamme d'énergies en photons, du kilo- au méga-voltage, et d'au maximum 5% pour la gamme d'énergie en électrons explorée. Finalement, il a été possible de valider que les scintillateurs liquides à base d'eau offrent des résultats similaires aux scintillateurs standards lors de mesures de distributions de dose en deux dimensions. Des différences négligeables sont observées entre le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% et le scintillateur de référence, le Ultima Gold. / Radiotherapy is a therapeutic approach that involves delivering a dose of radiation to a tumor region. However, this treatment method can also affect surrounding healthy tissues, causing undesirable side effects in patients. To minimize these side effects, it is necessary to validate the radiation doses in healthy tissues while ensuring optimal dose coverage for the tumor. The dosimeters used to perform these validations mostly have properties that are not similar to those of the reference medium in radiotherapy, water. Thus, the dose measured by the scintillator must be adjusted to the one deposited in water without the presence of the dosimeter. This requires correction factors to be calculated and used for dose validation. Although these errors are minimal, they are not negligeable and could have an impact on the uncertainties related to dose measurement. In this context, there is a growing need for a water-equivalent dosimeter in a clinical environment. However, most of the water-equivalent liquid and plastic scintillators contain solvants that can be harmful to the health of people who use them. Therefore, additional safety measures must be taken in a clinical setting to maintain a safe environment for staff and patients. A scintillator composed mostly of water would have the advantage of better water equivalence while minimizing harmful effects on the health of users and their environment. It is in this context that this presented work aims to characterize these new types of water-based scintillators to explore their potential and performance for dose measurement in radiotherapy. The general objective presented in this thesis is the characterization of water-based liquid scintillators. Four scintillators with water concentrations of 0%, 40%, 60%, and 80% were studied. The characterization of the physical properties of these scintillators allowed exploration of three aspects : the dependence of scintillation efficiency on water concentration, comparison of scintillation efficiency with a reference scintillator, and spectral analysis of the scintillators. The characterization of the dosimetric properties of the scintillators allowed analysis of the linearity of the response to dose, the dependence of the signal on dose rate, and the variation in response according to beam type and quality. Finally, the volumetric aspect of the waterbased liquid scintillator was studied by evaluating high-energy dose distributions. The evaluation of the scintillation efficiency allowed to quantify the decrease in emitted signal with increasing water concentration for the same deposited dose in the scintillator. An average relative scintillation efficiency of 25% was obtained for the scintillator with an 80% water concentration compared to the scintillator without water in its mixture. Secondly, it was possible to observe that liquid scintillators predominantly composed of water as a solvent exhibit a linearly proportional response to the delivered dose. Their response does not vary with dose rate. The scintillator with an 80% water concentration has the lowest energy and beam type dependence, with a maximum dependence of 4% across the entire range of photon energies from kilo- to mega-volts, and a maximum dependence of 5% within the explored electron energy range. Finally, it was possible to validate that water-based liquid scintillators offer similar results to standard scintillators in two-dimensional dose distribution measurements. Negligible differences are observed between the scintillator with an 80% water concentration and the reference scintillator, Ultima Gold.

