La curiethérapie à haut débit de dose est un traitement anti-cancer utilisé pour différents sites tels les cancers gynécologiques, la prostate, le sein, la tête et le cou. La technique consiste à déposer de la dose de radiation près ou à l'intérieur de la tumeur. Différentes étapes composent ce traitement et des erreurs peuvent s'introduire dans chacune d'entres elles. Par le passé, plusieurs études ont utilisé la dosimétrie in vivo pour détecter et éliminer certaines erreurs de la chaîne. Cette pratique n'est pas uniformisée, puisqu'aucune solution commerciale n'existe sur le marché actuellement. En plus de la dosimétrie, des systèmes de suivi élecromagnétique ont aussi prouvé qu'ils pouvaient être utilisés pour la détection d'erreurs avant le traitement. Ce projet de doctorat explore des erreurs possibles dans la chaîne de traitement et propose le suivi électromagnétique comme étant une solution pour éviter celles-ci. Dans cette thèse, la fabrication d'un dosimètre et l'utilisation du suivi électromagnétique dans le cadre de la curiethérapie à haut débit de dose y sont traitées. Tout d'abord, une étude rétrospective a été complétée pour faire ressortir les performances requises d'un dosimètre in vivo utilisé pendant des traitements du cancer de la prostate. Les positions d'arrêts et les temps d'arrêts de tous les patients ont été extraits des fichiers de chaque traitement. Un dosimètre virtuel a été positionné dans un des cathéters de traitement pour chacun des patients. Une comparaison des temps d'arrêts et des positions d'arrêt sa été complétée pour l'identification des cathéters. Il a été démontré qu'une précision de 1 mm sur la distance source-dosimètre serait idéale. Pour la cohorte de patient utilisée, les temps d'arrêts sont de meilleurs discriminants que les positions d'arrêts. Une précision temporelle de 0,1 s serait idéale. Par la suite, une sélection du capteur électromagnétique pour la construction d'un dosimètre intégrant le suivi électromagnétique de sa position a été réalisée. La dépendance angulaire et la distance capteur-scintillateur ont aussi été étudiées. Parmi les capteurs disponibles, celui possédant le plus petit effet sur la réponse du scintillateur a été utilisé. La reconstruction d'un prototype d'un applicateur blindé pour les cancers gynécologiques a été faite à l'aide du suivi électromagnétique (EM). L'erreur moyenne du capteur sélectionné pour cette étude était de 0,17 mm lorsqu'il se trouvait à 250 mm du générateur de champ. Aucune différence significative sur la mesure n'a été observée à proximité du blindage de cet applicateur. Le suivi EM a aussi été testé lorsqu'il était intégré dans un câble de vérification d'un projecteur de source (Flexitron, Elekta Brachytherapy, Veenendaal, Pays-Bas). Les coordonnées de reconstructions ont été prises lors de la rétraction du câble de vérification. Une comparaison des reconstructions avec différentes vitesses de rétraction du câble a été faite. Les décalages de 5 mm ont tous été identifiés avec une vitesse de reconstruction de 10 cm/s. Néanmoins, il faut une vitesse maximale de 2,5 cm/s pour détecter les décalages de 1 mm. Deux dosimètres avec suivi EM ont été construits, soit un avec une fibre scintillante de plastique(BCF-60) et l'autre avec un scintillateur inorganique (ZnSe:O). Les dosimètres construits ont été calibrés. Les mesures de dose ont été faites en respectant les conditions de diffusion complète et ont été comparées avec le formalisme du TG-43. Par rapport à ce dernier, le dosimètre organique avait une différence de 1,7± 0,2 % alors que l'inorganique possédait une différence de 1,5± 0,7 %pour des distances source-dosimètre allant de 8 mm à 60 mm. Une étude de détection d'erreur a été accomplie. Un gain maximal de 24,0 % est observé pour les déplacements latéraux de 0,5 mm pour le dosimètre inorganique lorsque le suivi EM est utilisé, tandis qu'un gain maximal pour les déplacements longitudinaux (0,5 mm) de 17,4 % a été montré pour ce même scintillateur. Les différents résultats de ce projet quantifient les gains ainsi que les perpectives que l'ajout du suivi EM apportent à la curiethérapie HDR et justifient son introduction dans ce domaine. / High-dose-rate (HDR) brachytherapy is a cancer treatment used for various sites such as gynecological, prostate, breast, head and neck cancers. The technique consists in delivering a dose of radiation by having one or multiple sources in close proximity or with in a tumor. This is a multi-step process and errors can happen at any step during its execution. Several studies have used in vivo dosimetry to detect and avoid possible errors. This practice is not standardized, as no commercial solution currently exists on the market. In addition to dosimetry, electromagnetic (EM) tracking systems have also proven to be useful for the detection of some pre-treatment errors. This thesis explores errors that can occur during the treatment process and suggests a solution based on electromagnetic tracking. The construction of a dosimeter and