<p>Reference radiation fields for x-ray qualities are described by the International Organization of Standards (ISO). This study describes the procedure to establish nine different low energy X-ray qualities at the national metrology laboratory, Swedish Radiation Protection Authority, following the document ISO 4037. Measurements of tube voltage, half-value layer, mean energy and spectral resolution have been performed for qualities N-15, N-20, N-25, N-30, N-40, L-20, L-30, L-35 and L-55. Furthermore, dose equivalent conversion coefficients for operational quantities ambient dose equivalent, personal dose equivalent and directional dose equivalent have been calculated by folding the mono-energetic conversion factors with measured spectral distributions of the x-ray qualities. The spectral distributions were unfolded from pulse-height distributions to photon distributions using simulated data of the semi-conductor detector used for measurements, generated with the Monte Carlo code PENELOPE.</p>

Reference radiation fields for x-ray qualities are described by the International Organization of Standards (ISO). This study describes the procedure to establish nine different low energy X-ray qualities at the national metrology laboratory, Swedish Radiation Protection Authority, following the document ISO 4037. Measurements of tube voltage, half-value layer, mean energy and spectral resolution have been performed for qualities N-15, N-20, N-25, N-30, N-40, L-20, L-30, L-35 and L-55. Furthermore, dose equivalent conversion coefficients for operational quantities ambient dose equivalent, personal dose equivalent and directional dose equivalent have been calculated by folding the mono-energetic conversion factors with measured spectral distributions of the x-ray qualities. The spectral distributions were unfolded from pulse-height distributions to photon distributions using simulated data of the semi-conductor detector used for measurements, generated with the Monte Carlo code PENELOPE.

La diffraction des rayons X à haute énergie est une technique puissante pour caractériser les transformations de phases dans les matériaux métalliques. Cette technique nous a permis d'étudier quantitativement le changement de phases ß ? a + ß dans les alliages de titane au cours de traitements thermiques. Nous avons pu caractériser les différentes phases en présence, déterminer en temps réel les cinétiques de transformation et suivre l'évolution des paramètres de maille de chacune des phases. Dans un premier temps, nous avons étudié le changement de phases a + ß ? ß des alliages Ti17, Ti64 et Ti6242, au cours du chauffage en utilisant des vitesses lentes. Les évolutions des paramètres de maille ont été corrélées aux variations de composition chimique des phases (déterminées par ThermoCalc). Les cinétiques de transformation ont ensuite été comparées à celles calculées par l'intermédiaire d'un modèle par champ de phases. Dans le cas de l'alliage Ti17, la transformation de phases ß ? a + ß a également été étudiée au refroidissement. Différentes conditions de refroidissement ont été étudiées : en condition anisotherme au cours de refroidissements continus et en condition isotherme, au cours de maintiens à différentes températures. L'influence du chemin thermique a également été étudié, en réalisant des revenus à partir d'un état [bêta]-métastable à température ambiante. Les cinétiques de transformation obtenues ont été comparées à celles déterminées par résistivité électrique. L'évolution des paramètres de maille des phases et de la largeur à mi hauteur (FWHM) des pics de la phase [bêta] ont permis de mettre en évidence les variations de composition chimique de cette phase et les changements d'état de contrainte engendrés lors des transformations / The high energy X-rays diffraction is a powerful tool to characterize the phase transformation in metallic materials. Its use in the case of titanium alloys has allowed to study the phase transformation during heat treatments. We were able to characterize the different phases involved, to determine in situ the evolution of the mass fraction and the cell parameters of each phase. In the first time, we have studied the phase transformation a + ß ? ß during heating of Ti17, Ti64 and Ti6242 titanium alloys. The cell parameters evolutions have been compared to the chemical composition variations (determined by Thermocalc). Then, the transformation kinetics have been compared to calculated results obtained by a phase field approach. For the Ti17 alloy, we have characterized the phase transformation ß ? a + ß during the cooling. Different conditions were used: the anisothermal condition (during continuous cooling) and the isothermal condition (during dwells at different temperatures). The influence of the thermal path have been considered by means of tempering from a [bêta]-metastable state at room temperature. The evolution of the phase fraction has been compared to kinetics measured by electrical resistivity. The cell parameter and full width at half maximum (FWHM) variations and of each phase have allowed to highlight the changes of the chemical composition and the elastic strain during phase transformation

La curiethérapie électronique, également appelée radiothérapie de contact, est une technique de traitement du cancer utilisant des rayons X de faible énergie (≤ 50 keV) générés par des tubes à rayons X miniaturisés et positionnés au contact des tissus à irradier. La miniaturisation des générateurs à rayons X a conduit au développement de nouveaux systèmes de traitement, dont le plus répandu dans le monde et le seul utilisé en France est le système INTRABEAM® commercialisé par la société Zeiss. Au-delà du bénéfice médical, les avantages potentiels de la curiethérapie électronique sont une diminution drastique de l'inconfort du patient combinée à un moindre coût de traitement. Ainsi, dans le cadre du cancer du sein qui correspond à l’application principale de l’INTRABEAM, cette technique remplace la trentaine de séances de radiothérapie externe classiquement prescrite suite à l’exérèse du volume tumoral par une seule et unique séance délivrée en 20 à 50 minutes au bloc opératoire directement après l’acte chirurgical