In radiation therapy an uncertainty in the delivered dose always exists because anatomic changes are unpredictable and patient specific. Image guided radiation therapy (IGRT) relies on imaging in the treatment room to monitor the tumour and surrounding tissue to ensure their prescribed position in the radiation beam. The goal of this thesis was to determine the dosimetric impact on the misaligned radiation therapy target for three cancer sites due to common setup errors; organ motion, tumour tissue deformation, changes in body habitus, and treatment planning errors. For this purpose, a novel 3D ultrasound system (Restitu, Resonant Medical, Inc.) was used to acquire a reference image of the target in the computed tomography simulation room at the time of treatment planning, to acquire daily images in the treatment room at the time of treatment delivery, and to compare the daily images to the reference image. The measured differences in position and volume between daily and reference geometries were incorporated into Monte Carlo (MC) dose calculations. The EGSnrc (National Research Council, Canada) family of codes was used to model Varian linear accelerators and patient specific beam parameters, as well as to estimate the dose to the target and organs at risk under several different scenarios. After validating the necessity of MC dose calculations in the pelvic region, the impact of interfraction prostate motion, and subsequent patient realignment under the treatment beams, on the delivered dose was investigated. For 32 patients it is demonstrated that using 3D conformal radiation therapy techniques and a 7 mm margin, the prescribed dose to the prostate, rectum, and bladder is recovered within 0.5% of that planned when patient setup is corrected for prostate motion, despite the beams interacting with a new external surface and internal tissue boundaries. In collaboration with the manufacturer, the ultrasound system was adapted from transabdominal imaging to n / Des incertitudes dans la dose délivrée aux patients existent toujours car les changements anatomiques sont imprévisibles et spécifiques à chaque patient. La radiothérapie guidée par l'image (IGRT) dépend de l'imagerie en ligne afin de suivre la tumeur et les tissus sains adjacents, et s'assure que leur positions, par rapport au faisceau de radiation, est telle que planifiés. L'objectif de cette thèse a été de déterminer l'impact dosimétrique du désalignement de la cible par rapport au faisceau de radiation du aux erreurs d'installation, aux mouvement des organes, à la déformation de la tumeur, aux changements de l'habitus du corps et aux erreurs dans la planification du traitement. À cette fin, un nouveau système ultrason 3D (Restitu, Resonant Medical, Inc.) a été utilisé pour acquérir des images référence de la cible dans la salle de simulation tomodensitométrique au moment de la planification du traitement, et ensuite pour acquérir des images quotidiennes de la cible au moment du traitement. Les images quotidiennes ont été comparées à l'image de référence et les différences de position et volume ont été incorporées dans des calculs de dose Monte Carlo. La famille de logiciels EGSNRC (National Research Council, Canada) a été utilisée pour modéliser des accélérateurs linéaires Varian et des paramètres spécifiques à chaque patient ainsi que pour estimer la dose à la cible et aux organes à risque. Premièrement, les calculs de dose Monte Carlo, longs mais précis, ont été validés pour la région homogène du pelvis. Ensuite, l'influence du mouvement de la prostate inter fractions et du réalignement du patient sur la distribution de dose délivrée a été investiguée. Pour 32 patients nous avons démontré que l'utilisation des techniques conformes 3D combinée à une marge de 7 mm autour de la cible se traduit par une différence de moins de 0.5% entre la dose délivrée et la dose planifiée pour la prostate,$

Amorphous silicon (a-Si) electronic portal imaging devices (EPIDs) offer convenient high-resolution and fast digital image acquisition, making the a-Si EPID advantageous for portal dosimetry. In this research project, a Varian aS1000 EPID was dosimetrically evaluated for portal dosimetry characteristics including: short-term reproducibility, linearity, field size dependence, pixel uniformity, dose-rate dependence, detector displacement, inverse square law, image lag, and memory effect. A convolution and Monte Carlo (MC) based non-transmission portal dosimetry method was also developed to reconstruct a 3D dose distribution. Images acquired by the Varian aS1000 EPID were deconvolved with a two part scatter kernel: a MC calculated dose kernel scored at the bottom of the scintillation screen, and an iteratively optimized optical spreading (or glare) kernel, to determine a 2D primary energy fluence (PEF) distribution. The derived PEF was converted into a phase space file (PSF) and utilized as a source input for DOSXYZnrc MC calculation. The EPID reconstructed 3D dose distributions were verified by comparison with measured beam profiles, PDDs, and 2D dose distributions. / Les dispositifs d'imagerie portale électronique (EPIDs) à base de silicium amorphe (a-Si) permettent l'acquisition rapide d'images digitales à haute résolution ce qui rend ces systèmes très utiles pour l'imagerie portale clinique. Pour les besoins de cette recherche, les caractéristiques dosimétriques d'un EPID aS1000 de Varian ont été évaluées dans le contexte de la dosimétrie portale. Les caractéristiques évaluées sont: la reproductivité à court terme, la linéarité, la dépendance de la taille du champ, l'uniformité de la matrice de pixels, la dépendance du débit de dose, le déplacement du détecteur, la loi de l'inverse du carré, le décalage d'image, et l'effet mémoire. Une méthode de dosimétrie portale en géométrie de << non transmission >> utilisant les techniques de convolution et de Monte Carlo (MC) a également été mise au point pour reconstruire une distribution de dose 3D. Les images acquises par l'EPID aS1000 furent déconvoluées à l'aide d'un noyau corrigeant pour la dispersion se composant de deux parties: un noyau de dose calculée par MC au niveau de l'écran à scintillation, et un noyau itératif optimisé tenant compte de la propagation optique (ou l'éblouissement), afin de déterminer la distribution 2D de la fluence énergétique primaire (FEP). La FEP a été convertie en un fichier d'espace de phase << phase-space file >> (PSF) et utilisé comme source pour les calculs de dose par MC à l'aide du code DOSXYZnrc. Les distributions de dose reconstruites 3D obtenues à parti r de l'EPID ont été vérifiées en les comparant aux différents profils de doses et distributions de dose 2D.

