L’appareil de radiochirurgie CyberKnife performe des traitements avancés de radiothérapie qui offrent des avantages nets pour certains types de cancer. Or, cet appareil produit uniquement des petits faisceaux circulaires ce qui complexifie les procédures de dosimétrie en milieu clinique. En effet, en conditions de petits champs, les diverses perturbations au niveau du détecteur peuvent être très grandes. Ainsi, l’utilisation de la méthode Monte Carlo est nécessaire lors de l’étalonnage et la caractérisation de faisceaux. Ces processus, lors desquels des valeurs de dose de référence et relative sont mesurées et entrées dans les systèmes de planification de traitement, assurent l’efficacité des traitements ainsi que la sécurité des patients. Cette thèse porte sur la modélisation Monte Carlo du CyberKnife M6 et étudie diverses applications à la dosimétrie de petits champs de radiothérapie. En premier lieu, une nouvelle méthode permettant la correction de la dépendance au débit de dose des diodes au silicium est proposée. Cette dernière est validée puis appliquée à des mesures relatives effectuées au CyberKnife du Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Les résultats illustrent la correction de l’erreur systématique induite dans les mesures due à la dépendance au débit de dose de la diode considérée. La méthode proposée fournit alors une solution efficace à cette problématique. En second lieu, une méthode pour l’optimisation des paramètres sources requis en entrée lors de la modélisation Monte Carlo de faisceaux de radiothérapie est introduite. Cette dernière est basée sur une approche probabiliste portant sur la comparaison de mesures et de simulations pour divers détecteurs, et permet la détermination de l’énergie du faisceau d’électrons incident sur la cible d’un appareil, ainsi que de la largeur à mi-hauteur de sa distribution radiale. La méthode proposée, qui est appliquée au CyberKnife du CHUM, fournit une nouvelle approche permettant l’optimisation d’un modèle Monte Carlo d'un faisceau ainsi que l’estimation des incertitudes sur ses paramètres sources. En troisième lieu, le modèle de faisceau du CyberKnife développé est utilisé afin d’estimer l’impact des incertitudes des paramètres sources sur diverses fonctions dosimétriques couramment utilisées en milieu clinique, ainsi que sur des distributions de dose obtenues par simulation de plans de traitement. Les résultats illustrent l’augmentation de l’impact des incertitudes du modèle de faisceau avec la réduction de la taille de champ, et fournissent une nouvelle perspective sur la précision de calcul atteignable pour ce type de calcul de dose Monte Carlo en petits champs. En quatrième lieu, les protocoles de dosimétrie TG-51 (version adaptée du manufacturier) et TRS-483 sont respectivement appliqués et comparés pour l’étalonnage du CyberKnife M6 se trouvant au CHUM. Il est observé que le TRS-483 est cohérent avec le TG-51. Des facteurs de correction de la qualité et corrigeant pour les effets de moyenne sur le volume propres au CyberKnife du CHUM sont estimés par simulations Monte Carlo pour une chambre à ionisation Exradin A12. Les résultats illustrent que la valeur générique fournie dans le TRS-483 pourrait être surestimée en comparaison à notre modèle de CyberKnife et que cette surestimation pourrait être due à la composante de moyenne sur le volume. / The CyberKnife radiosurgery system performs advanced radiotherapy treatments that offer clear benefits for certain types of cancer. However, this device produces small circular fields only, which complicates dosimetry procedures in a clinical environment. Indeed, under small field conditions, the various perturbations at the detector level can become very large. Thus, the use of the Monte Carlo method is necessary when calibrating and characterizing beams. Such processes, during which reference and relative dose values are measured and entered into treatment planning systems, ensure the validity of treatments as well as patient safety. This thesis focuses on the Monte Carlo modeling of the CyberKnife M6 and studies various applications to small photon fields dosimetry. Firstly, a new method for the correction of the dose rate dependency of silicon diode detectors is proposed. The latter is validated and applied to relative measurements performed at the CyberKnife of the Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Results illustrate the correction of the systematic error induced in the measurements due to the dose rate dependency of the considered diode. The proposed method provides an efficient solution to this issue. Secondly, a method for the optimization of the source parameters required as input during Monte Carlo beam modeling is introduced. The latter is based on a probabilistic approach and on the comparison of measurements and simulations for various detectors. The method allows the determination of the energy of the electron beam incident on the target of a linac, as well as the full width at half-maximum of its radial distribution. The proposed method, which is applied to the CyberKnife unit of the CHUM, provides a new approach for the optimization of a Monte Carlo beam model and a way to estimate the uncertainties on its source parameters. Thirdly, the developed CyberKnife beam model is used to estimate the impact of source parameter uncertainties on various dosimetric functions commonly used in the clinic environment, and on dose distributions obtained by simulation of treatment plans. Results illustrate the increase of the impact of beam modeling uncertainties with the decrease of the field size, and provide insights on the reachable calculation accuracy for this type of Monte Carlo dose calculation in small fields. Lastly, the TG-51 (manufacturer’s adapted version) and TRS-483 dosimetry protocols are respectively applied and compared for the calibration of the CHUM’s CyberKnife. We observe that TRS-483 is consistent with TG-51. Beam quality and volume averaging correction factors specific to the CHUM's CyberKnife are estimated using Monte Carlo simulations for an Exradin A12 ionization chamber. Results illustrate that the generic value provided in the TRS-483 could be overestimated in comparison to our CyberKnife model and that this overestimation could be due to the volume averaging component.

