Raman spectroscopy is a form of vibrational spectroscopy that is capable of probing biological samples at a molecular level. In this work it was used in the analysis of ionizing radiation-induced damage in DNA. Spectra of both simple, short-stranded DNA oligomers (SS-DNA) and the more complicated calf-thymus DNA (CT-DNA) were acquired before and after irradiation to a variety of doses from 0 to ~2000 Gy. In a technique known as ultraviolet resonance Raman spectroscopy (UVRRS), three UV wavelengths of 248, 257 and 264 nm were utilized in order to selectively enhance contributions from different molecular groups within the samples. Assignment of the spectral peaks was aided by the literature, as well as through analysis of UVRR spectra of short strands of the individual DNA bases obtained at each of the three incident UV wavelengths. Difference spectra between the irradiated and unirradiated samples were calculated and the samples exposed to ~2000 Gy showed significant radiation-induced features. Intensity increases of spectral peaks, observed primarily in the CT-DNA, indicated unstacking of the DNA bases and disruption of Watson-Crick hydrogen bonds, while intensity decreases of spectral peaks, observed only in the SS-DNA, indicated both base damage and the loss of structural integrity of the DNA molecule. The high molecular specificity of UVRRS allowed for precise identification of the specific bonds affected by the radiation, and the use of the varying incident wavelengths allowed for the observation of damage to moieties that would otherwise have been excluded. The use of UVRRS shows promise in the study of radiation-induced damage to DNA and would be well suited for extension to the study of more complicated biological systems.

Le but principal de ce projet est de préparer l’implantation clinique du système Clarity qui utilise une sonde ultrasonore pour visualiser l’anatomie interne du patient. Ce système est utilisé pour les cas de prostate et nécessite d’être adapté pour les cas de poumon. L’utilité de ce système est de suivre un substitut afin d’inférer la position d’une tumeur pulmonaire. L’hypothèse de cette étude est qu’un substitut interne serait mieux corrélé avec une tumeur pulmonaire que le seraient des marqueurs externes. Les sous-objectifs sont : 1) aborder l’adaptation du montage pour faire des acquisitions sur des patients ; 2) explorer la performance des algorithmes de détection de mouvements ainsi que des métriques de qualité d’image sur des images US et ciné IRM; 3) démontrer que la corrélation entre un substitut interne et une structure pulmonaire est plus grande que celle avec un substitut externe. Pour les acquisitions d’images US, la sonde est placée sur les volontaires et fixée à la table de traitement à l’aide d’un bras mécanique. Il a été démontré qu’une pression insuffisante peut causer une perte de signal dû à la forme curviligne de la sonde. La diminution de la moyenne des intensités de l’image et de l’écart-type confirme une perte de signal lors d’amplitudes respiratoires élevées justifiée par une perte de contact entre la sonde et la peau malgré la fixation de la sonde. Entre les algorithmes de corrélation croisée normalisée (NCC), d’erreur moyenne quadratique (RMS) et de flux optique, la méthode NCC semble la plus robuste pour suivre le substitut interne (structure dans le foie) dans les images IRM pour 5/9 volontaires sains ( = 0, 050). Cette méthode est utilisé présentement pour les cas de prostate. Le flux optique s’est montré plus efficace pour des cas spécifiques ce qui démontre l’intérêt d’adapter l’algorithme pour les cas de poumons. Enfin, il a été démontré sur les images IRM qu’un substitut interne au niveau du foie est plus efficace pour la majorité des volontaires (8/9) en comparaison avec un marqueur sur la peau placé dans la région abdominale. Le marqueur abdominal possède une meilleure corrélation qu’un marqueur thoracique (9/9) illustrant l’importance du positionnement d’un marqueur externe pour le suivi d’une tumeur pulmonaire. / The main objective of this thesis is to prepare the clinical implementation of the Clarity ultrasound system for indirect lung tumours tracking using a surrogate. It is currently used for motion management during prostate treatments and requires adaptation. Our hypothesis is that an internal marker would have a better correlation with the tumour’s position than an external surrogate. The sub-objectives are : 1) test different setups for the image acquisition on patients ; 2) explore the algorithms’ performance for motion detection as well as the image quality metrics on US and dynamic MRI images ; 3) evaluate the correlation between surrogates and a lung structure to determine which performs best. The ultrasound probe is fixed on the treatment couch for the acquisition on healthy volunteers using a mechanical arm. Low pressure on the patient’s skin results in a loss of signal due to the curvilinear shape of the probe. We observed a loss of contact between the probe and the volunteers’ skin due to ample movements causing a deterioration of the image quality. We tested three different motion detection algorithms on dynamic MRI images : normalized cross-correlation (NCC), root mean square error (RMS) and optical flow. The NCC algorithm is the most robust out of the three for 5/9 volunteers for the internal surrogate tracking ( < 0.050). In specific cases, the optical flow method performed better indicating an interest in developping a new algorithm for indirect lung tracking. Finally, the correlation between the surrogates and a lung structure were calculated using the MRI images. The internal surrogate inside the liver was proven more efficient for indirect lung tumour tracking for 8/9 volunteers. External markers give a greater prediction error. It has also been shown that the positioning of the external marker on the patient’s skin impacts the correlation. The abdominal marker is better than the thoracic one for all the volunteers.