La curiethérapie est une technique ancienne utilisant des sources scellées de faible ou moyenne énergie, toujours pertinente aux plans thérapeutique et économique et toujours en évolution (e.g. curiethérapie à Haut Débit de Dose (HDD)). Cette modalité de traitement permet de délivrer une forte dose d'irradiation dans un volume-cible limité, et permet de minimiser le risque de cancer radio-induit en préservant les Organes à Risques (OAR). Cependant, elle génère des gradients de dose élevés rendant la dosimétrie in vivo délicate à mettre en oeuvre. Les écarts constatés entre doses délivrées et prescrites sont ainsi fréquemment supérieurs à l'écart maximal toléré par la réglementation (± 5%) en usage pour la radiothérapie externe conventionnelle et rendue obligatoire en France par décret depuis 2011. Ce travail de thèse s'est déroulé dans le cadre du projet ANR-TECSAN INTRADOSE et exploite les acquis technologiques antérieurs démontrés à l'issue du projet Européen MAESTRO et du projet ANR-TECSAN CODOFER, en particulier une instrumentation RL/OSL (Radioluminescence - Optically Stimulated Luminescence) multivoies réalisée et validée au plan préclinique dans le cadre du projet MAESTRO. Le projet INTRADOSE a pour objectif de démontrer la faisabilité d'une Dosimétrie In Vivo (DIV) intracavitaire par cathéter dosimétriques à fibres optiques et cristaux d'alumine Al2O3:C dans le but d'améliorer la sécurité des patients traités par Curiethérapie HDD. Ce nouveau type de détecteur permet de mesurer une distribution de doses (mulitpoints) proche des OAR, il présente un petit diamètre (<ou= 3 mm) destiné à un usage intracavitaire (e.g. insertion dans l'urètre), transparent, stable sous radiations et réutilisable après lecture des doses et stérilisation. Au cours de mon travail de thèse, nous avons développé ce nouveau cathéter dosimétrique basé sur la Luminescence Stimulée Optiquement utilisant les propriétés du cristal d'alumine. Différents tests ont permis d'évaluer sa faisabilité et sa compatibilité avec l'application médicale. Dans un second temps, des validations métrologiques et précliniques ont été menées dans le but de valider la réponse du détecteur dans le cadre d'une application de curiethérapie HDD de prostate. Ces différentes mesures ont été également confrontées à des simulations Monte-Carlo. Financé par l'Agence Nationale pour la Recherche - Technologies pour la Santé (ANR-TECSAN), ce projet associe le CEA LIST [Laboratoire de Mesures Optiques (LMO) et Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB)] et le Centre de Lutte Contre le Cancer (CLCC) Léon Bérard (CLB), Centre Conseil et référent en Radiophysique / The brachytherapy is an old technique using sealed radioactive sources of low or average energy. This technique is still therapeutically and economically relevant today and always evolving (e.g. High Dose Rate (HDR) brachytherapy). This treatment enables to deliver a high dose of irradiation in a limited tumoral volume and enables to minimize the risk of radiation-induced cancer as preserving the Organs at Risks (OAR). However, this technique generates high dose gradients, which makes in vivo dosimetry difficult to implement. Hence, the deviations observed between doses delivered and prescribed are often up to the maximal deviation tolerated by the nuclear safety regulations (± 5%) in conformational radiotherapy. Those regulations have been made mandatory in France since 2011. This thesis has been done within the framework of the ANR-TECSAN INTRADOSE project and is based on the past technological benefits demonstrated during the MAESTRO European project and the ANR-TECSAN CODOFER project, in particular a RL/OSL multichannel instrumentation (Radioluminescence - Optically Stimulated Luminescence) made and validated in preclinical evaluation during the MAESTRO project. The purpose of the INTRADOSE project is to demonstrate the feasibility of the intracavitary In Vivo Dosimetry (IVD) by dosimetric catheter using optical fibers and alumina crystals Al2O3:C with the aim of improving the safety of patients treated by HDR brachytherapy. This new probe enables to measure a dose distribution (several points) close to the OAR, it offers a little diameter (<or= 3 mm) designed for an intracavitary use (e.g. to insert in the urethra), it is transparent, radiation stable and reusable after dose reading and sterilization. During this study, we have first developed this new dosimetric sensor based on the OSL using the properties of the alumina crystal. Several tests have been done in order to evaluate the feasibility and the compatibility with a medical application. Then, metrological and preclinical validations have been done in order to validate the response of the sensor for a prostatic application using HDR brachytherapy. These different measurements have also been compared to Monte-Carlo simulations. Funded by the Agence Nationale pour la Recherche - Technologies pour la Santé (ANR-TECSAN), this project combines the CEA LIST [Laboratoire de Mesures Optiques (LMO) and the Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB)] and the Centre de Lutte Contre le Cancer (CLCC) Léon Bérard (CLB), advice center and advisor in radiophysics