alors que la patiente est encore sous anesthésie. Cette radiothérapie peropératoire (RTPO) associe au mini générateur de rayons X des applicateurs qui, en sénologie, correspondent à des sphères de différents diamètres conçues pour épouser au mieux la cavité tumorale résultant de l’exérèse. La dose délivrée en RTPO est classiquement de l'ordre de 20 Gy en surface du lit tumoral et diminue rapidement avec la profondeur afin de préserver les tissus sains voisins (< 1 Gy après quelques cm). En France, le 1er traitement par RTPO a eu lieu à Nantes fin 2011. Aujourd’hui, une dizaine de centres hospitaliers français propose des traitements par RTPO au moyen de la technique INTRABEAM®. Très rapidement, plusieurs physiciens médicaux ont exprimé au laboratoire français de métrologie de la dose (LNHB), leur besoin de raccordement dosimétrique à une référence indépendante du constructeur. Ce besoin a été réaffirmé par la Haute Autorité de Santé (HAS) dans un rapport sur l’évaluation de la RTPO dans le cancer du sein, édité en avril 2016. Le présent travail vise à renforcer la sécurité d’emploi d’appareils de RTPO par rayons X de basse énergie (< 50 keV). Cependant, afin de répondre aux physiciens médicaux français et du fait de contraintes temporelles, l’étude est ici limitée au système INTRABEAM associé au seul applicateur sphérique de 4 cm de diamètre. Le travail a été articulé autour de trois axes. Le premier a concerné l’établissement et le transfert d’une référence primaire en termes de dose absorbée dans l’eau à 1 cm de profondeur. La méthodologie a été développée et ensuite appliquée pour le système INTRABEAM® associé à un applicateur sphérique de 4 cm, pour lequel, la référence primaire a été réalisée. Le deuxième axe a eu pour objet la détermination de la distribution spatiale de dose autour de la source considérée par l’utilisation de gels dosimétriques et par calcul de type Monte Carlo. L’hydrogel à base de Fricke, utilisé ici, est lu par imagerie par résonance magnétique à l’hôpital d’Orsay. Ce gel a été étalonné en dose pour des photons d’énergie inférieure à 50 keV puis utilisé pour déterminer les profils de doses autour de la source INTRABEAM® associée à l’applicateur sphérique de 4 cm de diamètre dans les plans axial et transverse incluant le centre de la source INTRABEAM®. Quant au dernier axe, il s’est agi de confronter des données dosimétriques fournies par la société Zeiss, concernant l’INTRABEAM® en utilisation à l’hôpital St-Louis à Paris, à celles obtenues au cours de la présente étude pour le même système. Des différences significatives ont été trouvées entre les doses délivrées par Zeiss et celles obtenues dans la présente étude. Une étude indépendante menée par le PTB pour une autre configuration de source INTRABEAM® a conduit à des observations comparables. L’approche adoptée par Zeiss a ainsi été investiguée dans le présent travail et une cause de divergence a été proposée. / Electronic Brachytherapy (eBT), also called contact radiotherapy, is a cancer treatment technique using low energy X-Rays (≤ 50 keV) generated by X-Ray tubes which are placed in close contact with the treated lesions. The latest evolutions of miniaturized X-Ray tubes led to the development of new treatment systems, such as the INTRABEAM® system of the ZEISS Company which is the most available eBT system and the only one currently used in France. Beside its medical benefit, the potential major advantages of treatment by eBT are the drastic decrease in patient discomfort and treatment cost. In the case of breast cancer treatment with such technique, the treatment is given in a single session that lasts 20 to 50 minutes where a high dose, in the order of 20 Gy, is delivered to the tumor bed surface in contact with spherical applicators associated to the X-Ray source. The delivered dose decreases rapidly with depth (< 1 Gy after a few centimeters) enabling to preserve neighboring healthy tissues. In France, the first IORT treatment performed was in Nantes in 2011. Today, ten medical centers offer IORT treatment using the INTRABEAM® system. Consequently, several medical physicists addressed to the French national metrology laboratory for ionizing radiation (LNHB) their need for a dosimetric traceability with a reference independent from the manufacturer. This need was reaffirmed by the French Authority for Health (HAS), in their report on the evaluation of the IORT for breast cancer treatment published in April 2016. This thesis work is a contribution to the metrological work initiated by LNHB for enhancing the safety of employing IORT by eBT systems. It was limited, within the thesis period, to the INTRABEAM® system associated with a 4 cm diameter spherical applicator. The thesis work was oriented towards three main objectives. The first one concerned the establishment and the transfer of a primary dosimetric standard, in terms of absorbed dose to water at 1 cm depth in water. The methodology was developed and applied on the INTRABEAM® system with 4 cm spherical applicator, for which, the dosimetric reference was established. The second objective was to use a dosimetric gel and the Monte Carlo method to assess the 3D spatial distribution of the relative absorbed dose delivered by such a system. The dosimetric gel system used was a Fricke-based hydrogel read by Magnetic Resonance Imaging at Service Hospitalier Frédéric Joliot in Orsay (SHFJ). The gel reading was calibrated, in terms of absorbed dose for low energy X-Rays (< 50 keV), and then used to define the relative dose distributions of the INTRABEAM® X-Ray source associated with the 4 cm spherical applicator in the axial and transverse planes of the X-Ray source probe tip. The last objective was to compare the dosimetric data delivered by Zeiss, for the INTRABEAM® system used at St. Louis hospital in Paris, by the ones obtained in the current study for the same system. Significant discrepancies were found from this comparison between the doses delivered by Zeiss and those obtained in the current study. Discrepancies were also observed in a separate work conducted by the PTB under a different INTRABEAM® configuration. Some reasons of these discrepancies are outlined and discussed in this study.

