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.

De nombreuses stratégies thérapeutiques sont explorées pour trouver un traitement curatif aux gliomes de haut grade pour lesquels il n'existe pas de réelle solution. Parmi ces techniques, la radiothérapie apporte une réponse significative mais limitée par un effet différentiel insuffisant pour éradiquer la tumeur tout en préservant les tissus sains. La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron permet d'augmenter cet effet différentiel en augmentant localement la dose de rayonnement au niveau de la tumeur, par l'effet synergique d'une irradiation avec des rayons-X de basse énergie (< 100 keV) en présence d'un élément lourd préalablement incorporé à la tumeur. Ce travail de doctorat s'inscrit dans le cadre de la préparation des essais cliniques de radiothérapie stéréotaxique prévus au synchrotron de Grenoble. Le premier objectif de ce travail a été l'optimisation des paramètres l'irradiation basée sur une étude dosimétrique globale des plans de traitement. Nous avons notamment montré l'intérêt d'utiliser un nombre fini et apparié de faisceaux correctement pondérés pour homogénéiser la dose dans la tumeur. La suite de ces travaux a consisté en l'étude de la répartition des dépôts d'énergie à l'échelle cellulaire prenant en compte la distribution fine de l'élément lourd dans le tissu (micro-dosimétrie). Il est en effet crucial que les photoélectrons générés sur les atomes lourds, qui restent dans l'espace extracellulaire dans le cas des agents de contraste iodés, puissent atteindre les cibles cellulaires. Cette approche microdosimétrique a été comparée à des résultats de survie cellulaire obtenus in vitro, soit sur un modèle cellulaire 3D (cellules tumorales cultivées sous forme de sphéroïdes), soit sur des cellules irradiées en suspension dans un milieu iodé.

Ce projet vise à élaborer un outil de calcul dosimétrique pour les traitements de thérapie radionucléique par radiopeptides (TRRP) au ¹⁷⁷Lu-octréotate. Pour ce faire, des images tomographiques par émission monophotonique et tomodensitométriques (TEM/TDM) acquises environ 4, 24 et 72 heures après l’administration du radiopharmaceutique sont recalées et quantifiées pour obtenir la biodistribution 4D du composé. Ces images permettent de calculer le taux de dose lors de la séance d’imagerie correspondante. Ces calculs sont réalisés sur processeurs graphiques afin de paralléliser le calcul de la dose. L’utilisation d’une régression biexponentielle permet d’établir les courbes de taux de dose en fonction du temps, qui sont intégrées pour obtenir la dose absorbée dans les régions étudiées. L’étude des patients ayant été traités au centre hospitalier universitaire (CHU) de Québec a permis de vérifier les résultats obtenus avec le code, en plus de s’intéresser à la prédiction de la dose rénale et la proportion de la dose absorbée due au rayonnement γ.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / L'objectif de ce projet de maîtrise était d'évaluer la précision et la faisabilité de la dosimétrie basée sur la tomographie par faisceau conique (CBCT) dans la replanification des traitements en radiothérapie pour des patients atteints de cancers de la tête et du cou (ORL). Une étude rétrospective a été menée sur 20 patients replanifiés pour comparer la distribution de dose basée sur CBCT à celle du TDM. Les résultats montrent que la CBCT offre une précision similaire au TDM, avec une différence maximale de 2.2% pour le D98% au niveau du volume cible prévisionnel (PTV). Des algorithmes d'auto-segmentation et de recalage déformable (ANACONDA de RayStation et Limbus basé sur l'apprentissage profond) ont également été évalués pour leur performance en segmentation. Les résultats ont montré une haute similarité entre les auto-contours et les contours manuels, bien que certaines structures, comme l'œsophage et le larynx, nécessitent une vérification systématique. Nous avons également mis en évidence l'importance de la replanification en montrant des variations significatives en termes de couverture de dose dans différentes régions d'intérêt. Un seuil d'action basé sur la variation de D98% a été proposé pour guider la replanification. Ce seuil, ayant une spécificité de 0.9 mais une sensibilité de 0.684, nécessite une validation supplémentaire. Ce travail souligne l'importance de la replanification dans le traitement en radiothérapie et propose la CBCT comme une alternative viable pour la surveillance et l'ajustement du traitement.