La braquiterapia es una técnica por la cual se introducen en el cuerpo fuentes radiactivas encapsuladas, situándolas cerca de los tumores por medio de aplicadores. Esta técnica permite impartir la dosis requerida al tumor evitando todo lo posible dañar los tejidos sanos. Con el fin de poder realizar lo mejor posible la planificación del tratamiento, es muy importante conocer tan precisamente como sea posible la distribución de dosis no sólo alrededor de la fuente sino también del aplicador. En la tesis, se ha utilizado una fuente de Ir-192 tipo Microselectron de la empresa Nucletron con un aplicador ginecológico constituido por un tubo intrauterino de acero inoxidable y dos cilindros vaginales de polímeros. Se ha realizado, mediante cálculos y medidas, un estudio de la distribución de dosis alrededor del aplicador. Las medidas se han realizado utilizando una cámara de ionización tipo Wellhöfer CC04 así como películas radiocrómicas tipo Gafchromic © EBT. Las películas permiten obtener isodosis y la cámara de ionización se ha utilizado para obtener dosis en profundidad. Para asegurar un buen posicionamiento de los sistemas de medida y de la fuente, se ha fabricado un maniquí de plexiglás. Los cálculos de distribución de dosis se han realizado utilizando el software de planificación de tratamiento (TPS) PLATO v14.3 así como el programa MCNP5 basado en el método Monte Carlo, para lo cual se ha desarrollado un modelo del conjunto fuente, aplicador y maniquí. Los TPS no tienen en cuenta la atenuación en los materiales que constituyen el aplicador; por lo que es importante conocer la influencia de este efecto sobre el cálculo de la dosis. La comparación de cálculos y medidas, pone de manifiesto que el efecto de blindaje a causa del tubo intrauterino no es significativo, excepto en el campo próximo al tubo, a menos de un centímetro de éste. Las películas Gafchromic © EBT y la cámara de ionización Wellhöfer CC04, utilizados durante la tesis, han permitido realizar medidas dede distribución de dosis y también de dosis absoluta, que han llevado a la validación de la simulación realizada con MCNP5 en ciertas situaciones geométricas simples. El programa MCNP5 es una herramienta muy potente para el estudio de las distribuciones de dosis en braquiterapia, particularmente para situaciones donde una dosimetría experimental resulta imposible, por ejemplo en contacto con el tubo intrauterino o en zonas muy próximas a éste. Para distancias superiores a 1 cm de la fuente, los resultados de la estimación de dosis realizada por el sistema PLATOv14.3 muestran un buen acuerdo con las medidas y los cálculos realizados. Finalmente, se ha realizado un análisis completo de las incertidumbres relativas a la utilización del programa de cálculo MCNP5. Se ha estudiado para ello el efecto de los diferentes elementos relacionados con el modelo desarrollado, pero también con el propio programa. Es necesario indicar que una evaluación de la incertidumbre global es esencial en el caso de comparación con otros sistemas de cálculo o con las medidas efectivas. / Gerardy, IYJ. (2011). Evaluation d'un système de planification pour un traitement de brachythérapie gynécologique en utilisant des techniques Monte Carlo et des mesures expérimentales [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/14272 / Palancia

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Cette thèse porte sur le développement de modèles mathématiques qui permettent de prédire des métriques quantifiant la dose pour la planification de radiothérapie externe. La planification de traitement en radiothérapie externe est un processus complexe et itératif. Le planificateur spécifie des objectifs à atteindre et l'optimisation du plan de traitement est faite par ordinateur. Chaque patient ayant une anatomie propre, il peut être difficile de savoir si le plan de traitement est optimal c.