Stereotactic body radiation therapy (SBRT) is a method of treatment that is used in extracranial locations, including the abdominal and thoracic cavities, as well as spinal and paraspinal locations. At the McGill University Health Centre, liver SBRT treatments include gating, which places the treatment beam on a duty cycle controlled by tracking of fiducial markers moving with the patient's breathing cycle. Respiratory gated treatments aim to spare normal tissue, while delivering a dose properly to a moving target. The ExacTrac® system (BrainLAB AG Germany) is an image-guided radiotherapy system consisting of a combination of infra-red (IR) cameras and dual kilovoltage (kV) X-ray tubes. The IR system is used to track patient positioning and respiratory motion, while the kV X-rays are used to determine a positional shift based on internal anatomy or fiducial markers. In order to validate the system's ability to treat under gating conditions, each step of the SBRT process was evaluated quantitatively. Initially the system was tested under ideal static conditions, followed by a study including gated parameters. The uncertainties of the isocenters, positioning algorithm, planning computed tomography (CT) and four dimensional CT (4DCT) scans, gating window size and tumor motion were evaluated for their contributions to the total uncertainty in treatment. The mechanical isocenter and 4DCT were found to be the largest sources of uncertainty. However, for tumors with large internal amplitudes (&gt;2.25 cm) that are treated with large gating windows (&gt;30%) the gating parameters can contribute more than 1.1 ± 1.8 mm. / La radiochirurgie stéréotaxique corporelle (RCSC) est une modalité de traitement utilisée sur les lésions extracraniales, tels que les cavités abdominaux et thoraciques, ainsi que les lésions situées à l'intérieure ou l'extérieure de l'épine dorsale. Au Centre Universitaire de Santé de McGill (CUSM), les traitements de la foie par RCSC se basent sur la synchronisation respiratoire qui permet de contrôler le faisceau de photons à l'aide de marqueurs référencés du cycle respiratoire du patient. L'objectif des traitements par synchronisation respiratoire est de limiter le dommage au tissue normal tout en transmettant la dose appropriée à la cible en mouvement. Le système ExacTrac® (BrainLab AG Allemagne) est un système de radiothérapie guidée par image comprenant une caméra infrarouge (IR) et deux tubes à rayons-x à l'échelle des kilovolts (kV). Le système IR suit le positionnement des patients et le mouvement respiratoire, alors que les rayons-x kV déterminent la variation des positions basées sur l'anatomie interne ou les marqueurs référencés. Afin de valider la capacité d'opération du système sous les conditions de synchronisations respiratoires, chaque étape du RCSC a été évaluée quantitativement. Initialement, le système fut testé sous les conditions statiques idéales, suivi par une étude incluant les paramètres de synchronisations. Les incertitudes de l'isocentre, l'algorithme de positionnement, la planification de la tomodensitométrie (CT) et les balayages par tomodensitométrie à quatre dimensions (4DCT), la période de synchronisation, et le mouvement de la tumeur furent évalués et la contribution de chacun des facteurs à l'erreur totale du traitement déterminée. L'isocentre mécanique et le 4DCT s'avèrent être les sources d'incertitudes majeures. Cependant, pour les tumeurs à large amplitude interne (&gt;2.25 cm) qui sont traitées avec de larges périodes de synchronisations (&gt; 30%), les paramètres de synchronisations peuvent aussi avoir des contributions supérieures à 1.1 ± 1.8 mm.