La modulation d'intensité des faisceaux en radiothérapie externe (IMRT) permet de réaliser des plans de traitements plus conformes au volume cible tout en épargnant davantage les structures plus sensibles à la radiation. Cependant, la réalisation de tels plans nécessite une utilisation accrue de segments, générés par le collimateur multilames~(MLC), et d'unités moniteurs (UM) par rapport à la technique conventionnelle. Il en résulte des inconvénients comme une augmentation de la contribution du diffusé à la dose, plus d'incertitudes pour le calcul de la dose, une sensiblité plus grande aux mouvements intra-fractions et des ressources plus importantes pour planifier un plan de traitement. Dans un tel contexte, des plans ont été réalisés à l'aide du logiciel Ballista pour la région tête et cou. Ce logiciel utilise des champs prédéterminés et offre la possibilité d'optimiser l'orientation des faisceaux. / Dans le but d'offrir des plans de qualités dosimétriques comparable au plan d'IMRT, l'ajout de segments prédéterminés non anatomiques a été réalisé pour les plans balistiques. Avec des corrections manuelles du MLC, il s'est avéré possible de générer des plans comparables à ceux réalisés en IMRT, et ce avec moins de segments et d'UM. Au total, 11 cas ont été réalisés selon cette approche. De plus, la robustesse des deux méthodes de planification à l'amaigrissement du patient et aux erreurs de position du collimateur multilame a été abordée. En IMRT classique, aucune optimisation de l'orientation des faisceaux est réalisée, une distribution coplanaire équidistante est employée. L'impact de l'utilisation des incidences, suggérées par Ballista, a aussi été étudié sur les plans d'IMRT.

Ballista est un nouveau système de planification de traitement qui a été développé en alternative à la radiothérapie par modulation d'intensité. L'optimisation à la base de ce dispositif contrôle la configuration des plans de traitement ainsi que le poids des différents champs générés en vue de moduler la radiation. Malgré sa grande flexibilité, Ballista se limite toutefois à la création de plans monoénergétiques. Ce mémoire s'est donc penché sur le rôle de l'énergie dans les plateformes de planification inverse. Le fonctionnement de Ballista s'appuie sur l'emploi de deux engins d'optimisation distincts : un algorithme de recuit simulé qui gère la configuration du traitement et un algorithme de quasi-Newton avec contraintes qui fixe le poids des différents champs. Afin de tirer profit de la nature bidimensionnelle du système, l'introduction de l'énergie en tant que variable versatile se fait par le biais de l'une ou l'autre de ces techniques de calcul. / Cette stratégie permet de créer des plans multiénergétiques qui possèdent une ou plusieurs énergies par incidence. Une étude rétrospective détaillée de l'efficacité du système a été réalisée sur la base de cinq patients atteints d'un cancer pulmonaire avancé. L'optimisation de l'énergie a en fait permis d'améliorer la conformité des traitements, mais surtout de limiter la dose délivrée aux poumons sains, l'organe à risque le plus problématique pour ce type d'irradiation. L'introduction de ce paramètre dans les procédés d'optimisation semble donc améliorer sensiblement la qualité des plans produits sans alourdir inutilement le poids clinique de la planification.