the use of an EM tracking will be studied in the context of high-dose-rate (HDR) brachytherapy. First, a retrospective study was completed to highlight the required performance of an in vivo dosimeter during prostate cancer treatments. Dwell positions and dwell times for all patients were extracted from each treatment file. A virtual dosimeter was positioned in one of the treatment catheters for each patient. A comparison of each dwell times and dwell positions was completed for the identification of catheters. It has been shown that an accuracy of 1 mm would be ideal on the source-dosimeter distance. For the studied patient cohort, dwell times are better discriminators than dwell positions. This study showed that it is important to avoid placing the dosimeter near the center of the implant. Then, a selection of components for the construction of the dosimeter was performed. Among the available sensors, the one with the smallest impact on the scintillator response was chosen for the work quantifying the gain of EM tracking. The angular dependence and the sensor-scintillator distance were also studied. The reconstruction of a shielded applicator prototype for gynecological cancer was made using EM tracking. An average error of the selected sensor for this study was 0.17 mm when it was 250 mm from the field generator. EM tracking was also tested when integrated into the check cable of an after loader (Flexitron, Elekta Brachytherapy, Veenendaal, Netherlands). The reconstruction coordinates were taken during retraction of the check cable. A comparison of the reconstructions for different cable speeds was made. From this study, the speed for a linear path reconstruction is recommended at 5 cm/s. The 5-mm shifts were all identified with a reconstruction speed of 10 cm/s. Nevertheless, a maximum speed of 2.5 cm/s was needed to detect 1-mm shifts. Two dosimeters were constructed, one with a plastic scintillating fiber (BCF-60) and one with an inorganic scintillator(ZnSe:O). All dose measurements were made in full scatter conditions and were compared with the TG-43 formalism. Compared to the latter, the organic dosimeter had a difference of 1.7± 0.2 % while the inorganic had a difference of 1.5± 0.7 % over an interval of 8 mm to 60 mm from the source. An error detection study was performed and a comparison was made to determine the gain provided by the EM tracking. A maximum gain of 24.0 % was observed with a lateral displacement of 0.5 mm for the inorganic dosimeter. For longitudinal displacements (0.5 mm), a maximum gain of 17.4 % was shown for this same scintillator. The different results obtained in this project will quantify the performance for the construction of an in vivo dosimeter for HDR brachytherapy. The gains from the addition of EM monitoring to HDR brachytherapy will justify its use in this field.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer les traitements du cancer du poumon en radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) réalisés grâce à un logiciel maison (Ballista) et à un logiciel commercial (Pinnacle3 de Philips). Dans un premier temps, nous avons constaté que de mélanger les basses et hautes énergies dans un même plan permettait d'obtenir une meilleure épargne des tissus périphériques tout en conservant la couverture du volume cible et l'épargne des organes sensibles. Ensuite, le système Ballista a été mis à profit pour explorer les limites d'augmentation de la dose à la tumeur pour des plans d'IMRT simples. En explorant des configuration d'angles non coplanaires, la dose à la maladie macroscopique a pu être augmentée à des niveaux supérieurs à 78 Gy dans un nombre important de cas, sans augmentation excessive de la dose aux organes à risque. Finalement, nous avons utilisé des images de perfusion pulmonaire acquises par tomographie par émission monophotonique (TEM) pour caractériser spatialement et quantitativement la fonction pulmonaire et obtenir des plans qui évitent les régions les plus saines. Nous avons cherché à identifier une méthode simple et avantageuse pour générer ces plans. Toutes les méthodes tentées ont permis d'obtenir un gain incrémentiel sur l'épargne des régions fonctionnelles. Nous n'avons cependant pas pu trouver de corrélation possible entre l'épargne fonctionnelle obtenue et divers paramètres géométriques spécifiques à chaque patient. Le grand résultat de cette thèse a été la création d'un cadre d'applications pour un système de planification 5D, combinant ainsi les trois dimensions de l'espace, la dimension temporelle (mouvements intrafraction et interfraction) et la dimension de l'information fonctionnelle. On pourrait ainsi imaginer un logiciel permettant d'optimiser les angles d'incidence des faisceaux en tenant compte de la distribution spatiale de la fonctionnalité (autant tumorale que celle des tissus normaux), avec une définition de volume cible tenant compte du déplacement intrafraction des structures internes et avec un niveau de modulation suffisant pour obtenir une conformité accrue.