Within the field of medical physics, Monte Carlo radiation transport simulations are considered to be the most accurate method for the determination of dose distributions in patients. The McGill Monte Carlo treatment planning system (MMCTP), provides a flexible software environment to integrate Monte Carlo simulations with current and new treatment modalities. A developing treatment modality called energy and intensity modulated electron radiotherapy (MERT) is a promising modality, which has the fundamental capabilities to enhance the dosimetry of superficial targets. An objective of this work is to advance the research and development of MERT with the end goal of clinical use. To this end, we present the MMCTP system with an integrated toolkit for MERT planning and delivery of MERT fields. Delivery is achieved using an automated ``few leaf electron collimator'' (FLEC) and a controller. Aside from the MERT planning toolkit, the MMCTP system required numerous add-ons to perform the complex task of large-scale autonomous Monte Carlo simulations. The first was a DICOM import filter, followed by the implementation of DOSXYZnrc as a dose calculation engine and by logic methods for submitting and updating the status of Monte Carlo simulations. Within this work we validated the MMCTP system with a head and neck Monte Carlo recalculation study performed by a medical dosimetrist. The impact of MMCTP lies in the fact that it allows for systematic and platform independent large-scale Monte Carlo dose calculations for different treatment sites and treatment modalities. In addition to the MERT planning tools, various optimization algorithms were created external to MMCTP. The algorithms produced MERT treatment plans based on dose volume constraints that employ Monte Carlo pre-generated patient-specific kernels. The Monte Carlo kernels are generated from patient-specific Monte Carlo dose distributions within MMCTP. The structure of the MERT planning toolkit software and optimization algorithms are demonstrated. We investigated the clinical significance of MERT on spinal irradiation, breast boost irradiation, and a head and neck sarcoma cancer site using several parameters to analyze the treatment plans. Finally, we investigated the idea of mixed beam photon and electron treatment planning. Photon optimization treatment planning tools were included within the MERT planning toolkit for the purpose of mixed beam optimization.In conclusion, this thesis work has resulted in the development of an advanced framework for photon and electron Monte Carlo treatment planning studies and the development of an inverse planning system for photon, electron or mixed beam radiotherapy (MBRT). The justification and validation of this work is found within the results of the planning studies, which have demonstrated dosimetric advantages to using MERT or MBRT in comparison to clinical treatment alternatives. / La technique Monte Carlo de transport de particules est considéré la méthode la plus précise pour calculer la distribution de dose dans les patients. La plate-forme de planification de traitement Monte Carlo de McGill (MMCTP) offre un environnement de logiciels flexibles pour intégrer des simulations Monte Carlo avec les modalités de traitement actuelles et nouvelles. Une nouvelle modalité de traitement surnommée MERT devrait améliorer la dosimétrie sur des cibles superficielles. Un des objectifs de ce travail est d'avancer la recherche et le développement de MERT à des fins d'usage clinique. Ainsi, nous présentons la plateforme MMCTP avec une boite à outils intégrée pour la planification et l'administration de plans MERT. Ces plans sont administrés à l'aide d'un collimateur automatisé surnommé FLEC et d'un contrôleur. En plus des outils de planification MERT, la plateforme MMCTP a nécessité plusieurs ajouts pour effectuer les taches complexes impliquées dans l'automatisation des simulations Monte Carlo à large échelle. La première addition était un filtre d'importation DICOM, suivie par l'implémentation de DOSXYZnrc comme outil de calcul de dose puis l'implémentation des méthodes logiques pour soumettre et mettre à jour le statut des simulations Monte Carlo. Dans ce travail, nous avons validé la plateforme MMCTP en recalculant avec le code Monte Carlo un plan tête et cou réalisé initialement par un dosimétriste médical. L'impact de MMCTP réside dans le fait qu'il permet des calculs de dose Monte Carlo à grande échelle avec une plateforme indépendante et systématique pour différents sites et différentes modalités de traitement. En plus des outils de plannification MERT, différents algorithmes d'optimisation ont été créés indépendamment de MMCTP. Ces algorithmes produisent des plans de traitement MERT basés sur des contraintes dose volume en utilisant des kernels pré-générés Monte Carlo de patient spécifiques. Les kernels Monte Carlo sont généerés à partir des distributions de dose Monte Carlo de patient spécifique dans MMCTP. La structure des algorithmes d'optimisation et du logiciel de la boite d'outils de planification sont démontrées. Nous avons également étudié l'impact clinique de MERT sur les irradiations de la colonne, les irradiations accélérées de sein, les irradiations de la tête et des sarcomes du cou en utilisant plusieurs paramètres pour analyser les plans de traitement. Finalement, nous avons cherché à combiner des plans de traitement photons avec d'autres d'électrons. Les outils d'optimisation du plan de traitement en photon ont été inclus dans la boite à outils de planification de MERT dans le but d'optimiser la combinaison des faisceaux. En conclusion, le travail de cette thèse a permis de développer une plateforme avancée pour les études de planification de traitement Monte Carlo en photons et en électrons. Il a également permis de développer un système de planification inverse pour photon, électron ou la radiothérapie de faisceaux combinés (MBRT pour "Mixed Beam RadioTherapy"). La justification et la validation de ce travail sont déemontrées à travers les résultats des études de planification, qui ont déterminées les avantages dosimétriques d'utiliser MERT ou MBRT par rapport aux alternatives cliniques de traitement.