La mesure des niveaux de rayonnement est une exigence essentielle dans le LHC et ses lignes d'injection afin de quantifier les effets des radiations sur l'électronique et de fournir une connaissance détaillée du champ de rayonnement. Le système de surveillance des rayonnements pour l'électronique au CERN, le "RadMon '', a été installé dans les zones critiques où l'équipement est ou sera placé. Les problèmes rencontrés au cours des dernières années d'utilisation du Radmon, et la nécessité d'améliorer la précision et la résolution des mesures a conduit au lancement d'une nouvelle conception du moniteur.Ce travail décrit l'architecture du nouveau RadMon (V6), sa fiabilité dans les environnements radiatifs et de la stratégie adoptée pour choisir et qualifier les capteurs utilisés pour surveiller le champ de rayonnement mixte des accélérateurs du LHC. Les directives du CERN ont été adoptées pour qualifier les composants RadMon sous rayonnement afin de développer une nouvelle architecture à la fois plus tolérante au rayonnement et plus polyvalente que celui de la version précédente. Dans ce contexte, les défis que les tests de rayonnement imposent pour mesurer les Single Event Upsets (SEUs) sur un composant complexe à signaux mixtes tels que le convertisseur analogique-numérique, ont conduit au développement d'une technique de test innovant, qui sera décrit dans cette thèse.L'environnement radiatif complexe du LHC impose un processus de qualification particulier qui sera décrit et discuté dans ce travail pour les RadFets (capteur dose ionisante) et les mémoires SRAM (capteur de fluence High Energy Hadrons).L'utilisation du RadFet dans un champ mixte de rayonnement a été étudié et analysé au moyen de sources de 60Co et de faisceaux de protons de différentes énergies.Les RadFets ont été ré-étalonné en étudiant le débit de dose, les sources de particules, la température, la guérison thermique en fonction de l'épaisseur d'oxyde. En outre, grâce à la nouvelle architecture de la RadMon, de nouvelles configurations de polarisation ont été testées pour améliorer la résolution.Deux types de mémoires SRAM avec des nœuds technologiques de 400 et 90 nm ont été testés et calibrés en suivant une méthode de qualification stricte qui comprend des tests protons,dans la plage de 30 à 400 MeV et neutrons, depuis les énergies thermiques jusqu'à des énergies intermédiaires (~ 14 MeV). La mémoire 90 nm améliore la précision et la résolution de la mesure de la fluence hadronique. En outre, l'utilisation simultanée des deux types de mémoires améliore la précision de la détection des neutrons thermiques par rapport à la version précédente, grâce à d'une procédure qui sera détaillée dans ce travail.Les efforts en vue de l'amélioration de la résolution des mesures de TID pour le nouveau RadMon conduisent à la recherche et à l'étude d'un nouveau type de dosimètre : le dosimètre a Grille Flottante (FGDOS). Le capteur intégrant une électronique complexe, une qualification complète sous rayonnement était nécessaire. Des tests en champ mixte, des tests au 60Co et des tests au protons ont été réalisés afin d'évaluer les performances et les problèmes potentiels du capteur. Dans ce contexte, un modèle analytique du capteur a été conçu pour démontrer que la structure à Grille Flottante pouvait être utilisée comme instrument de mesure du ‘charge yield' à température ambiante et sous des champs électriques faibles.La caractérisation de la tolérance au rayonnement du matériel, le processus de qualification et les étalonnages des capteurs ont considérablement amélioré la fiabilité globale et la qualité des mesures sur la nouvelle version du RadMon. Ces améliorations font du RadMon un instrument de référence pour la surveillance des rayonnements des champs mixtes complexes, tels que ceux rencontrés dans le LHC et sa chaîne d'injecteurs, mais aussi pour d'autres centres de recherche en physique des particules, comme JLAB aux États-Unis, J-PARC au Japon. / The measurement of the radiation levels is an essential requirement in the LHC and its injection lines in order to quantify radiation effects on electronics and provide a detailed knowledge of the radiation field. The radiation monitoring system for the electronics at CERN, the “RadMon'', was installed in critical areas where equipment is or will be placed. Issues experienced in the last years of Radmon operation, the obsolescence of a few fundamental components of the electronic board and the necessity to improve both the accuracy and the resolution of measurements led to the launch of a new design of the monitor.This work describes the architecture of the new RadMon (V6), its reliability in radiation environments and the strategy adopted to choose and qualify the sensors, used for monitoring the mixed radiation field of the LHC accelerators. The CERN guidelines were adopted to qualify the RadMon components under radiation in order to develop a new architecture both more tolerant to radiation and more versatile than that of the previous version. In this context, the challenges that radiation tests impose