à.d. où les objectifs de couverture en dose du volume cible sont remplis tout en minimisant la dose aux organes sains pour diminuer la possibilité d'effets secondaires néfastes. Afin de pallier cette problématique, plusieurs types de contrôles de qualité (CQ) en planification de traitement ont été développés. Plus précisément, le projet proposé utilise l'analyse de frontières stochastiques, une méthode mathématique conçue pour l'économétrie, afin de déterminer la dose minimale atteignable aux organes à risque. La planification de traitement en radiothérapie externe, les techniques utilisées ainsi que les principaux défis sont d'abord présentés dans le cadre de cette thèse. Une revue des principaux types de contrôles de qualité des plans de traitement est par la suite présentée afin de mettre en contexte le projet doctoral. Les principaux principes mathématiques employés tels que l'analyse de frontières stochastiques et la gestion de données manquantes sont par la suite abordés. Finalement, l'analyse de frontières stochastiques appliquée à la prédiction de paramètres dosimétriques en planification de traitement est présentée. Son approche fréquentiste est utilisée pour la prédiction dosimétrique pour le rectum et la vessie pour le cancer de la prostate traité par VMAT. Sept paramètres géométriques ont été extraits afin de caractériser la relation entre les organes à risque et le volume cible. Au total, 37 paramètres dosimétriques ont été prédits pour les deux organes à risque. Le modèle développé a été testé sur une cohorte de 30 patients avec une dose de prescription de 60-70 Gy où 77% (23 sur 30) des DVH prédits pour le rectum et la vessie présentent une déviation de 5% ou moins avec le DVH planifié. De plus, l'analyse de frontières stochastiques bayésienne, en plus d'un modèle de gestion de données manquantes, sont utilisés pour la prédiction dosimétrique de six organes à risque pour le cancer du poumon traité par SBRT. Au total, 16 indices dosimétriques ont été prédits pour l'arbre bronchique principal, le cœur, l'œsophage, le PRV de la moelle, les vaisseaux ainsi que la paroi thoracique. Le modèle prédictif est testé sur une cohorte de 50 patients. La différence moyenne entre la dose prédite et planifiée pour le se situe à 1.5 ± 1.9 Gy et 4.9 ± 5.3 Gy pour le D0.35cc du PRV de la moelle et le D0.035cc de l'arbre bronchique principal respectivement. L'analyse de frontières stochastiques est ainsi démontrée comme une solide base pour un CQ en planification de traitement en radiothérapie externe. / This thesis is on the development of mathematical models predicting dosimetric metrics for treatment planning in external beam radiation therapy (EBRT). EBRT treatment planning is complex and iterative. Planner sets plan objectives to attain during the computerized plan optimization process. Because of specific patient anatomical variation, it is difficult to determine if a plan is optimal regarding the target coverage and the sparing of the organs-at-risk. Several quality control such as knowledge-based planning and multicriteria optimization were developed in order to address this problematic. This thesis focus on the use of an econometric method, Stochastic Frontier Analysis, to predict minimum achievable dose to organs-at-risk for several treatment sites. EBRT treatment planning, techniques and challenges are first discussed. A review of the most common quality controls is made in order to assess the importance of the project presented in this thesis. Mathematical considerations such as the theoretical foundation of stochastic frontier analysis and missing data management are also discussed. Stochastic frontier analysis is used to develop predictive models of dose distribution in treatment planning. Frequentist stochastic frontier analysis is used to predict dosimetric metrics for the rectum and the bladder for prostate cancer treated by VMAT. Seven geometric parameters are extracted to characterize the relationship between the organs-at-risk with the planning volume. In total, 37 dosimetric parameters are tested. The developped model is tested using validation cohort (30 patients with prescribed dose between 60 and 70 Gy) where 77% (23 out of 30) of the predicted DVHs present a 5% or less dose deterioration with the planned DVH. Bayesian stochastic frontier analysis with a missing data management is then presented for the prediction of dosimetric parameters for 6 organs-at-risk for lung cancer treated by SBRT. 16 DVH metrics were predicted for the main bronchus, heart, esophagus, spinal cord PRV, great vessels and chest wall. The predictive model is tested on a test group of 50 patients. The mean difference between the observed and predicted values ranges between 1.5 ± 1.9 Gy and 4.9 ± 5.3 Gy for the spinal cord PRV D0.35cc and the main bronchus D0.035cc respectively. Stochastic frontier analysis is considered to be a new and valid method used in order to develop a quality control for EBRT treatment planning.