This work presents planning and delivery comparison of linac-based SRS treatment techniques currently available for single lesion cranial SRS. In total, two dedicated SRS systems (Novalis Tx, Cyberknife) and a HI-ART TomoTherapy system with six different delivery techniques are evaluated. Four delivery techniques are evaluated on a Novalis Tx system: circular cones, dynamic conformal arcs (DCA), static non-coplanar intensity modulated radiotherapy (NCP-IMRT), and volumetric modulated arc therapy (RapidArc) techniques are compared with intensity modulation based helical Tomotherapy on the HI-ART Tomotherapy system and with non-isocentric, multiple overlapping based robotic radiosurgery using the CyberKnife system. Thirteen patients are retrospectively selected for the study. The target volumes of each patient are transferred to a CT scan of a Lucy phantom (Standard Imaging Inc., Middleton, WI, USA) designed for end-to-end SRS QA. In order to evaluate the plans, several indices scoring the conformality, homogeneity and gradients in the plan are calculated and compared for each of the plans. Finally, to check the clinical deliverability of the plans and the delivery accuracy of different systems, a few targets are delivered on each system. A comparison between planned dose on treatment planning system and dose delivered on Gafchromic EBT film (ISP, Wayne, New Jersey, USA) is carried out by comparing dose beam profiles, isodose lines and by calculating gamma index. / Cette étude présente la planification et la comparaison de livraison de doses de les techniques de traitement par accélérateur linéaire (linac) à base de radiochirurgie stéréotactique (RCS) actuellement disponibles pour la RCS des lésions crâniennes uniques. Au total, deux systèmes RCS (Novalis Tx, Cyberknife) et un système HI-ART TomoTherapy avec six techniques différentes de livraison de doses sont évalués. Trois techniques de livraison de doses d'un système Novalis Tx sont évalués: arcs dynamiques conformationnelles, radiothérapie avec modulation d'intensité statique non-coplanaire et les techniques de thérapie volumétrique par arc modulé (RapidArc) sont comparées avec la tomothérapie hélicoïdale par modulation d'intensité sur le système HI-ART TomoTherapy et la radiochirurgie robotique non-isocentrique à multiples chevauchements du système CyberKnife. Treize patients sont rétrospectivement sélectionnés pour l'étude. Les volumes cibles de chaque patient sont transférés sur un scan tomodensitométrique d'un fantôme Lucy (Standard Imaging Inc, Madison, WI, Etats-Unis) conçu pour l'assurance qualité des systèmes RCS. Afin d'évaluer les plans de traitements, plusieurs métriques de notation de conformalité telles que l'homogénéité et les gradients du plan de traitement sont calculées et comparées pour chacun des plans. Enfin, dans le but de vérifier la faisabilité de livraison clinique des plans de traitements et la précision de livraison des différents systèmes, quelques cibles sont délivrées sur chaque système. Une comparaison entre la dose prévue sur le système de planification du traitement et la dose délivrée sur un film de type GAFCHROMIC EBT (ISP, Wayne, New Jersey, USA) est effectuée par comparaison des profils de faisceaux de dose, des lignes de doses de même intensité (isodose) et en calculant l'indice gamma.