for measuring Single Event Effects (SEUs) on a complex mixed-signal component such as the Analog to Digital converter, led to the development of an innovative test technique, which will be described in this thesis.The reliability of the RadMon measurements strongly depends on the calibration of its sensors. The complex radiation environment of the LHC imposes a peculiar qualification process which will be described and discussed in this work for the RadFets (Total Ionizing Dose sensor) and the SRAM memories (High Energy Hadrons fluence sensor).The use of the RadFet in a mixed field radiation environment has been studied and analyzed by means of 60Co sources as well as proton beams at different energies.The RadFets have been re-calibrated by studying the dose rate, particle sources, temperature, annealing and fading effects as a function of the oxide thickness. Furthermore, thanks to the new architecture of the RadMon, new biasing configurations have been tested to improve the resolution.Two types of SRAM memories with technology nodes of 400 and 90nm have been tested and calibrated by following a strict qualification methodology which includes tests with protons in the range 30-400 MeV, and with neutrons from thermal energies up to intermediate energies (~14 MeV). The 90nm memory improves the accuracy and resolution of the hadron fluence measurement. Moreover, the simultaneous use of both types of memories permits an improvement on the accuracy of the thermal neutron detection with respect to the previous version, as a result of a procedure which will be detailed in this work.The efforts towards the improvement of the TID measurements resolution for the new RadMon lead to the research and study of a new type of dosimeter sensor: the Floating Gate dosimeter (FGDOS). The sensor embeds complex circuitry, thus a full radiation qualification was necessary. Mixed field radiation tests, 60Co and protons tests have been carried out in order to evaluate the performance and the possible issues of the sensor. In this context, an analytical model of the sensor was developed to prove that the floating gate structure can be used as charge yield measurement instrument at room temperature and at low electric fields.The radiation tolerance characterization of the hardware, the qualification and calibration process of the sensors have significantly improved the overall reliability and quality of the measurements of the new RadMon. These improvements turned it into a reference instrument for radiation monitoring of complex mixed fields, such as the one encountered in the LHC, its injectors chain, and other particle physics research centers, such as JLAB in US, J-PARC in Japan.

Une nouvelle modalité de radiothérapie, la micro-curiethérapie, est en cours de développement. Cette thérapie cible des tumeurs solides inopérables en effectuant des injections de liquide contenant des microsphères radioactives en suspension. Plusieurs injections sont nécessaires pour suffisamment irradier la zone tumorale et donc, afin d'optimiser le positionnement de ces injections, une méthode de planification de traitement nécessaire a été développée et validée au cours de cette thèse. Tout au long de ce travail, trois thèmes principaux seront discutés : • Comment réaliser la dosimétrie particulière de cette micro-curiethérapie ? • Comment effectuer la planification de traitement pour cette modalité ? • Comment optimiser le plan de traitement afin qu'il soit le plus efficace possible ? La dosimétrie en micro-curiethérapie a été réalisée en calculant la distribution de dose absorbée pour une injection. Cette distribution a été convoluée à la position des autres injections dans la tumeur pour calculer la distribution de dose absorbée dans le patient. Pour effectuer la dosimétrie spécifique dans la tumeur et les organes à risque, les histogrammes dose-volume (HDV) ont été extraits et analysés. Une fois la méthode de dosimétrie établie, nous avons développé une méthodologie de planification de traitement pour développer et optimiser le plan pour chaque patient. Pour cela, nous avons testé et comparé trois algorithmes : la méthode de Nelder-Mead, l'algorithme des abeilles et l'algorithme "Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II" (NSGA II). Nous avons montré que, grâce à l'optimisation multiobjectif, le NSGA II donne plus de liberté à l'utilisateur ; c'est pourquoi il a été utilisé par la suite. Enfin, nous avons effectué une comparaison entre les paramètres d'injection. Nous avons mis en évidence qu'entre les radio-isotopes 90Y, 166Ho, 131I and 177Lu, les injections de 90Y sont optimales. Nous avons testé des injections de 5, 10 et 20 µL et des activités initiales de 5, 10 et 20 MBq. Nous avons trouvé que des injections de 20 µL avec 20 MBq sont optimales car celles-ci permettent de minimiser le nombre d'injections requis. Cette nouvelle technologie associée aux développements réalisés dans ses travaux démontre la faisabilité, qui a pu être validée sur animal, de pouvoir injecter un liquide contenant des microsphères radioactives en suspension