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 curiethérapie prostatique se fait en implantant des grains radioactifs dans une zone tumorale. À cause des soucis temporaux, la planification considère ces grains comme des sources ponctuelles dans un monde uniforme d’eau. Ce mémoire présente une évaluation de l’impact de deux effets perturbant la dosimétrie, avec des méthodes Monte Carlo, en curiethérapie prostatique. L’orientation des sources, négligée actuellement, risque d’altérer la dosimétrie calculée. Cet impact est évalué sur une cohorte de patients (n=287). Aucun impact n’est calculé sur la prostate et l’urètre mais un impact de -2% est calculé sur la vessie et le rectum. La présence de calcifications dans la zone tumorale est négligée par la planification actuelle. Une cohorte de patients (n=43) possédant des calcifications permet d’évaluer cet impact. Il ressort du calcul MC une différence de -13% sur le D90 du CTV et de -16% sur le D10 de l’urètre, en comparaison avec l’algorithme de planification actuel. / Prostatic brachytherapy is performed by inserting radioactive seeds in a tumoral zone. Because of time constraint, clinical planning considers those seeds as point sources in a water medium. This thesis presents the quantification of the impact of two perturbing effects on the dosimetry, evaluated through a Monte Carlo algorithm, in prostatic brachytherapy. Seeds orientation, actually neglected, may alter the clinical dosimetry. The impact of this effect is evaluated on a cohort (n=287) of patients. No effect is calculated on the prostate or the urethra but a difference of -2%, when compared to the clinical algorithm, is calculated on the OARs. Calcifications are actually neglected in the clinical planning. A cohort of patients (n=43) with visible calcifications is used to measure the effect of this approximation. MC calculations yield a difference of -13% on the CTV D90 and -16% on the urethra D10, when compared to the clinical algorithm.

Les méthodes Monte Carlo pour la planification de traitement par faisceaux d'électrons représentent une avancée significative en termes de précision de calcul de dose, comparativement aux algorithmes conventionnels de faisceaux pinceaux. Le système de planification de traitement Eclipse (Varian, Palo Alto, Ca) offre un nouvel algorithme rapide de calcul de dose par méthode Monte Carlo pour des faisceaux d'électrons de hautes énergies. Plusieurs tests ont été effectués afin d'explorer le comportement du système dans plusieurs configurations rencontrées dans les pratiques cliniques. La première série de tests a été effectuée dans un fantôme homogène d'eau. Les distributions de dose mesurées et calculées ont été comparées pour différentes combinaisons d'énergie, d'ap-plicateur et de profondeur. Ensuite, quatre différents fantômes hétérogènes simulant des matériaux de haute et basse densité furent construits afin d'explorer différentes conditions d'hétérogénéités : un petit cylindre d'air, un fantôme de poumon, un fantôme de paroi thoracique et un fantôme anthropomorphique. Enfin, l'évaluation de l'algorithme Monte Carlo s'est terminée avec l'étude rétrospective de deux cas cliniques. Comparativement à l'algorithme de faisceaux pinceaux de Pinnacle, les calculs Monte Carlo prédisent plus précisément les larges perturbations de dose dues aux hétérogénéités.