Many studies have been conducted to investigate the energy dependence of External Beam Therapy (EBT) GAFCHROMICTM dosimetry films and showed that the different film models are water equivalent down to about 100 keV and their response is energy independent down to about 100 keV. The purpose of our study is to investigate the energy dependence of commercially available films to understand the physics behind the energy variation of the films response as well as the intrinsic energy dependence and to develop a new prototype with more uniform energy response at low energies (≤100 keV). The study is comprised of two components. The first component is evaluating the energy dependence of three different commercial GAFCHROMICTM dosimetry film models that represent the three different film configurations, EBT, EBT2 and EBT3 that have been manufactured up to date. The energy dependence evaluation can be further divided into two parts. The first part is experimentally evaluating the energy dependence of the response by irradiating the films to a fixed dose of 2Gy to water at different beam qualities (ranging from 50kVp to 60Co) and then measuring the corresponding response of the film, i.e. net optical density change, using a flat bed document scanner. The second part of the energy dependence evaluation is using the DOSRZnrc Monte Carlo code, which is one of the user codes of the EGSnrcMP (Electron-Gamma-Shower) Monte Carlo code, to calculate the corresponding absorbed dose to water energy dependence of the films, i.e. the ratio of dose to water to dose to the active volume of the film, using the experimental beams spectra, which were calculated using SpekCalc, an x-ray spectrum generating software, by matching the measured HVL, tube potential and added filtration of the experimental beams. The first component of our study would help us 1) understand the physics behind the energy variation of the film response, 2) evaluate the intrinsic energy dependence of the film, i.e. dose to film sensitive layer per unit film response as a function of beam quality, using the measured energy response and the corresponding absorbed dose to water energy dependence, 3) guide us to what can be done to improve the energy dependence at low energies. The second component of the study is adjusting the film sensitive layer composition with the guidance of Monte Carlo simulations of the absorbed dose to water energy dependence of the film to reduce the energy dependence of the film response at low energies, and making new film prototypes based on the new possible elemental compositions, then experimentally evaluating their energy response. Improving the energy dependence of the EBT GAFCHROMICTM dosimetry film at low energies will make it more suitable for high quality clinical dosimetry. It would be very convenient for clinical dosimetry to have one film dosimetry calibration curve that works at kilovoltage and megavoltage beam qualities. This would allow us to create the film dosimetry calibration curve at, for example, 60Co and then use it for film dosimetry at kilovoltage and other megavoltage beam qualities. On the other hand, since the x-ray spectrum changes in quality and quantity with depth as it penetrates into patient tissue, it is very important that the response of the detector as a function of beam quality be as flat as possible to minimize the uncertainty and error in dose determination. Thus, improving the energy dependence at low energy will result in improving the accuracy of film dosimetry. / Plusieurs études ont été réalisées pour étudier la dépendance énergétique des films dosimétriques GAFChromic® et ont montré que les modèles de film différents sont équivalents d'eau à environ 100 keV et leur réponse est indépendante de l'énergie à environ 100 keV. L'objectif de notre étude est d'étudier la dépendance énergétique des film commerciaux pour étudier la physique derrière la variation d'énergie ainsi que la dépendance énergétique intrinsèque de développer un nouveau prototype avec une réponse uniforme énergétique aux basses énergies (3.0 100 keV). L'étude se compose de deux éléments. Le premier est l'évaluation de la réponse énergétique de trois différents films dosimétriques GAFChromic® (EBT, EBT2 et EBT3), qui ont été fabriqués à jour, qui est effectuée par l'irradiation des films à une dose fixe de 2 Gy à l'eau à différentes qualités de rayonnement et mesurer la réponse correspondante au film, c'est à dire la variation nette de la densité optique, à l'aide d'un scanner à plat de documents. Puis, en utilisant le code Monte Carlo, DOSRZnrc, qui est l'un des codes d'utilisateur du code EGSnrcMP (Electron-Gamma-Shower) pour calculer la dose absorbée a lèau correspondant à la dépendance énergétique des films. Le deuxième élément est le réglage de la composition de la couche sensible des films à ainsi réduire la dépendance énergétique de la réponse du film à basse énergie avec l'aide des simulations de Monte Carlo. En utilisant ce procédé la réalisation de prototypes de nouveaux films basé sur l'éventuelle nouvelle compositions élémentaires ont été tester expérimentalement pour la dépendance énergétique. L'amélioration de la dépendance énergétique aux basses énergies va rendre les films dosimétriques plus adapté pour la dosimétrie de haute qualité. Puisque le spectre de rayons X changes la qualité et la quantité avec la profondeur en pénétrant dans les tissus du patient, il est très important que la réponse d'un détecteur en fonction de la qualité du faisceau être le plus plat possible pour minimiser l'incertitude et lèrreur dans la détermination de la dose. Donc, améliorer la dépendance énergétique aux basses énergies donnera lieu à l'amélioration de la précision de la dosimétrie du film. Il serait très pratique pour la dosimétrie d'avoir une courbe de calibration pour les films qui fonctionne dans une large gamme d'énergies. Donc par exemple, vous pourriez d'établir la courbe de calibration au faisceau de Cobalte-60 et l'utiliser pour la dosimétrie au energies de kilovoltage ainsi que d'autres faisceaux de haute energies.