afin de pouvoir traiter efficacement, tout en préservant les tissus sains environnants, des tumeurs inopérables encore de mauvais pronostic aujourd'hui, mais surement mieux prises en charge dans un proche avenir. / An innovative form of radiotherapy, microbrachytherapy, is under development. This therapy targets solid, inoperable tumours by performing injections of liquid containing radioactive microspheres in suspension. Many injections are required to sufficiently cover the tumoural volume, and so to be able to deliver the position of these injections, a method of treatment planning has been developed and validated throughout this research. Throughout this work, three main questions are addressed: • How to perform the dosimetry for microbrachytherapy? • How to perform treatment planning for this modality? • What are the optimal injection properties to deliver the most efficient treatment? Microbrachytherapy dosimetry was performed by calculating the absorbed dose distribution for an injection. This distribution was then convolved at each injection position within the tumour to calculate the patient's absorbed dose distribution. Dosimetry of the tumour and the organs at risk was performed by extracting and analysing dose-volume histograms (DVHs). Once a method of dosimetry was put in place, optimisation algorithms were developed to generate patient-specific treatment plans. For this, three algorithms were tested and compared: Nelder-Mead Simplex, the Bees algorithm and the non-dominated sorting genetic algorithm II. It was found that, thanks to its MO optimisation, the non-dominated sorting algorithm II was the most flexible, and was used preferentially. Lastly, a comparison of injection parameters was performed. It was found that between 90Y, 166Ho, 131I and 177Lu, optimal injections consisted of microspheres of 90Y. Injection volumes of 5, 10 and 20 µL and initial activities of 5, 10 and 20 MBq were tested. It was found that 20 µL injections with 20 MBq were optimal because they minimise the number of injections required. This new technology combined with developments shown in this work demonstrate the feasibility - that was validated on animals - the ability to inject liquid containing radioactive microspheres in suspension to efficiently treat inoperable tumours whilst protecting surrounding healthy tissue. Such tumours, despite still having a poor prognosis, will surely have better support in the near future.

Rationnel : la radioimmunothérapie (RIT) par 90Y-ibritumomab tiuxetan (Zevalin) est une option thérapeutique innovante dans le lymphome malin non hodgkinien de phénotype B de type folliculaire (LF) en rechute ou réfractaire. Certaines données suggèrent que cette efficacité est d'autant plus marquée que Zevalin est utilisé précocement dans l'histoire de la maladie. Actuellement, en routine clinique, la dose administrée est fonction du poids du patient et non basé sur une étude dosimétrique préalable ce qui peut résulter en une variation significative des doses délivrées aux principaux organes et à la tumeur et par conséquent retentir sur l'efficacité et la toxicité. L'optimisation de la RIT par Zevalin nécessite son évaluation dans le cadre du traitement de première ligne et l'implémentation progressive d'une dosimétrie clinique personnalisée.<br />Objectifs et méthodes : nous avons successivement évalué 2 nouvelles modalités d'utilisation du Zevalin dans le cadre du traitement de première ligne du LF. Une première approche a consisté à évaluer l'efficacité et la tolérance de Zevalin (15MBq/Kg) en consolidation après obtention d'une réponse au moins partielle au traitement d'induction dans le cadre d'un essai multicentrique international randomisé. Une deuxième approche, cette fois en traitement inaugural du LF, a consisté à évaluer une RIT fractionnée en 2 doses de Zevalin(11.1 MBq/kg chacune) à 9-13 semaines d'intervalle chez des patients avec forte masse tumorale dans un essai de phase 2. Cette deuxième approche a été mise à profit pour établir et tester en multicentrique un protocole d'étude dosimétrique clinique personnalisé avec imagerie quantitative (planaire et tridimensionnelle) et dosimétrie sanguine afin d'analyser la relation dose-effet (efficacité et toxicité) après chacune des 2 fractions de Zevalin. L'acquisition des images a été effectuée sur 3 centres (Lille, Nantes, Manchester) et le traitement des images avec calcul dosimétrique au niveau des organes majeurs, des principales cibles tumorales et de la moelle osseuse a été centralisé.<br />Conclusion : dans le traitement de première ligne du LF, la consolidation par Zevalin permet l'obtention d'une réponse complète chez 77% des répondeurs partiels après l'induction et améliore la survie sans progression d'au moins 2 ans sans toxicité surajoutée. La RIT fractionnée par Zevalin en traitement inaugural est faisable et le protocole standardisé d'acquisition d'imagerie quantitative applicable en multicentrique. Les résultats préliminaires de dosimétrie obtenus pour 6 patients après imagerie quantitative planaire personnalisée sont présentés.