La fibrose pulmonaire est une maladie pulmonaire interstitielle caractérisée par une production irréversible de tissus conjonctifs. Le pronostic de la maladie est plus faible que celui de plusieurs cancers. Dans les dernières années, cette pathologie a été identifiée comme un risque de complication suite à des traitements de radiothérapie. Développer une toxicité post-radique peut compromettre les bénéfices de la radiothérapie, ce qui fait de la fibrose pulmonaire une contre-indication relative. Localiser manuellement la présence de fibrose sur des images de tomodensitométrie (CT) est un problème difficile pouvant nécessiter l’intervention de plusieurs experts pour un seul patient. L’objectif de ce projet est de segmenter automatiquement la fibrose pulmonaire sur des images CT. Des réseaux de neurones complètement convolutifs ont été développés et implémentés pour effectuer une assignation automatique de tissus pulmonaires. Sur une coupe axiale donnée en entrée, l’assignation est réalisée pour l’ensemble des voxels pulmonaires en une seule inférence. L’optimisation des paramètres a été réalisée dans des contextes d’apprentissage supervisé et semi-supervisé en minimisant des variantes de l’entropie croisée entre les prédictions et des annotations manuelles d’experts. Les données utilisées consistent en des images CT haute résolution ainsi que des délinéations réalisées par des radiologistes et des radio-oncologues. Les cartes de segmentation prédites ont été comparées par rapport à des segmentations manuelles afin de valider les tissus assignés par les réseaux convolutifs. Les résultats obtenus suggèrent que des applications en radio-oncologie sont envisageables, telles que le dépistage de la fibrose avant la planification de traitements et l’évaluation de la progression de la fibrose pendant et suivant les traitements de radiothérapie. / Pulmonary fibrosis is an interstitial lung disease characterized by an irreversible production of scarring tissue. Pulmonary fibrosis has a particularly poor prognosis, with a mean survival after diagnosis lower than many cancers. This pathology was recently identified as a risk for complication following radiation therapy treatments. Pulmonary toxicity can lead to severe conditions that compromise the benefits provided by radiation therapy, making pulmonary fibrosis a relative contraindication to treatments. Manual segmentation of fibrosis on computed tomography (CT) images is a difficult task that can involve many experts for a single patient. The aim of this project is to perform automatic segmentation of pulmonary fibrosis on CT images. Fully convolutional neural networks were developed and implemented to automatically assign lung tissues. For an input CT slice, every lung voxel is assigned a tissue in a single inference. Parameters optimization was performed in a supervised and semi-supervised manner by minimizing variants of the cross-entropy between the prediction and manual annotations produced by experts. The dataset employed consists of high resolution CT scans and delineations made by radiologists and radiation oncologists. Predicted segmentation maps were compared with manual segmentations to validate the tissues assigned by the convolutional networks. Results suggest that radiation oncology applications could be developed. Possible applications include pulmonary fibrosis screening prior to treatment planning and assessment of fibrosis progression during and post-treatment.

La tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) est répandue à travers les centres de cancérologie pour le positionnement du patient avant chaque traitement de radiothérapie. Ces images pourraient potentiellement être utilisées pour des tâches plus complexes. En radio-oncologie, les techniques de planification adaptative sont en développement et nécessitent l'utilisation des images de tomodensitométrie synthétiques (sCT). Alors, plusieurs groupes de recherche ont proposé différentes techniques pour générer des images sCT à partir des données CBCT. L'objectif principale de ce projet est d'évaluer une nouvelle méthode d'apprentissage profond pour générer des images sCT de pelvis à partir des images CBCT. Onze patients ont été rétrospectivement étudiés. Chaque patient a été imagé en séquence par deux techniques d'imagerie volumétrique dans la même position, soit un scan au CBCT et un autre au CT sur rails (CTr). Afin de pouvoir utiliser les images synthétiques dans un contexte clinique, la qualité de l'image et l'impact dosimétrique entre les sCT et les CTr doivent être évalués. Les nombres CT des images sCT sont comparés à ceux des images CTr. Finalement, pour évaluer l'impact dosimétrique, les plans de traitement optimaux sont recalculés sur les images sCT et CTr. Les différences de dose sont évaluées à l'aide d'une analyse gamma et des histogrammes dose-volume. L'évaluation quantitative montre qu'il y a des différences statistiquement significatives dans les os et les cavités d'air. Tandis que, les différences des tissus adipeux et mous ne sont pas statistiquement significatives. Les doses estimées dans les organes à risque et les PTV à partir des données des sCT sont surestimées comparativement à celles calculées à partir des données des CTr. Cependant, les erreurs de doses sont inférieures à 2% pour la plupart des cas étudiés. Ces erreurs de doses sont probablement causées par le manque de tissus dans la périphérie du patient et les erreurs des nombres CT. Bien que les différences de doses soient cliniquement acceptable, la méthode proposée devrait temporairement être limitée aux validations quotidiennes de plans de traitement pour des cas pelviens. / The cone-beam computed tomography (CBCT) is widely spread in cancer centers for positioning the patient before their radiotherapy treatment. These images could potentially be used for more complex tasks. In radio-oncology, adaptive planning technics are in development and require the use of synthetic CT (sCT) images. So, multiple research groups proposed different methods to generate sCT images from CBCT data. The main purpose of this project is to assess a new deep-learning method to generate sCT images from CBCT images. Eleven patients were retrospectively studied. Each patient was subsequently imaged by two volumetric imaging methods in the same position, one CBCT scan and the other from CT on rails (CTr). In order to clinically use the synthetic images, image quality and dosimetric impact between sCT and CTr must be evaluated. sCT images' CT values are compared to those in CTr images. Finally, to evaluate the dosimetric impact, optimal treatment plans are recalculated with sCT and CTr images. Dose differences are assessed by gamma analysis and dose-volume histograms. The quantitative evaluation shows that differences are statistically different in bones and air cavities. As for adipose and soft tissues, differences were not statistically different. The estimated doses in organs-at-risk and PTVs from sCT data are overestimated compared to those from CTr data. However, dose errors are inferior to 2% in the majority of studied cases. These dose errors are most likely due to missing tissues on the outskirt of the patient and the errors of CT numbers. Although dose differences are clinically acceptable, the proposed method should temporarily be limited to daily validations of pelvic treatment plans.