L'irradiation de la paroi thoracique après mastectomie permet de diminuer les risques de récidive locorégionale du cancer du sein, et d'augmenter la survie à long terme. Lors du traitement, deux faisceaux d'électrons jointifs combinés avec la technique du générateur de pénombre s'avèrent parfois utiles, lorsque la quantité de poumon irradiée en photons est trop importante. Cependant, les logiciels de planification des traitements ne sont pas prévus pour représenter cette technique. Une méthode pour implémenter la technique dans le système de planification commercial Pinnacle3 a donc été établie : le modèle est basé sur une superposition de sous-champs suivant une distribution gaussienne d'intensités. Des mesures avec une chambre à ionisation ont permis d'optimiser le choix des paramètres de superposition selon l'énergie et les caractéristiques du générateur de pénombre. Par ailleurs, un programme qui permet l'automatisation de la création des sous-champs et du calcul de leur pondération, a été développé. Ces outils permettent pour la première fois d'illustrer fidèlement les traitements des parois en électrons avec générateurs de pénombre. D'une part, les résultats du modèle sur une surface plane correspondent aux mesures et respectent les effets du générateur de pénombre. D'autre part, la planification sur un cas clinique démontre une diminution d'environ 30% du surdosage dans la région de la jonction, ce qui rend la planification plus représentative de la réalité. La pertinence des déplacements de jonctions souvent utilisés en clinique peut maintenant être évaluée objectivement.

Les thérapies radionucléidiques utilisant du $^{177}$Lu sont utilisées pour traiter les patients atteints de tumeurs neuroendocrines dans le cadre de la thérapie radionucléidique par radiopeptides, *peptide receptor radionuclide therapy* (PRRT), et de la thérapie radiopharmaceutique pour le cancer de la prostate, *radioligand therapy* (RLT). La PRRT empirique consiste à injecter 4 cycles de $^{177}$Lu-octreotate de 7.4 GBq afin de limiter la dose absorbée dans les reins sous 23 Gy. Cette méthodologie étant généralement sous-optimisée, une PRRT personnalisée a été proposée. Sur bases d'images acquises en tomographies par émission mono-photonique (TEMs) quantifiées, *quantitative single photon emission computed tomography* (QSPECT), après chaque injection, la dose absorbée par activité injectée est calculée dans les reins. En fonction de celle-ci, l'activité injectée au cycle suivant est personnalisée afin d'atteindre 23 Gy aux reins au bout des quatre injections. La quantification des images nécessite qu'un facteur de calibration soit établi pour le système TEM et qu'une correction du temps mort soit apportée. En raison du nombre important de photons pouvant atteindre la caméra, cet effet indésirable diminue le nombre de photons observés par rapport au nombre réel. Pour le corriger, la constante de temps mort de la caméra a été déterminée et utilisée pour en corriger les images. Néanmoins, l'impact du temps mort sur les images PRRT est encore peu connu et sa correction actuelle ne permet pas de corriger les images ayant un très haut débit de photons. Les premiers objectifs de ce travail consistent à valider la méthode de quantification actuelle et proposer une méthode permettant de quantifier les images tomographies par émission mono-photonique (TEMs) des patients à plus haut débit de photons. Concernant l'efficacité du traitement, une corrélation a été observée entre la réponse précoce et l'effet tardif du traitement mais sa haute variabilité ne permet actuellement pas de l'appliquer de manière prédictive. Pour le deuxième objectif, il s'agit de proposer une méthode semi-automatique capable de segmenter un contour réaliste du fardeau tumoral des patients et qui puisse permettre d'évaluer la réponse tumorale durant la PRRT. L'impact de la correction du temps mort sur le calcul de la dose absorbée aux reins a été évalué sur 166 patients. Des acquisitions de fantômes personnalisés ont été effectuées avec du $^{99m}$Tc et du $^{177}$Lu afin d'évaluer la réponse des caméras à haut débit de photons pour différents paramètres d'acquisition et pour différents modèles. La méthode actuelle de correction de temps mort a été évaluée sur ces acquisitions et pour les QSPECTs de patients. Elle a été comparée à une méthode plus juste physiquement mais plus difficilement applicable en routine clinique. Il a été possible de montrer que la correction du temps mort est nécessaire dans un régime personnalisé pour limiter la sous-estimation de dose absorbée aux reins, parfois supérieure à 20%. En outre, le nombre de photons corrigé avec la méthode actuelle ne diverge pas de plus 2% par rapport à la méthode de référence. Nos résultats sur les fantômes ont montré que la constante de temps mort est non seulement indépendante du radio-isotope utilisé mais qu'elle peut également varier selon les paramètres d'acquisition et des manufacturiers. Ainsi, il nous est possible en modifiant un paramètre d'acquisition de doubler le débit de photons quantifiables pendant une acquisition. 