Treatment planning in radiation therapy is based on the calculation of dose distributions, aimed at best representing the physical dose distributions. The most promising avenue towards this goal is the Monte Carlo technique, whereby particle trajectories are simulated from a modelled radiation source into a patient volume. Following the trend of incorporating fast Monte Carlo algorithms in clinical electron beam dosimetry, Elekta CMS inc. commercialized an electron Monte Carlo (eMC) module implemented in the treatment planning system XiO. The algorithm is based on the XVMC code and allows for fast calculations in voxelized heterogeneous media. This thesis reports its validation as a first step towards clinical implementation for an Elekta SL25 linear accelerator. Simulations with the eMC module were performed for 12 MeV beams in different CT scanned phantoms and beam setups. Concurrently, GafChromic® EBT3 film measurements were performed and the two dose distributions were compared, using mainly three-dimensional gamma agreements. Film measurements were analysed through a novel method using the triple channel dosimetry function of Film QA Pro, thus yielding absolute dose readings with an uncertainty of ±1.5% over the range of [75, 700] cGy. The results indicate that beam models generated by CMS should be validated prior to any more complex investigation as they strongly impact on the accuracy of dose distributions. Provided that the beam models are valid, the comparisons are very promising : a 2%/3 mm agreement was found between measurements and calculations at different depths in a three-dimensional heterogeneous phantom. / La planication de traitements en radiothérapie est basée sur des calculs de distributions de dose visant à reproduire les distributions réelles. À cet effet, la méthode Monte Carlo simulant les trajectoires des particules et la déposition de dose à partir d'une source de radiation modélisée s'avère des plus prometteuses. Suivant le mouvement d'intégration clinique des méthodes Monte Carlo dites rapides pour les traitements par électrons, la compagnie Elekta CMS inc. a commercialisé un module électron Monte Carlo (eMC) implémenté dans le système de planification de traitement XiO. L'algorithme est basé sur le code XVMC et permet d'effectuer des calculs rapides de la dose dans des milieux hétérogènes voxelisés. Ce mémoire rapporte une première étape de l'implémentation clinique de l'algorithme pour un accélérateur Elekta SL25. Des simulations eMC ont été effectuées pour des faisceaux de 12 MeV dans différents fantômes et conditions d'irradiation. Parallèlement, des mesures ont été réalisées à l'aide de films GafChromic® EBT3 et les distributions de dose ont été comparées grâce à outil de comparaison gamma 3D. Les films ont été analysés via unenouvelle méthode employant la technique de dosimétrie à trois canaux de Film QA Pro. Celle-ci fournit des lectures de dose absolue entre 75 et 700 cGy avec une incertitude de ±1.5%. Les résultats indiquent que les modèles de faisceaux générés par CMS ont un impact considérable sur les distributions de dose ; ainsi, ils doivent être validés en premierlieu. Lorsque les faisceaux soient bien modélisés, les comparaisons de dose obtenues sont prometteuses : un accord de 2%/3 mm entre les mesures et les calculs a été déterminé à différentes profondeurs dans un fantôme hétérogène complexe.

Use of composite non-uniform radiation fields, which consist of a multitude of small fields, is very common in modern radiotherapy techniques. The conventional reference dosimetry protocols, however, use a 10 × 10 cm2 field as the reference machine calibration condition. The purpose of this work is to develop new, direct absorbed dose calibration methods for modern radiotherapy techniques that use static and composite nonstandard fields. An IAEA-AAPM international working group [Med. Phys. 35:5179–5186 (2008)] proposed a new formalism and introduced two intermediate fields, machine specific reference (msr) field fmsr and plan-class specific reference (pcsr) field fpcsr, for reference dosimetry of static and composite nonstandard fields, respectively. In the new formalism, correction factors which account for the difference in chamber calibration conditions between the reference field and msr field k^fmsr,fref_Qmsr,Q , pcsr field k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q or clinical field k^fclin,fref_Qclin,Q were defined. This thesis focuses on the characterization of these correction factors. The dosimetry techniques to accurately measure the absorbed dose to water in nonstandard fields were established using four different radiation detectors, for which collecting volumes are radiologically water-equivalent. The characteristics of each radiation detector response were thoroughly investigated. Dose measurementin a nonstandard field normalized to that in the reference 10 × 10 cm2 field can be performed with an uncertainty of 0.2–0.3% when the dose distribution in the reference measurement region is homogeneous. Correction factors k^fmsr,fref_Qmsr,Q and k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q were measured for one static nonstandard field and two different composite