Cancer is the leading cause of death in Canada. Many cancer treatments are using chemotherapy, surgery and radiotherapy. In radiotherapy, photons are the most used ionizing radiation, however alpha particles have higher radiobiological impact which increases the efficiency of patient treatment delivery. Alpha Tau Medical Ltd. (Tel Aviv, Israël) has developed a new brachytherapy method using radioactive seeds. The seeds called DaRT, for Diffusing alpha emitters Radiation Therapy, are composed of 224-Ra atoms which come from 228-Th generator. Currently, these seeds are characterized by an alpha-spectrometer and Geiger-Muller counter or well chamber for quality control. This project offers a new characterization of DaRT seeds using liquid scintillation. Liquid scintillation allows alpha and beta particles detection with the help of liquid cocktail and employing a scintillation counter. The characterization with liquid scintillation allows establishing and quantifying 228-Th trace contamination on the DaRT seeds. Also, it provides a method for seed quality control before they are used on patients by estimating their activity from spectrums established with the liquid scintillation counter. The spectrums obtained also give the possibility of dose estimation using either mass or mass stopping power in water. The results of the dose are compared to expected values from the literature and to simulations. / Le cancer est la première cause de mortalité au Canada. De nombreuses techniques de traitement du cancer existent utilisant la chimiothérapie, la chirurgie et la radiothérapie. En radiothérapie, les photons sont les rayonnements ionisants les plus fréquemment utilisés, cependant les particules alpha présentent des propriétés radiobiologiques intéressantes augmentant l'efficacité des résultats du traitement prodigué au patient. Une nouvelle technique de curiethérapie ayant recourt à des grains a été développée par Alpha Tau Medical Ltd.(Tel Aviv, Israël). Pour ce faire les grains appelés DaRT, pour Radiothérapie par émetteurs-alpha diffusant, sont constitués d'atomes 224-Ra issu d'un processus de fabrication à l'aide d'un générateur de 228-Th. Ces grains sont actuellement caractérisés par spectromètre-alpha et compteur Geiger-Muller ou chambre à puit dans le cas du contrôle de qualité. Ce projet vise à proposer une nouvelle caractérisation des grains DaRT en recourant à la scintillation liquide. La scintillation liquide permet la détection des particules alpha et beta à l'aide de liquide scintillant et d'un compteur de scintillation. La caractérisation des grains avec la scintillation liquide permet d'établir et de quantifier la présence de trace de contamination de 228-Th. Cette technique de mesure de la radioactivité donne aussi la possibilité de réaliser le contrôle de qualité des grains avant son utilisation sur les patients en évaluant l'activité de ces derniers à partir des spectres obtenus par le compteur de scintillation liquide. Les spectres obtenus offrent la réalisation d'une estimation de la dose soit par la masse soit par le pouvoir d'arrêt massique des alpha dans l'eau. Les résultats de la dose sont comparés à des valeurs attendues de la littérature et de simulation.

Le Cyberknife (Accuray, Sunnyvale, CA) est un appareil de radiochirurgie stéréotaxique sans cadre. Il a été développé pour administrer de fortes doses dans des volumes restreints. Aussi, pour obtenir une conformation optimale de traitement, des champs circulaires de petites dimensions sont utilisés (\phi = 0,5 à 6 cm). L'étude dosimétrique de ces petits champs doit être menée selon de nouveaux standards puisque ceux-ci échappent aux définitions du TG-51. L'objectif de ce projet est d'implanter une plateforme de calcul de dose de type Monte Carlo pour le CyberKnife en clinique. Il s'articule autour de deux réalisations principales. Tout d'abord, une caractérisation dosimétrique du modèle Monte Carlo de l'accélérateur linéaire du CyberKnife a été menée à travers des simulations Monte Carlo générées par le moteur de EGSnrc. Cette étude est basée sur la caractérisation de la réponse d'un détecteur à un champ de type CK à partir de simulations EGS_chamber. Cette approche permet de prendre en compte l'impact du détecteur sur les mesures expérimentales. Cet aspect est d'autant plus important que le modèle Monte Carlo de l'accélérateur est validé à partir de mesures expérimentales. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance, <1% ou 1 mm, entre les mesures expérimentales et les données de simulations pour les grands champs. Pour les champs de diamètre < 12,5 mm, le modèle est moins exact et une correction est appliquée pour atteindre une différence de <1% ou 1 mm. Deuxièmement, ce modèle validé du CK a été implanté dans un cadre de calcul Monte Carlo complet. Une plateforme de calcul dédiée aux calculs Monte Carlo, WebTPS, a été adaptée aux calculs de dose CK. Cette plateforme reçoit les données relatives au plan de traitement et lance des calcul EGSnrc sur un superordinateur. Cette approche tend à réduire les approximations lors de l'évaluation dosimétrique de plans de traitements cliniques. Une incertitude inférieure à 1% peut être atteinte en deux heures de calcul. Ce projet a donc pour objectif de développer une référence clinique pour le calcul de dose dans le cadre de la radiochirurgie stéréotaxique. L'outil WebTPS pourrait être particulièrement utile en clinique, l'algorithme de calcul de dose du CK étant limité dans plusieurs situations de traitement. / Purpose: The scope of this study is to implement a clinical Monte Carlo dose calculation system based on the EGSnrc engine. This web-based tool will be mostly used to evaluate clinical treatment plans in highly heterogeneous phantoms. Methods: The Monte Carlo calculation tool is based on the DOSXYZnrc user code. The platform automatically converts CyberKnife clinical plan to the user code input files. Phantoms can be created from HU to ED curves or by manually assigning material using medical contours. Parallel computation is made on a Compute Canada high-performance cluster to reduce simulation time. A Monte Carlo CyberKnife model is built on BEAMnrc user code using the manufacturer specifications. Simulated and experimental data is compared to estimate the electron beam parameters. The beam energy estimation is based on percent depth dose (PDD) comparison while the full width at half max (FWHM) is validated by output factor (OF) and off-axis ratio (OAR). An EGS_chamber model of the PTW60012 diode is used in the OF calculation. A set of phase-spaces is generated from the optimal model and for each collimator to calculate dose contribution from each incident beam. Results: The linac model optimisation yielded a 0.5% PDD agreement between experimental and simulation data, and a 0.5% or 1 mm for OAR. DOSxyz simulation of full treatment plan, based on the preliminary CyberKnife model, were achieved. Total Monte Carlo dose calculation have been achieved for heterogeneous phantoms. Uncertainty under 1% can be achieved for less than 2 hour of computing time. However, computing time estimation is nontrivial due to its dependence on cluster availability. Conclusion: This work aims to develop a suitable tool for reference plan dose calculation. This web-based tool would be used in several clinical and research applications where the CyberKnife embedded ray-tracing algorithm would show significant limitations. Because it is destined to a clinical use, the whole dose calculation system will be rigorously validated. / Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada. / Le Cyberknife (Accuray, Sunnyvale, CA) est un appareil de radiochirurgie stéréotaxique sans cadre. Il a été développé pour administrer de fortes doses dans des volumes restreints. Aussi, pour obtenir une conformation optimale de traitement, des champs circulaires de petites dimensions sont utilisés (\phi = 0,5 à 6 cm). L'étude dosimétrique de ces petits champs doit être menée selon de nouveaux standards puisque ceux-ci échappent aux définitions du TG-51. L'objectif de ce projet est d'implanter une plateforme de calcul de dose de type Monte Carlo pour le CyberKnife en clinique. Il s'articule autour de deux réalisations principales. Tout d'abord, une caractérisation dosimétrique du modèle Monte Carlo de l'accélérateur linéaire du CyberKnife a été menée à travers des simulations Monte Carlo générées par le moteur de EGSnrc. Cette étude est basée sur la caractérisation de la réponse d'un détecteur à un champ de type CK à partir de simulations EGS_chamber. Cette approche permet de prendre en compte l'impact du détecteur sur les mesures expérimentales. Cet aspect est d'autant plus important que le modèle Monte Carlo de l'accélérateur est validé à partir de mesures expérimentales. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance, <1% ou 1 mm, entre les mesures expérimentales et les données de simulations pour les grands champs. Pour les champs de diamètre < 12,5 mm, le modèle est moins exact et une correction est appliquée pour atteindre une différence de <1% ou 1 mm. Deuxièmement, ce modèle validé du CK a été implanté dans un cadre de calcul Monte Carlo complet. Une plateforme de calcul dédiée aux calculs Monte Carlo, WebTPS, a été adaptée aux calculs de dose CK. Cette plateforme reçoit les données relatives au plan de traitement et lance des calcul EGSnrc sur un superordinateur. Cette approche tend à réduire les approximations lors de l'évaluation dosimétrique de plans de traitements cliniques. Une incertitude inférieure à 1% peut être atteinte en deux heures de calcul. Ce projet a donc pour objectif de développer une référence clinique pour le calcul de dose dans le cadre de la radiochirurgie stéréotaxique. L'outil WebTPS pourrait être particulièrement utile en clinique, l'algorithme de calcul de dose du CK étant limité dans plusieurs situations de traitement. / Purpose: The scope