24 méthodes de segmentations ont été appliquées sur 100 QSPECTs provenant des deux premiers cycles PRRT de 50 patients. Pour chaque image, un expert a choisi, et éventuellement modifié, le contour qu'il jugeait le plus réaliste pour ainsi obtenir le contour de référence. Les algorithmes y ont été comparés en termes de Dice, de sensibilité et d'évolution de fraction tumorale. Une méthode de segmentation, le *watershed transform* (WT), a pu être isolée en raison de ses résultats supérieurs aux autres méthodes. Les contours de référence ont été créés 43 fois sur 100 avec ce WT comme segmentation initiale, ce qui peut expliquer sa performance. Néanmoins, il s'agissait aussi de la méthode permettant de segmenter plus de 90% des lésions (y compris celles de faible intensité) et dont la catégorisation de la réponse tumorale était en accord avec celle de l'expert dans 92% des cas. La nécessité de corriger pour le temps mort et la méthodologie employée ont été validées pour un régime personnalisé de PRRT. Pour les patients ayant une rétention très importante du $^{177}$Lu au moment de l'imagerie, une solution a été apportée pour rendre leurs images quantifiables. Celle-ci dépend néanmoins du système SPECT utilisé. Bien que l'effet de temps mort soit généralement considéré comme négligeable dans le calcul de dosimétrie, l'augmentation probable de thérapies personnalisées verra les activités injectées aux patients augmenter et avec elles, le besoin de corriger les images pour les rendre quantifiables. La segmentation proposée se veut robuste et relativement indépendante de l'utilisateur. Les réponses précoces et tardives au traitement seront évaluées en utilisant cette méthode de sorte à affiner la corrélation déjà existante. Les résultats obtenus dans ce travail permettent d'améliorer la quantification et la segmentation des images acquises avec du $^{177}$Lu. Ceci servira à améliorer la personnalisation des thérapies PRRT et RLT afin d'augmenter l'espérance de vie des patients. / $^{177}$Lu-based radionuclide therapies are commonly used to treat patients afflicted with neuroendocrine tumours, *peptide receptor radionuclide therapy* (PRRT), or by prostate cancer, *radioligand therapy* (RLT). Empiric PRRT relies on four 7.4 GBq $^{177}$Lu-octreotate cycles to limit the kidneys absorbed dose to 23 Gy. Due to the inter-patient variability, a personalised PRRT approach was created to optimise the amount of injected activity based on the renal dosimetry. This is achieved by performing *quantitative single photon emission computed tomography* (QSPECT) imaging after each injection. The kidneys absorbed dose per injected activity is measured and used to personalise the amount of injected activity during the next cycle in order to reach 23 Gy by the end of the treatment. This requires a calibration of the SPECT system, i.e. determining its calibration factor and dead-time constant. This unwanted artefact reduces the observed photon count rate. The system dead-time constant was determined and is currently used to correct PRRT images. However, the dead-time impact on kidney dosimetry is still unknown. Besides, the current methodology is unable to quantify the images of patients emitting a very high photons count rate during the acquisition. The first objective aims at validating the current quantitative methodology and determining the dead-time correction impact on personalised PRRT dosimetry. A prevention methodology should also be brought to quantifiy the images of patients emitting a high photons count rate. Regarding the treatment response, based on the acquired images, a correlation was found between the early and late tumours response. However, due to its high variability it is currently impossible to use this correlation in therapies. The second objective aims at creating a robust semi-automatic segmentation method able to segment a realistic tumoral burden and properly evaluate its response throughout PRRT cycles. The dead time correction impact was evaluated on the absorbed dose of 166 patients. Images of customised phantoms filled with high activities of either $^{99m}$Tc or $^{177}$Lu were acquired on different SPECT systems and for various acquisition parameters. The current dead time correction method was compared with a physically correct but less convenient method on both phantoms and patients images. Results showed that dead-time correction is necessary in personalised PRRT to avoid kidneys absorbed dose underestimations as high as 20%. Additionally, absorbed doses differences between our current methodology and the reference did not exceed 2%. We observed that the dead-time correction factor is independent from the radionuclide but can vary depending on the acquisitions parameters and the manufacturer. Changing the acquisition protocol allowed to double the amount of quantifiable photons rate. 24 segmentation methods were applied on 100 QSPECTs from 50 patients' first two PRRT cycles. An expert chose for each image the most realistic segmentation and eventually modified it to define the reference contour. Segmentations were compared based on Dice, sensitivity and tumours response. The total lesion fraction evolution from cycle 1 to cycle 2 was categorised and compared to the expert's opinion. The *watershed transform* (WT) appeared to be the method segmenting the most realistic tumoral burden. It was the expert's most chosen segmentation before an eventual modification (43/100) which can explain its performance. It was able to segment up to 90% of tumours (even low intensity ones) and its resulting tumoral response was consistent with the one determined by the expert in more than 92% of cases. Our dead-time correction methodology was validated and we proved that its correction is necessary in a personalised PRRT protocol. We also managed to quantify the SPECT images of patients having an important $^{177}$Lu retention. This solution is, however, dependant on the SPECT system. Dead time is generally considered negligible in current therapies. However, with the likely increase of personalised therapies, patients will receive higher amounts of activities and their following QSPECTs will need to be corrected for this artefact. Our tumour segmentation method is robust and limits the impact of the inter-user variability. Early and late responses will be measured based on this algorithm in order to improve their currently weak correlation and reduce the variability. The obtained results will improve the quantification and segmentation of $^{177}$Lu QSPECTs. These will impact the personalisation of PRRT and RLT and hopefully help to improve patients' outcomes.

