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.

This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback's delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.

Ce document présente mon travail sur la dynamique transverse et longitudinale non linéaire d'un faisceau d'électrons dans ThomX, une nouvelle source de rayons X basée sur la rétrodiffusion Compton. Au cours de ce travail j'ai développé un code de simulation contenant les modèles théoriques pour calculer la dynamique non linéaire transverse et longitudinale sous l'influence de rétrodiffusion Compton. Les processus étudiés incluent les effets collectifs tels que la force de charge d'espace longitudinale, les effets de la résistivité des parois, le rayonnement synchrotron cohérent et la diffusion interne au faisceau. J'ai aussi simulé un algorithme de boucle de rétroaction longitudinale et étudié l'effet de la latence de la boucle dans les simulations pour comprendre son effet sur la dynamique du faisceau. Ce code permet d'effectuer une simulation complète en 6 dimensions de la dynamique d'un faisceau dans un anneau sous l'effet de rétrodiffusion Compton en prenant en compte la stabilisation par boucle de rétroaction pour les 400 000 tours (~ 20ms) d'un cycle d'injection. L'une des fonctionnalités importantes de ce code est qu'il peut être exécuté sur une ferme d'ordinateurs. En utilisant ce code j'ai étudié la dynamique des électrons dans ThomX et le flux de photons Compton diffusés. J'ai analysé la contribution relative de chaque phénomène physique à la dynamique globale du faisceau et comment minimiser leurs effets disruptifs. Dans le cadre de mon travail sur la boucle de rétroaction sur la phase longitudinale j'ai aussi mesuré et analysé les propriétés de la cavité RF ELETTRA à utiliser sur ThomX. / This thesis introduce my work on transverse and longitudinal non linear dynamics of an electron beam in ThomX, a novel X-ray source based on Compton backscattering. In this work I implemented in simulation code theoretical models to calculate transverse and longitudinal non linear dynamics under Compton back scattering. The processes studied include collective effect such as longitudinal space charge, resistive wall and coherent synchrotron radiation, intra beam scattering. I also implemented a longitudinal feedback algorithm and studied the effect of the feedback’s delay in the simulation to explore its effects on beam dynamics. This code allows to perform a full 6D simulation of the beam dynamics in a ring under Compton back scattering taking into account the feedback stabilisation for the 400 000 turns (~ 20 ms) of one injection cycle. One important feature is that this simulation code can be run on a computer farm. Using this code I investigated the electrons dynamics in ThomX and the flux of scattered Compton photons. I analysed the relative contribution of each physical phenomena to the overall beam dynamics and how to mitigate their disruptive effect. As part of my work on longitudinal phase feedback I also measured and analysed properties of the ELETTRA RF cavity to be used on ThomX.