of this study is to implement a clinical Monte Carlo dose calculation system based on the EGSnrc engine. This web-based tool will be mostly used to evaluate clinical treatment plans in highly heterogeneous phantoms. Methods: The Monte Carlo calculation tool is based on the DOSXYZnrc user code. The platform automatically converts CyberKnife clinical plan to the user code input files. Phantoms can be created from HU to ED curves or by manually assigning material using medical contours. Parallel computation is made on a Compute Canada high-performance cluster to reduce simulation time. A Monte Carlo CyberKnife model is built on BEAMnrc user code using the manufacturer specifications. Simulated and experimental data is compared to estimate the electron beam parameters. The beam energy estimation is based on percent depth dose (PDD) comparison while the full width at half max (FWHM) is validated by output factor (OF) and off-axis ratio (OAR). An EGS_chamber model of the PTW60012 diode is used in the OF calculation. A set of phase-spaces is generated from the optimal model and for each collimator to calculate dose contribution from each incident beam. Results: The linac model optimisation yielded a 0.5% PDD agreement between experimental and simulation data, and a 0.5% or 1 mm for OAR. DOSxyz simulation of full treatment plan, based on the preliminary CyberKnife model, were achieved. Total Monte Carlo dose calculation have been achieved for heterogeneous phantoms. Uncertainty under 1% can be achieved for less than 2 hour of computing time. However, computing time estimation is nontrivial due to its dependence on cluster availability. Conclusion: This work aims to develop a suitable tool for reference plan dose calculation. This web-based tool would be used in several clinical and research applications where the CyberKnife embedded ray-tracing algorithm would show significant limitations. Because it is destined to a clinical use, the whole dose calculation system will be rigorously validated.

Ce mémoire présente l’étude de la faisabilité de la planification de traitements pour la curiethérapie interstitielle du sein en utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) seule au lieu de l’imagerie par tomodensitométrie (CT). L'imagerie CT étant la référence, la mesure des différences observables sur la distribution de doses provenant des deux types d’imagerie a été effectuée. Des fantômes de seins ont été fabriqués et utilisés, ainsi que l’imagerie de patients. La taille des fantômes en fonction du positionnement dans l’appareil d’IRM et la longueur reconstruite des cathéters ont été analysées. Les différences dans les distributions de doses de fantômes et de patients ont été calculées en s’assurant que la reconstruction des cathéters provenant des images CT et IRM est la seule variable. La différence dans les critères de doses à respecter est plus grande lorsque la taille du fantôme et/ou un déplacement latéral dans l’IRM sont plus grands. La longueur reconstruite des cathéters est comparable entre les deux techniques d’imagerie. Pour le petit fantôme des différences <2% ont été observées pour tous les critères de dose. Pour le grand fantôme et pour les patients, une valeur maximale de 5% est observée pour les critères sur la cible, mais peut atteindre 19% pour le critère Externe V150%/V100% pour le grand fantôme et 33% pour les patients. Par contre, le seuil clinique de ce critére est toujours respecté. Ceci nous indique que pour la plupart des patients, la zone à traiter serait bien couverte en utilisant les images IRM uniquement pour planifier. / This dissertation presents the study of the feasibility of planning for interstitial breast brachytherapy treatments using only magnetic resonance imaging (MRI) instead of computed tomography (CT) imaging. CT imaging being the reference, the measurement of observable differences on dose distributions from the two types of imaging has been done. Breast phantoms has been fabricated and used, as imaging of patients. Size of the phantoms according to the positioning inside the MRI device and catheters reconstructed length has been analysed. Differences in dose distributions of phantoms and patients have been calculated by ensuring that catheters reconstruction from CT and MRI images is the only variable. The difference in respecting the dose’s criteria is bigger when the size and/or the lateral shift into the MRI are bigger. The catheters’ reconstructed length is similar between the two imaging techniques. For the small phantom, differences <2% has been observed for all dose criteria. For the large phantom and for patients, a maximum value of 5% is observed for targets criteria, but can reach 19% for External V150/V100 criterion for the large phantom and 33% for patients. However, clinical threshold for this criterion is still respected. This tells us that for most patients, the treatment region would be covered by using MRI images only for planning.