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.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / La dosimetric dans la gamme d'énergie du kV représente l'un des défis majeurs de la radiologie diagnostique et interventionnelle ainsi qu'en radiothérapie superficielle. Les détecteurs utilisés actuellement comportent souvent des limitations quant à la justesse, du temps de réponse et de la taille. Les détecteurs à fibre scintillante plastique sont des détecteurs très prometteurs, n'offrant aucune de ces limitations. La perte de l'équivalence à l'eau causée par le gain en importance de l'effet photoélectrique avec des faisceaux entre 80 et 150 kVp est compensée par des facteurs de conversion basés sur la théorie des grandes cavités qui sont pondérés spectralement. De cette façon, la méthode est adaptable à différentes qualités de faisceau. La méthode est validée par des simulations Monte Carlo qui servent de références. La réponse du détecteur pour des faisceaux d'énergie effective variant entre 26 et 86 keV présente un coefficient de variation de 2.1% comparativement à 30% lorsqu'aucune correction est appliquée. La même méthode peut compenser le durcissement et la contribution du rayonnement diffusé lors de mesure de rendement en profondeur. Avec ce type de détecteur et la correction spectrale, il sera possible de mesurer en temps réel, avec une précision accrue, la dose reçue par le patient lors d'examens radiologiques. La petite taille du détecteur (1 mm de diamètre) ouvre la porte à des mesures in vivo afin d'obtenir des mesures expérimentales de la dose reçue non seulement à la peau mais aussi aux organes internes.

En radiothérapie, la planification de traitement correspond à l’optimisation de la balistique pour administrer la dose prescrite aux lésions à traiter, tout en minimisant les doses collatérales reçues par les tissus sains. L’algorithme de calcul de dose qui est au cœur de cette simulation numérique se doit d’être précis et efficace. L’antagonisme de ces deux compétences a abouti au développement d’algorithmes analytique rapides dont l’amélioration de la précision dosimétrique a, de nos jours, atteint sa limite. L’exactitude de l’algorithme de calcul de dose est particulièrement importante en protonthérapie pour exploiter pleinement le potentiel balistique des protons. La méthode Monte Carlo de transport de proton est la plus précise mais également la moins efficace. Cette thèse a pour sujet le développement d’une plateforme Monte Carlo de calcul de dose suffisamment efficace pour envisager son utilisation en routine clinique. L’objectif principal du projet est d’accélérer le transport Monte Carlo de protons sans compromettre la précision des dépôts de dose. Pour ce faire, deux voies de recherche ont été exploitées. La première a consisté à établir une nouvelle méthode de réduction de variance nommée formalisme du pouvoir d’arrêt restreint équivalent (formalisme Leq). Cette technique améliore significativement la complexité algorithmique temporelle rendue constante (O(1)) au lieu de linéaire (O(n)) des algorithmes Monte Carlo actuels. La seconde voie de recherche s’est attardée à l’utilisation des processeurs graphiques pour améliorer la vitesse d’exécution du transport Monte Carlo de protons. La plateforme développée, nommée pGPUMCD, réalise le transport des protons sur des processeurs graphiques au sein de géométries voxelisées. Dans pGPUMCD, les techniques d’interactions condensées et ponctuelles sont considérées. Les interactions inélastiques de faibles portées sont modélisées par la décélération continue du proton à l’aide du formalisme Leq, et les interactions élastiques par la diffusion coulombienne multiple. Les interactions ponctuelles modélisées sont les interactions inélastiques, les intéractions nucléaires élastiques et non-élastiques proton-noyaux. pGPUMCD est comparé à Geant4, et les procédés physiques implémentés sont validés les uns après les autres. Pour les cas cliniques de calcul de dose, 27 matériaux sont définis pour la segmentation des tissus du scanner tomodensitométrique. L’exactitude dosimétrique du formalisme Leq est meilleure que 0.31% pour divers milieux allant de l’eau à l’or. Les gains d’efficacité intrinsèque au formalisme Leq sont supérieurs à 30 : entre 100 et 630 à précisions dosimétriques