Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη με την βοήθεια της τεχνικής Monte Carlo των φασμάτων εκτός πεδίου του γραμμικού επιταχυντή SL- 18 της ELEKTA. Η μελέτη έδειξε συσχέτιση μεταξύ δόσης και απόστασης από των άξονα της δέσμης. / The aim of this study was to investigate the energy spectrum outside the field limits of therapeutic high energy photon beams. Monte Carlo simulations were used in order to determine the dose and to confirm or to try to re-estimate the Energy correction factors used in off-field in-vivo dosimetry. The ELEKTA-SL18 medical accelerator was simulated for 6MV and 15MV, using the EGSnrc code. The simulation includes the regular jaws and the MLC. The output of each simulation was a square scoring plane at SSD 100cm. The energy spectrum, the mean energy, the energy fluence and other parameters were studied for annular areas centred on the Z axis, and for 1cm2 rectangular areas centred on both X and Y axis. These regions were selected every 1cm inside and outside the reference (10x10) cm2 field of the primary beam. The spectra and all the aforementioned parameters were found to be in relation to the position, and their comparison revealed differences, that exceeded the statistical error, between areas that had the same distance from the center but were located on different axes. These differences were more important for the lower energy (6MV), as the contribution from leakage radiation is relatively higher. Their comparison served to study the influence of the spectral differences on the measurements of this energy-dependent dosimetric system outside the treatment field. The ELEKTA SL-18 LINAC was simulated for photon beams of 6MV and 15MV with and without MLCs. The photon energies and the dose to the out-field areas close to treatment field are considerable and this should be taken into account when radiosensitive organs are close to the field limits. This could be more important to complicated IMRT treatments where the treatment time is altered.

Les améliorations dans les procédures cliniques de radiothérapie ont conduit à des taux de survie élevés. En conséquence, les effets secondaires possibles de la dose délivrée aux tissus sains sont devenus une préoccupation croissante pour les radiothérapeutes. L’estimation de la dose aux tissus sains, y compris à distance du volume-cible présente un intérêt clinique croissant pour évaluer le risque aux structures sensibles situées hors du champ d’irradiation. Nos travaux antérieurs se sont focalisés sur l’évaluation la dose à distance des faisceaux de photons. La dose à distance due aux faisceaux d’électrons n’a jamais été prise en compte, ce qui peut conduire à des sous-estimations des doses à distance lorsque le traitement est fait entièrement ou partiellement par les électrons. C’est la raison pour laquelle, une étude approfondie de la dose à distance des faisceaux d’électrons est devenue indispensable. Dans le présent travail de thèse, nous avons dans un premier temps réalisé une étude expérimentale décrivant la dose à distance des faisceaux d’électrons de haute énergie produits par différents accélérateurs linéaires, équipés de différents types d’applicateurs. Nous avons analysé l’influence de différents paramètres du faisceau sur la dose à distance dont l’énergie du faisceau, la taille et le type de l’applicateur, la distance à l’axe du faisceau ainsi que la profondeur dans l’eau. Nous avons séparé la dose à distance en deux composantes principales : la dose due aux photons de bremsstrahlung et la dose due aux électrons diffusés. Ensuite, nous avons développé un modèle pour le calcul de la composante de la dose due aux photons de bremsstrahlung en tout point dans le patient, et un modèle pour le calcul de la dose due aux électrons diffusés en dehors du champ d’irradiation. Enfin, nous avons évalué l’application de nos modèles de calcul de dose à distance dans une situation clinique réelles afin de démontrer l’intérêt clinique de notre modélisation, l’objectif étant de mettre un point à terme, un outil logiciel innovant répondant à la fois aux besoins de l’optimisation de la radiothérapie moderne et à ceux de l’épidémiologie de la dose comme facteur de risque d’effets iatrogènes. / The large improvements in the radiotherapy (RT) procedures have led to high survival rates. So the possible side late effects of the radiotherapy due to the doses deposited into the normal tissues have become a growing concern for the radio-oncologists. The assessment of the dose outside the radiation field presents an important clinical benefit for estimating the risk at sensible structures situated partially or entirely outside the radiation field, especially in pediatric, pregnant patients or the patients having cardiac implantable devices. More understanding of side effects of RT will require not only improved control of the high doses delivered to the target volumes, but also better knowledge of the unintended but unavoidable lower doses delivered out of the target. In this context, most studies on out-of-field dose estimation focus on photon beams. Nevertheless, electron beams are still an important component of RT, for treating superficial tumors (at depths < 5 cm). The out-of-field dose from