Lors d’un examen ou radiologique, des rayonnements X de basse énergie sont utilisés (<100 keV). Pour certains traitements radiologiques, l’énergie utilisée est de plusieurs MeV. La publication 103 de la CIPR considère actuellement que les photons, indépendamment de leur énergie, ont le même facteur de pondération. Cependant, il existe des différences topologiques à l'échelle nanométrique du dépôt d'énergie des rayonnements X en fonction de leur spectre énergétique. En effet, à mesure que l’énergie des photons décroit, la nature de leurs interactions avec la matière vivante se modifie. Pour étudier ces différences, nous avons caractérisé nos conditions d'irradiation en termes d'énergies initiales des photons, mais surtout en termes de spectres d'énergie des électrons secondaires au niveau du volume cellulaire, en utilisant des simulations de Monte Carlo. Nous nous sommes intéressés à la signalisation des dommages de l'ADN en analysant un grand nombre de foyers γH2A.X après exposition de cellules endothéliales humaines synchronisées en phase G0/G1 à des doses allant de 0,25 à 5 Gy à 40 kV, 220 kV et 4 MV. Le nombre et la distribution spatiale des foyers γH2A.X ont été explorés. Aussi, nous avons étudié la fréquence de division et de mort cellulaire. Nous avons également étudié le taux d’anomalies de ségrégation après la division cellulaire. Nous avons mis en évidence un nombre plus élevé de cassures double-brin de l'ADN signalisées par γH2A.X pour 40 kVp et/ou 220 kVp, comparé à 4 MVp pour les plus fortes doses testées de 2 et 5 Gy. Entre 40 et 220 kVp, aucune différence biologique n’a été observée. Ce manque de différence pourrait s’expliquer par la grande similarité des spectres énergétiques des électrons secondaires, au niveau du volume cellulaire.Le spectre d'énergie des électrons secondaires semble être plus étroitement lié au niveau de dommage à l'ADN mesuré par γH2A.X que le spectre initial des paramètres d'énergie ou de tension des photons. Nos résultats indiquent qu'à mesure que le spectre d'énergie des électrons secondaires augmente, les dommages à l'ADN signalés par γH2A.X diminuent et cet effet est observable au-delà de 220 kVp. / In a radiological examination, low-energy X-radiation is used (<100 keV). For other radiological procedures, the energy used is several MeV. ICRP in publication 103 has currently considered that photons irrespective of their energy have the same radiation weighting factor. Nevertheless, there are topological differences at the nanoscale of X-ray energy deposition as a function of its energy spectrum, meaning that the different interactions with living matter could vary in biological efficacy. To study these differences, we characterized our irradiation conditions in terms of initial photon energies, but especially in terms of energy spectra of secondary electrons at the cell nucleus level, using Monte Carlo simulations. We evaluated signaling of DNA damage by monitoring a large number of γH2A.X foci after exposure of G0/G1-phase synchronized human primary endothelial cells at a dose from 0.25 to 5 Gy at 40 kV, 220 kV and 4 MV X-rays. Number and spatial distribution of γH2A.X foci were explored. In parallel, we investigated cell behavior through cell death and ability of a mother cell to produce two daughter cells. We also studied the missegregation rate after cell division. We report a higher number of DNA double-strand breaks signaled by γH2A.X for 40 kVp and/or 220 kVp compared to 4 MVp for the highest tested doses of 2 and 5 Gy. We observed no difference between the biological endpoint studies with 40 kVp and 220 kVp X-ray spectra. This lack of difference could be explained by the relative similarity of the calculated energy spectra of secondary electrons at the cell monolayer. The energy spectrum of secondary electrons seems to be more closely related to the level of DNA damage measured by γH2A.X than the initial spectrum of photon energy or voltage settings. Our results indicate that as the energy spectrum of secondary electrons increases, the DNA damage signaled by γH2A.X decreases and this effect is observable beyond 220 kVp.