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le contrôle tumoral en radiothérapie nécessite une exposition des cellules cancéreuses au rayonnement ionisant tout en limitant l'exposition des cellules saines pour minimiser les effets secondaires indésirables. Pour atteindre cet objectif, des techniques sophistiquées telles que l'IMRT, le VMAT, le SRS et le SBRT ont été développées, utilisant plusieurs champs d'irradiation de forme variable et de petites tailles. Le succès de ces techniques repose sur la caractérisation des petits champs, pour lesquels il n'existe pas encore de norme établie quant au type de dosimètre à utiliser. En effet, aucun des dosimètres couramment utilisés en radiothérapie ne permet de mesurer la dose avec une précision inférieure à 2 % pour ces champs de petite taille. De façon générale, ce sont les détecteurs ayant une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection qui performent le mieux pour la dosimétrie des petits champs. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle génération de calorimètres multi-point spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie possédant à la fois une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection. Ces calorimètres utilisent une fibre optique à réseaux de Bragg comme thermomètre, permettant des mesures de haute résolution pour les petits champs de traitement. Cette thèse se divise en 4 volets distincts, soit la caractérisation et la maximisation du changement de longueur d'onde de Bragg produit par la radiation ; la caractérisation des mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg induit par la radiation ; la correction de la dépendance aux variations de température ambiante et finalement, la conception d'un dosimètre multi-point utilisant une fibre optique à réseaux de Bragg ayant une résolution spatiale adaptée à la dosimétrie standard et à la dosimétrie des petits champs. D'abord, la caractérisation a permis de déterminer que, pour une fibre à réseau de Bragg recouverte de polymère, la longueur d'onde de Bragg varie linéairement avec la dose et cette variation est indépendante du débit de dose (2.8-11.6 Gy/min) et de l'énergie du faisceau de photons ou d'électrons (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Les facteurs permettant de maximiser cette variation de longueur d'onde et de diminuer le bruit de mesure ont ensuite été identifiés. Le type de revêtement a été identifiée comme étant un paramètre important pour maximiser le signal, plus particulièrement ses propriété thermiques (coefficient d'expansion thermique, capacité thermique massique), son module de Young et sa solidité d'adhésion ainsi que le type de colle maximisant cette dernière. La taille du revêtement et de la fibre optique contribuent également à l'optimisation du détecteur. L'optimisation des paramètres de réseaux ont également permis de minimiser le bruit de mesure. En ce qui concerne les mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg, il a d'abord été déterminé que la réponse du détecteur est indépendante du dopage du cœur de la fibre et provient du revêtement de polymère puisque sans ce dernier, aucun signal n'est mesuré. Il a ensuite été démontré que le détecteur développé est un calorimètre et non un détecteur de défauts radio-induits, contrairement aux dosimètres à réseaux de Bragg généralement utilisés dans le secteur de l'énergie nucléaire. Cette démonstration est réalisée en validant un modèle théorique basé sur la théorie des calorimètres et en confirmant le comportement thermique suite à une irradiation à l'aide de simulations thermiques. Quatre techniques ont été comparées afin de corriger la dépendance aux variations de température ambiante, dont la technique standard utilisée en calorimétrie ainsi qu'une nouvelle technique de gradient de température interpolé pour effectuer une dosimétrie multi-point. Cette dernière technique se révèle la plus performante tout en permettant une correction de température en temps réel, réduisant les erreurs de mesure de 200% à environ 10% pour une irradiation de 20 Gy. Deux prototypes ont été développés : un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie standard et un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie des petits champs. Le premier détecteur est composé de vingt (20) réseaux d'environ 4 mm de long répartis sur 20 cm fixé à une plaque de PMMA de 5.5 x 107.5 x 205 mm³ permettant d'obtenir une erreur statistique de 0.03 pm sur les points de données limitant ainsi la dose détectable à 0.4 Gy. Le second détecteur se compose d'un fibre optique de 80 µm contenant trente (30) réseaux d'environ 1 mm de long fixés à l'intérieur d'un cylindre de PMMA de 0.63 cm de diamètre sur une longueur de 30 cm permettant d'obtenir la même erreur statistique et la même dose détectable que précédemment. Ce dernier prototype a également permis de mesurer un profil de dose d'un faisceau de 2 x 2 cm² ayant une énergie de 6 MV avec une différence relative moyenne de 1.8% (en excluant la région de pénombre) pour une irradiation de 12.37 Gy. Ainsi la thèse présente le premier calorimètre multi-point à réseaux de Bragg spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie. Ce type de détecteur pourrait s'avérer extrêmement bénéfique pour la dosimétrie des petits champs, et présenter également un fort potentiel pour des applications en IRM-LINAC et en radiothérapie FLASH, compte tenu de la grande résistance des fibres de silice aux radiations. / Radiotherapy relies on precise control of tumor exposure to ionizing radiation while limiting the dose to healthy tissues to minimize undesirable side effects. Sophisticated techniques such as IMRT, VMAT, SRS, and SBRT have been developed, utilizing multiple small and variableshaped radiation fields. The success of these techniques depends on the characterization of small fields, for which no standard dosimeter has been established. Commonly used dosimeters in radiotherapy do not provide dose measurements with accuracy below 2% for small fields. Generally, dosimeters with near water-equivalence and small detection volumes perform best for small-field dosimetry. This thesis focuses on developing a new generation of multi-point calorimeters specifically adapted to the dosimetry of small fields in radiotherapy, possessing both water dosimetric equivalence and a small detection volume. These calorimeters use fiber Bragg gratings as thermometers, enabling high-resolution dose measurements for small fields radiotherapy treatments. The thesis comprises four distinct aspects : characterizing and maximizing the Bragg wavelength change induced by radiation ; understanding the mechanisms causing the Bragg wavelength shift ; compensating for ambient temperature variations ; and designing a multipoint dosimeter using gratings with a suitable spatial resolution for standard and small field dosimetry. The characterization revealed that the Bragg wavelength of a polymer-embedded fiber Bragg grating varies linearly with the dose and this variation is independent of the dose rate (2.8-11.6 Gy/min) and the beam energy (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Factors optimizing this wavelength variation and reducing measurement noise were identified. The type of coating, particularly its thermal properties (thermal expansion coefficient, specific heat capacity), Young's modulus, and adhesive strength play a critical role in maximizing the signal. Additionally, optimizing the fiber and coating sizes contributes to detector optimization. The optimization of gratings parameters also allowed the minimization of measurement noise. Regarding the mechanisms leading to a Bragg wavelength shift, it was first determined that the detector's response is independent of the fiber core doping and originates from the polymer coating since no signal is measured without it. The developed detector was confirmed to be a calorimeter, rather than a radiation-induced defect detector like conventional fiber Bragg gratings dosimeters used in the nuclear industry. This was demonstrated by validating a theoretical model based on calorimeter theory and confirming the thermal behavior through thermal simulations after irradiation. Four temperature compensation techniques were compared to correct ambient temperature variations, including standard calorimetric techniques and a new interpolated temperature gradient technique for multi-point dosimetry. The interpolated technique proved most effective, providing real-time temperature correction and reducing measurement errors from 200% to approximately 10% for a 20 Gy irradiation. Two prototypes were developed : one with spatial resolution optimized for standard dosimetry and the other with spatial resolution optimized for small-field dosimetry. The first detector consists of twenty (20) gratings, each approximately 4 mm long, distributed over 20 cm and attached to a PMMA plate measuring 5.5 x 107.5 x 205 mm³ , achieving a statistical error of 0.03 pm on data points, limiting the detectable dose to 0.4 Gy. The second detector comprises a 80 µm optical fiber containing thirty (30) gratings, each approximately 1 mm long, fixed inside a PMMA cylinder measuring 0.63 cm in diameter and 30 cm in length, allowing for the same statistical error and detectable dose as the previous one. This latter prototype also enabled the measurement of a dose profile for a 2 x 2 cm² beam with a 6 MV energy, showing a mean relative difference of 1.8% (excluding the penumbra region) for an irradiation of 12.37 Gy.