electron beams has never been taken account, which causes an under estimation of this dose when the radiotherapy is done only or partly by the electrons. For this reason, a detailed investigation of the out-of-field dose from electron beams is essential for better estimation of the out-of-field dose regardless the radiotherapy type. In this thesis, we have experimentally evaluated the out-of-field doses in high-energy electron beams for three linear accelerators equipped with different electron applicator types used in daily practice. The dependence of this dose on different parameters, such as the applicator size, the electron beam energy, the depth, and the off-axis distance have been investigated. The scattered electrons component and the bremsstrahlung photons component have been separated by a semi-experimental method. We have developed a multi-source model based on existing multi-scattering models for calculating the bremsstrahlung dose distribution at any point in the patient inside and outside the radiation field. We have also analytically calculated the scattered electrons dose distribution outside the radiation field. These two models permit to calculate the total out-of-field dose from electron beams anywhere in the patient. Finally, we have evaluated the application of our models of dose calculation in a real clinical situation in order to validate our software, the aim being to set up an innovative software tool, meeting both the needs of radiotherapy and epidemiology of the dose as a risk factor for iatrogenic effects

La proportion de survivants à un cancer dans la population des pays développés augmente rapidement. Dans plus de la moitié des cas, la radiothérapie a été une composante de leur traitement. Les rayons ionisants alors administrés peuvent induire de graves conséquences à long terme, en particulier les cancers radio-induits et les maladies cardiovasculaires. Ces évènements sont dus non seulement aux fortes doses administrées au volume cible, mais également aux doses plus faibles, de quelques milligray à quelques gray, non souhaitées, mais inévitablement administrées dans le reste du corps du patient par la dose hors champ. L’évolution des techniques de planification du traitement et de l’informatique en médecine permettent aujourd’hui d’obtenir, systématiquement, l’évaluation précise des doses les plus fortes administrées au patient. Les doses faibles à intermédiaires administrées en dehors du faisceau de traitement, ne sont pour leur part, ni habituellement prises en compte, ni correctement évaluées par les systèmes actuels de planification du traitement. L’objectif de ce travail était de proposer des méthodes pour estimer le rayonnement hors champ des faisceaux de photons des accélérateurs de radiothérapie externe. L’utilisation d’une bibliothèque graphique nous a permis de réaliser une représentation géométrique 3D partielle des appareils de traitement et des sources photoniques responsables de la dose reçue par le patient. Nous avons déterminé l’intensité de ces sources en utilisant des mesures réalisées dans des champs simples. Le modèle ainsi calibré permettait de simuler la variation de l’intensité des sources en fonction de la taille du champ. Cette approche a permis de décrire avec succès la variation de la dose mesurée par TLD en fonction de la distance et de la taille du champ en dehors de champs carrés. Les écarts entres les doses calculées et celles mesurées étaient inférieurs à 10 %. Une application dans des conditions cliniques a été menée, l’écart était alors en moyenne de 25 %. / The number of cancer survivors in developed counties increases rapidly. Fifty percent of patients treated for cancer will receive radiation therapy as part of their treatment. Ionizing radiation may induce severe long term effects, including secondary cancers and cardio-vascular diseases. Long term effects are not only due to high doses delivered in target volumes, but also to lower doses, ranging from several milligrays to several grays, undesired, but inevitably delivered in the rest of the patient’s body outside the treatment beams. Improvements in treatment planning technics and the use of computers in medicine made it possible to systematically estimate, prior to treatment, the highest doses delivered to the patient’s body. However, lower doses delivered outside the treatment beams are neither taken into account nor evaluated by present treatment planning systems. The aim of our work was to establish methods to estimate radiation doses outside photon beams from accelerators used in external radiation therapy. A graphics library was used to render a partial 3D representation of the accelerator and the photon sources associated. The intensity of these sources was determined using measurements performed in simple geometry fields. The calibrated model was hence used to estimate the source intensity variation with respect to field size. Using this method, we were able to estimate the variations of the TLD measured doses with respect to distance and field size with a 10% average discrepancy between calculations and measurements for points outside the field. Also, when testing the model in a clinical setup, the average discrepancy increased to 25%.