La radiothérapie stéréotaxique corporelle (SBRT) est une technique couramment employée pour le traitement de tumeurs aux poumons lorsque la chirurgie n’est pas possible ou refusée par le patient. Une complication de l’utilisation de cette méthode provient du mouvement de la tumeur causé par la respiration. Dans ce contexte, la radiothérapie asservie à la respiration (RGRT) peut être bénéfique. Toutefois, la RGRT augmente le temps de traitement en raison de la plus petite proportion de temps pour laquelle le faisceau est actif. En utilisant un faisceau de photons sans filtre égalisateur (FFF), ce problème peut être compensé par le débit de dose plus élevé d’un faisceau FFF. Ce mémoire traite de la faisabilité d’employer la technique de RGRT en combinaison avec l’utilisation un faisceau FFF sur un accélérateur Synergy S (Elekta, Stockholm, Suède) avec une ceinture pneumatique, le Bellows Belt (Philips, Amsterdam, Pays-Bas), comme dispositif de suivi du signal respiratoire. Un Synergy S a été modifié afin de pouvoir livrer un faisceau 6 MV FFF. Des mesures de profils de dose et de rendements en profondeur ont été acquises en cuve à eau pour différentes tailles de champs. Ces mesures ont été utilisées pour créer un modèle du faisceau 6 MV FFF dans le système de planification de traitement Pinnacle3 de Philips. Les mesures ont été comparées au modèle à l’aide de l’analyse gamma avec un critère de 2%, 2 mm. Par la suite, cinq plans SBRT avec thérapie en arc par modulation volumétrique (VMAT) ont été créés avec le modèle 6 MV du Synergy S, avec et sans filtre. Une comparaison des paramètres dosimétriques a été réalisée entre les plans avec et sans filtre pour évaluer la qualité des plans FFF. Les résultats révèlent qu’il est possible de créer des plans SBRT VMAT avec le faisceau 6 MV FFF du Synergy S qui sont cliniquement acceptables (les crières du Radiation Therapy Oncology Group 0618 sont respectés). Aussi, une interface physique de RGRT a été mise au point pour remplir deux fonctions : lire le signal numérique de la ceinture pneumatique Bellows Belt et envoyer une commande d’irradiation binaire au linac. L’activation/désactivation du faisceau du linac se fait par l’entremise d’un relais électromécanique. L’interface comprend un circuit électronique imprimé fait maison qui fonctionne en tandem avec un Raspberry Pi. Un logiciel de RGRT a été développé pour opérer sur le Raspberry Pi. Celui-ci affiche le signal numérique du Bellows Belt et donne l’option de choisir les limites supérieure et inférieure de la fenêtre d’irradiation, de sorte que lorsque le signal de la ceinture se trouve entre ces limites, le faisceau est actif, et inversement lorsque le signal est hors de ces limites. Le logiciel envoie donc une commande d’irradiation au linac de manière automatique en fonction de l’amplitude du signal respiratoire. Finalement, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un autre plan standard sans RGRT sans filtre démontre que le temps de traitement en mode FFF est réduit en moyenne de 54.1% pour un arc. De la même manière, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un plan de RGRT (fenêtre d’irradiation de 75%) sans filtre montre que le temps de traitement de RGRT en mode FFF est réduit en moyenne de 27.3% par arc. Toutefois, il n’a pas été possible de livrer des traitements de RGRT avec une fenêtre de moins de 75%. Le linac ne supporte pas une fréquence d’arrêts élevée. / Stereotactic body radiation therapy (SBRT) is a technique commonly employed for treatment of lung tumors when surgery is not possible or not accepted by the patient. One complication arising from the use of this method comes from the movement of the tumor during respiration. In this context, respiratory gated radiation therapy (RGRT) can be beneficial. By using a flattening filter free (FFF) photon beam, the increase in treatment time caused by a reduced beam-on time of respiratory gated methods can be compensated by the inherent increased dose rate of FFF beams. This thesis reports on the feasibility of using the RGRT technique in combination with the use of a FFF photon beam on a Synergy S (Elekta, Stockholm, Sweden) linear accelerator with a pneumatic belt, the Bellows Belt (Philips, Amsterdam, Netherlands), to monitor the patient’s respiratory signal. A Synergy S has been modified to deliver a 6 MV FFF photon beam. Dose profile and percentage depth dose measurements were taken in a water tank for different field sizes. Those measurements were used to create a model for the 6 MV FFF beam with the Pinnacle3 treatment planning system from Philips. Measurements were compared with the model using gamma index analysis with a 2%, 2 mm criterion. Then, five SBRT plans with volumetric modulated arc