nonstandard fields, respectively, using different types of air-filled ionization chambers. Using the established dosimetry techniques, the k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q were measured for different composite nonstandard fields which deliver various dose distributions in the reference measurement region. This work proved that the values of k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q depend on the dose heterogeneity over the chamber collecting volume. Based on the measurement results, guidelines were suggested to select a new intermediate field for reference dosimetry of composite nonstandard fields. Finally, the IAEA-AAPM new formalism with values of k^fclin,fref_Qclin,Q obtained by experiments and MC methods was applied to reference dose measurement of clinical composite nonstandard fields using a calibrated air-filled ionization chamber. The corrected measured dose for each clinical field was compared with dose calculated using clinical treatment planning software or Monte Carlo methods. It was found that the accurate positioning of the reference detector and air-filled ionization chamber becomes more important when the dose heterogeneity in the reference measurement region increases. In conclusion, this thesis provides a method for accurate dose measurements in static and composite nonstandard fields. This work will help pave the way to improve the dosimetric consistency in these dynamic modern radiotherapy techniques. / L'utilisation de champs de rayonnement composes non uniformes, qui consistent en une multitude de petits champs, est tres commune dans les techniques modernes de radiotherapie. Cependant, les protocoles de dosimetrie de reference conventionnels utilisent un champ standard de 10×10 cm2 pour calibrer les appareils. Le but de ce travail est de developper de nouvelles methodes de calibration de la dose absorbee pour des techniques modernes de radiotherapie, ce en utilisant autant des champs statiques que des champs composes non standards. Le groupe de travail AIEA-AAPM a propose un nouveau formalisme qui introduit deux champs intermediaires, soient le champ specifique a l'appareil (fmsr) et le champ specifique au plan de traitement (fpcsr), ce pour la dosimetrie de reference des champs statiques et des champs composes non standards, respectivement. Dans ce nouveau formalisme, des facteurs de corrections ontete definis afin de tenir compte des conditions de calibration de la chambre qui different entre le champ de reference et les champs fmsr, fpcsr ainsi que les champs cliniques (fclin). Ces facteurs sont respectivement d´efinis ainsi: k^fmsr,fref_Qmsr,Q , k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q et k^fclin,fref_Qclin,Q . Cette these comporte sur la caracterisation exprimentale de ces facteurs de correction. Les techniques de dosimetrie visant a mesurer precisement la dose absorbe dans l'eau pour des champs non standards ont ete etablies en utilisant quatre differents detecteurs de radiation, chacun ayant un volume sensible radiologiquement equivalent a l'eau. Les caracteristiques de chaque detecteur ont ete approfondies. Les mesures de dose dans un champ non standard normalise a un champ de reference de 10×10 cm2 peuvent etre obtenues avec une incertitude de 0.2-0.3% lorsque la distribution de dose dans la region de mesure de reference est homogene. Les facteurs de correction k^fmsr,fref_Qmsr,Q et k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q ont ete mesures pour un champ statique non standard et pour deux differents champs composes non standards, respectivement, en utilisant differents types de chambres d'ionisation a air. En utilisant les techniques de dosimetries etablies, les k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q ont ete mesures pour plusieurs champs composes non standards qui produisent diff´erentes distributions de dose dans la region de mesure de reference. Ce travail demontre que les valeurs de k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q d´ependent de l'heterogeneite de la dose dans le volume sensible de la chambre. Base sur les resultats des mesures, des lignes de conduite sont suggereespour determiner un champ intermediaire necessaire a la dosimetrie de reference des champs composes non standards. Finalement, le nouveau formalisme de l'AIEA-AAPM a ete applique a des mesures de dose de reference de champs composes non standards cliniques avec les valeurs k^fclin,fref_Qclin,Q obtenues experimentalement et avec des methodes Monte Carlo pour une chambre d'ionisation a air etalonnee. La dose mesuree et corrigee pourchacun des champs a ete comparee avec la dose calculee en utilisant un logiciel de planification de traitement ou des methodes Monte Carlo. Il a ete determine que la precision du positionnement du detecteur de reference ainsi que celui de la chambre d'ionisation a air devient plus important lorsque l'heterogeneite de dose dans la regionde mesure augmente. En conclusion, cette these fournit une methode precise de mesure de la dose absorbee pour des champs statiques et des champs compose non standards. Ce travail aidera a ameliorer la coherence des methodes dosimetrique appliquables aux techniques modernes de radiotherapie.