Thesis (Ph.D.); Submitted to the UNIVERSITY OF CALIFORNIA, BERKELEY, CA (US); 9 Dec 2004. / Published through the Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information. "LBNL--56744" Guo, Fanqing. USDOE Director. Office of Science. Office of Nuclear Physics (US) 12/09/2004. Report is also available in paper and microfiche from NTIS.

Les cellules cancéreuses se multiplient de manière incontrôlée, se propagent dans le corps et constituent une menace significative à la santé publique, mettant en évidence la nécessité de traitements universels. Parmi les modalités thérapeutiques complémentaires, la radiothérapie est une des plus couramment utilisée pour éliminer ces cellules. L’introduction récente de la Radiothérapie par Émetteurs Alpha Diffusants (Alpha DaRT), une thérapie innovante contre le cancer, utilise des sources radioactives contenant des atomes de Ra-224 pour améliorer l'efficacité du traitement en exploitant les propriétés radiobiologiques des particules alpha. L'objectif de cette étude est de caractériser le spectre énergétique d’une source Alpha DaRT en distinguant les particules alpha et bêta, et d'évaluer les activités du Ra-224 et de ses descendants à l’aide d’un compteur à scintillation liquide moderne. Grâce à l'utilisation du compteur à scintillation liquide Hidex 600 SLe, équipé de trois PMT, et de la séparation alpha/bêta 2D/3D, il est possible de déterminer les activités absolues des radionucléides. La séparation alpha/bêta 2D/3D surmonte les limitations des études précédentes et offre une représentation visuelle unique des spectres, améliorant ainsi la caractérisation des sources Alpha DaRT. Le suivi sur plusieurs mois d’une source Alpha DaRT, avec la décroissance progressive de son activité, et la mesure par scintillation liquide de son facteur d’efficacité en excluant les traces de contamination au Th-228, supportent la faisabilité d’utiliser cette méthode de mesure sur une longue période. Pour ce faire, le compte des particules alpha et bêta a été séparés par le compteur et classifié en fonction de l’énergie émise des particules. Un programme maison en Python a été développé pour extraire les activités de chaque fille dans la chaîne de désintégration du Ra-224. Un résultat intéressant est qu’en raison de la décroissance rapide (demi-vie de 0,3 μs) du Po-212 (une descendante du Ra-224), une partie de l'activité alpha totale n’est pas mesurée par le compteur. Ce phénomène doit être pris en compte lors de l'évaluation des efficacités de la scintillation liquide pour les mesures quantitatives des sources Alpha DaRT. Les résultats ont ensuite été comparés à aux valeurs attendues de la littérature et des calculs numériques. / Cancer cells multiply uncontrollably, spread throughout the body, and pose a significant public health threat, requiring the need for universal treatments. Among the complementary therapeutic modalities, radiotherapy is one of the most commonly used to eliminate these cells. The recent introduction of Alpha DaRT (Diffusing Alpha-emitters Radiation Therapy), an innovative cancer therapy, involves the use of radioactive sources containing Ra-224 atoms to enhance treatment efficacy by exploiting the radiobiological properties of alpha particles. The aim of this study is to characterize an Alpha DaRT source by distinguishing alpha and beta particles, and to evaluate the activities of Ra-224 and its descendants using a modern liquid scintillation counter. With the use of the Hidex 600 SLe liquid scintillation counter, equipped with three PMTs, and the 2D/3D alpha/beta separation method, it is possible to determine the absolute activities of the radionuclides. The 2D/3D alpha/beta separation method overcomes the limitations of previous studies and provides a unique visual representation of spectra, thereby improving the characterization of Alpha DaRT sources. Monitoring an Alpha DaRT source over several months, with its progressively decaying activity, and measuring its efficiency excluding traces of Th-228 contamination, confirm the feasibility of using this method of measurement over a long period. Counts from alpha and beta particles were separated by the counter and binned according to their emitted energies. An in-house Python program was developed to extract the activities of each daughter in the Ra-224 decay chain. An interesting finding is due to the fast (0.3 μs half-life) decay of Po-212 (Ra-224 daughter), part of the alpha activity is missed by the counter. This phenomenon should be considered when assessing the efficiency of liquid scintillation for quantitative measurements of Alpha DaRT sources. These results were then compared to expected values from literature and numerical calculations.