therapy (VMAT) were created in Pinnacle3 with the 6 MV Synergy S model, with and without a flattening filter. A comparison of dosimetric parameters was made between plans with and without a flattening filter to estimate the quality of the FFF plans. Results reveal that it is possible to create SBRT VMAT plans with the 6 MV FFF model of the Synergy S that are clinically acceptable (criteria of the Radiation Therapy Oncology Group 0618 were respected). Also, a RGRT hardware interface was created to fulfill two main functions: read the digital signal from the Bellows Belt pneumatic belt and send an on/off irradiation command to the linac. The activation/deactivation of the beam is regulated by an electromechanical relay. The interface is composed of a homemade printed circuit board that functions with a Raspberry Pi. A RGRT software was also developed to operate on the Raspberry Pi. This software shows the Bellows Belt’s digital signal and gives the option of choosing the upper and lower limits of the gating window. When the respiratory signal of the belt is between those limits, the beam is active, and vice versa when the signal is outside those limits. The software thus effectively sends an on/off irradiation command automatically to the linac depending on the amplitude of the respiratory signal. Finally, a comparison between the delivery of a standard plan without RGRT, with filter, and another standard plan without RGRT, without filter, shows that the treatment time for plans using the FFF beam is reduced by 54.1% on average for one arc. Similarly, a comparison between the delivery of a standard plan without RGRT, with filter, and a gated plan (gating window of 75%), without filter, shows that the treatment time for the gated treatments is reduced by 27.3% on average for one arc. However, it was not possible to deliver RGRT treatments with a gating window smaller than 75%. The linac does not support such a high frequency of beam halting.

The current state of a prototype fan-beam optical computed tomography scanner for three-dimensional radiation dosimetry has been presented. The system uses a helium-neon laser and a line-generating lens for fan-beam creation. Five photodiode arrays form an approximate arc detector array of 320-elements. Two options of physical collimators provide two levels of scatter-rejection: single-slot (SS) and multi-hole (MH). A pair of linear polarizers has been introduced as a means of light intensity modulation. This work examined: (i) the characterization of system components, (ii) data acquisition & imaging protocols, and (iii) the scanning of an nPAG dosimeter. (i): The polarizer-pair method of light intensity modulation has been calibrated and the polarization sensitivity of the detector array was evaluated. The relationship between detected values and both light intensity and photodiode integration time was examined. This examination indicated the need for an offset correction to treat all data acquired by the system. Data corruption near the edges of each photodiode array was found to cause ring artefacts in image reconstructions. Two methods of extending the dynamic range of the system---via integration time and light intensity---were presented. The use of master absorbent solutions and spectrophotometric data allowed for the preparation of absorption-based and scatter-based samples of known opacities. This ability allowed for the evaluation of the relative scatter-rejection capabilities of the system's two collimators. The MH collimator accurately measured highly-attenuating solutions of both absorption-based and scatter-based agents. The SS collimator experienced some contamination by scattered light with absorption-based agents, and significant contamination with scatter-based agents. Also, using the SS collimator, a `spiking' artefact was observed in highly-attenuating samples of both solution types. (ii): A change in imaging protocol has been described that greatly reduces ring artefacts that plagued the system previously. Scanning parameters related to the reference scan (Io) and data acquisition were evaluated with respect to image noise. Variations in flask imperfections were found to be a significant source of noise. (iii): An nPAG dosimeter was prepared, planned for, irradiated, and imaged using the fan-beam system. In addition to ring artefacts caused by data-corruption, refractive inhomogeneities and particulates in the gelatin were found to cause errors in image reconstructions. Otherwise, contour and percent depth dose comparisons between measured and expected values showed good agreement. Findings have indicated that significant imaging gains may be achieved by performing pre-irradiation and post-irradiation scans of dosimeters.