Patient geometry often changes during the course of radiation therapy due to factors such as weight loss, tumor and normal tissue growth or shrinkage, and intra-treatment position variations. It has been shown that these changes can cause the dose delivered to differ from the originally planned dose distribution. Often this will result in the need to create a modified treatment plan, a process known as adaptive radiation therapy. The aim of this thesis is to evaluate the dosimetric effects due to anatomical changes and positioning variations during intensity-modulated radiation therapy through two retrospective studies. MIM Software (Cleveland, OH), a commercially available deformable registration tool, is used for this work. In the first study, the daily dose for four breast cancer patients undergoing a volumetric modulated arc boost treatment to the tumor bed is calculated on pretreatment cone beam computed tomography images. Two treatment isocenters, corresponding to the initial patient set up position, and the shifted position based on pretreatment imaging, are used for dose verification. The results indicate that a planning target volume consisting of the tumor bed and a uniform margin expansion of 1 cm is adequate to account for positioning errors. In the second study, the daily dose is calculated on the pretreatment megavoltage computed tomography images for craniospinal irradiation and head and neck cancer patients undergoing helical tomotherapy. The dose for each treatment fraction is deformed and accumulated to the planning computed tomography image for comparison with the original plan. This study assesses the effects of anatomical changes on treatment delivery. The results indicate a slight decrease in target coverage and no significant increase in dose to critical structures. / Souvent, au cours d'une procédure de radiothérapie, la géométrie du patient change en raison de facteurs tels que la perte de poids, la croissance ou le rétrécissement des tissus tumoral et normal, et les variations de position en cours de traitement. Il a été démontré que ces changements peuvent faire en sorte que la dose de radiation administrée soit différente de la dose initialement planifiée. Souvent, cela se traduit par la nécessité de créer un plan de traitement alternatif, un processus appelé radiothérapie adaptative. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les effets dosimétriques causés par des changements anatomiques ainsi que les variations de positionnement au cours de la procédure de radiothérapie avec modulation d'intensité à travers deux études rétrospectives. MIM Software (Cleveland, OH), un outil d'enregistrement non-linéaire disponible sur le marché, est utilisé pour ce travail. Dans la première étude, la dose quotidienne de quatre patients atteints de cancer du sein qui subissent un traitement volumétrique modulée arc-boost dans le lit tumoral est calculée à partir des images prétraitement de tomodensitométrie à faisceau conique. Deux isocentres de traitement, correspondant à la position initiale du patient et à la position ajustée à partir d'imagerie prétraitement, sont utilisés pour la vérification de la dose. Les résultats indiquent que le volume cible prévisionnel comprenant le lit tumoral et une augmentation de la marge uniforme de 1 cm sont suffisants pour tenir compte des erreurs de positionnement. Dans la deuxième étude, la dose quotidienne est calculée sur les images prétraitement de tomodensitométrie à mégavoltage pour l'irradiation craniospinale et aux patients atteints de cancer de la tête et du cou qui obtiennent la tomothérapie hélicoïdale. La dose pour chaque fraction de traitement est déformée et accumulés sur le CT de planification pour être comparée avec le plan original. Cette étude évalue les effets des changements anatomiques sur l'administration du traitement. Les résultats indiquent une légère diminution de la couverture cible et aucune augmentation significative de la dose pour les structures critiques.

Cone-beam computed tomography (CBCT) images suffer from poor image quality, in a large part due to scattered x-rays. In this work, a fast and accurate Monte Carlo based scatter correction algorithm was implemented on real CBCT data. A fast Monte Carlo simulation developed in the EGSnrc framework was used to transport photons through an uncorrected CBCT scan. From the simulation output, the contribution from both primary and scattered photons for each projection image was estimated. Using these estimates, a subtractive scatter correction was performed on the CBCT projection data. Implementation of the scatter correction algorithm on CBCT phantom scans was shown to help mitigate scatter-induced artifacts, such as cupping and streaking. The scatter corrected images were also shown to have improved accuracy in reconstructed attenuation coefficient values. These results suggest that the proposed scatter correction algorithm is successful in improving image quality in real CBCT images, and are promising results towards the reliable use of CBCT images in adaptive radiotherapy. / Les images de tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) souffrent d'une qualité d'image inférieure en partie due aux rayonnement diffusés. Dans cet ouvrage, un algorithme Monte Carlo rapide et précis fut appliqué sur des images CBCT cliniques. En utilisant un logiciel de transport de particules à base Monte Carlo pour transporter des photons dans un CBCT où les données n'ont pas été corrigés, la contribution des photons diffusés primaires et secondaires pour chaque image fut estimée. En utilisant cet estimé, une correction fut apportée sur les données du CBCT. La méthode de correction CBCT a démontré sa capacité de mitiger les artéfacts introduient par la diffusion des photons. Les images corrigées ont montré une plus grande précision pour la reconstruction des coéfficients d'atténuation. Ces résultats suggèrent que la méthode proposée pour corriger des images CBCT fut un succès pour l'amélioration de la qualité d'images CBCT réelles, et insinuent une utilisation able des images CBCT en radiothérapie adaptative.