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La méthode clinique pour le calcul de dose lors des traitements de curiethérapie considère le patient comme un volume d'eau infini (formalisme TG43). Cette approximation s'avère incorrecte, en particulier pour les photons de faible énergie présents en curiethérapie par implant permanent de la prostate. Des études ont montré que des différences allant jusqu'à 25-30% sur les indices dosimétriques cliniques sont observées dans les cas de calcifications de la prostate lorsque l'anatomie du patient est prise en compte dans une simulation Monte Carlo (MC) (formalisme TG186). Compte tenu des différences constatées entre les dosimétries TG43 et TG186 pour la curiethérapie par implant permanent de la prostate, l'objectif de ce travail est de recalculer rétrospectivement les distributions de dose à partir du formalisme TG186 pour tous les patients ayant reçu un traitement au CHU de Québec. Pour ce faire, un pipeline automatisé de recalcul de dose basé sur les bonnes pratiques de gestion des données est construit, validé et appliqué sur une cohorte de 960 patients. Une base de données de 960 patients a été construite et les cas de calcifications ont été identifiés. Un pipeline automatisé a été conçu pour recalculer les distributions de doses par simulations MC propres à l'anatomie du patient (TG186). Le pipeline extrait et reproduit automatiquement le context du traitment, contenu dans les données cliniques, dans la simulation de Monte Carlo. Le pipeline de recalcul a été validé en reproduisant les calculs du TG43 et en évaluant la cohérence des simulations MC TG186 effectuées avec deux codes MC différents. Appliquées à l'ensemble de la cohorte de patients, les distributions MC produites ont pu reproduire les résultats observés dans des études antérieures, tel qu'une diminution de 2,57 % sur le D90 de la prostate pour chaque % du volume de prostate calcifiée. L'ensemble des données de dose MC produites constitue donc une ressource clé pour les futures études dosimétriques qui viseraient à corréler la dose précise délivrée au patient à l'efficacité du traitement de curiethérapie. / The current clinical method used to calculate the dose during brachytherapy treatments considers the patient as an infinite water volume (TG43 formalism). This approximation is mostly accurate when using high-energy photons. That is not the case for low-energy photons used in permanent implant prostate brachytherapy. Studies have shown that differences of up to 25-30% on clinical metrics can be observed in cases with prostate calcifications when taking into account the patient anatomy with Monte Carlo (MC) simulations (TG186 formalism). Considering the differences found between TG43 and TG186 dosimetry for permanent implant prostate brachytherapy, the objective of this work was to retrospectively recalculate the dose distributions using the TG186 formalism for all patients having received permanent implant prostate brachytherapy at CHU de Québec. To do so, an automated dose recalculation pipeline based on the best data management practices is built, validated, and applied to a 960-patient cohort. A curated database of 960 patients was built with calcification cases identified. An automated pipeline has been built to recalculate patient-specific dose distributions (TG186). The pipeline extracts and reproduces the treatment context within a MC simulation. The recalculation pipeline was validated by reproducing the TG43 calculations using MC simulation in the same conditions and the consistency of the patient-specific MC simulations was evaluated between simulations made with two different MC codes. When applied to the entire patient cohort, the produced MC distributions could reproduce the results seen in previous studies, such as a diminution of 2.57% on the D90 of the prostate for each % of the prostate volume being calcifications. The produced MC dose dataset constitutes a key resource for future dosimetric studies that would aim to correlate the accurate delivered dose to the patient to the efficiency of the brachytherapy treatment.