similaires. Combiné à l’accélération du GPU, le gain d’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à 10⁵. pGPUMCD concorde à Geant4 à moins de 1% jusqu’au pic de Bragg et à moins de 3% dans sa pénombre distale, pour différentes configurations de simulations allant des milieux homogènes jusqu’aux cas cliniques. De plus, 99.5% des points de dose passent le critère 1% et les portées de prescription concordent avec celles de Geant4 à moins 0.1%. Les temps de calcul de pGPUMCD sont inférieurs à 0.5 seconde par million de protons transportés contre plusieurs heures avec Geant4. Les performances dosimétriques et d’efficacité de pGPUMCD lui confèrent les bonnes caractéristiques pour être employé dans un environnement de planification dosimétrique clinique. L’apport médical attendu est un meilleur contrôle sur les doses administrées, ce qui permet une réduction significative des marges et des toxicités des traitements. / In radiotherapy, treatment planning is the optimization of the ballistics to administer the prescribed dose to the treated lesions while minimizing collateral doses received by the healthy tissue. The algorithm of the dose calculation is at the heart of this numerical simulation. It must be precise and computationally efficient. The antagonism of these two features has led to the development of rapid analytical algorithms whose improvement in dosimetric accuracy has nowadays reached its limit. The accuracy of the dose calculation algorithm is particularly important in proton therapy to fully exploit the ballistic potential of protons. The Monte Carlo proton transport method is the most accurate but also the least efficient. This thesis deals with the development of a Monte Carlo dose calculation platform that is sufficiently effective to consider its use in clinical routine. The main objective of the project is to accelerate the Monte Carlo proton transport without compromising the precision of the dose deposition. To do this, two lines of research have been exploited. The first was to establish a new variance reduction technique called the equivalent restricted stopping power formalism (formalism Leq). This technique significantly improves the algorithmic time complexity made constant (O(1)) instead of linear (O(n)) for the current Monte Carlo algorithms. The second line of research focused on the use of graphics processing units to improve the execution speed of the proton Monte Carlo transport. The developed platform, named pGPUMCD, transports protons on graphic processors in a voxelized geometry. In pGPUMCD, condensed and discrete interaction techniques are considered. The inelastic low-range interactions are modeled with a continuous proton slowing down using the Leq formalism and the energy straggling is considered. The elastic interactions are based on the multiple Coulomb scattering. The discrete interactions are the inelastic interactions, the nuclear elastic and the non-elastic proton-nuclei interactions. pGPUMCD is compared to Geant4 and the implemented physical processes are validated one after the other. For the dose calculation in a clinical context, 27 materials are defined for the tissue segmentation from the CT scan. The dosimetric accuracy of the Leq formalism is better than 0.31% for various materials ranging from water to gold. The intrinsic efficiency gain factors of the Leq formalism are greater than 30, between 100 to 630 for a similar dosimetric accuracy. Combined with the GPU acceleration, the efficiency gain is an order of magnitude greater than 10⁵. Dose differences between pGPUMCD and Geant4 are smaller than 1% in the Bragg peak region and below 3% in its distal fall-off for the different simulation configurations with homogeneous phantoms and clinical cases. In addition, 99.5% of the dose points pass the criterion 1% and the prescribing ranges match with those of Geant4 at less than 0.1%. The computing times of pGPUMCD are below 0.5 seconds per million of transported protons compared to several hours with Geant4. The dosimetric and efficiency performances of pGPUMCD make it a good candidate to be used in a clinical dosimetric planning environment. The expected medical benefit is a better control of the delivered doses allowing a significant margin and toxicity reductions of the treatments.