This thesis describes an image-based system for analyzing dose distributions produced during treatment planning of stereotactic radiosurgery. A review of stereotaxy and radiosurgery, particularly for the treatment of arteriovenous malformations (AVMs), is presented. The stereotactic apparatus and linear accelerator-based irradiation techniques used at McGill University are described in some detail. / The image-dose analysis software, running on a UNIX workstation, is presented, including software utilities for the evaluation of radiosurgery treatment plans based on magnetic resonance (MR) images. The importance of dose-volume histograms (DVHs) in the assessment of treatment plans is discussed, and the software developed to generate DVHs is described. / A technique for the experimental verification of calculated three-dimensional (3D) dose distributions is presented. This computerized approach is based on stereotactic principles and uses a plastic phantom and radiotherapy verification film as the dosimeter. The results indicate that, with some improvements, this is a viable technique for the experimental validation of stereotactic 3D treatment planning software.

A radiochromic film dosimetry system is presented for the radiochromic filmmodel EBT-2 using a flatbed document scanner, the Epson Expression 10000XLmodel, as a densitometer. The author presents the protocol for radiochromicfilm dose measurements along with the characterization of the radiochromic filmdosimetry system. Results from the measurements taken to characterize thesystem are presented as well as other typical clinical measurements such as qualityassurance measurements and skin dose measurements. Finally intensity modulatedradiation therapy (IMRT) quality assurance measurements are presented andcompared with the MatriXX ionization chamber array system. / Un système de dosimétrie de films radiochromiques est présenté pour le modèlede film radiochromique EBT-2 et utilisant un numériseur de photographies, EpsonExpression 10000XL, comme densitomètre. L'auteur présente le protocole pour lesmesures de dose utilisant les films radiochromiques ainsi que la caractérisationdu système de dosimétrie de films radiochromiques. Les résultats des mesurescaractérisant le système sont présentés ainsi que d'autres mesures cliniquestypiques telles que des mesures d'assurance qualité et des mesures de dose lapeau. Enfin des mesures d'assurance qualité pour la radiothérapie par intensitémodulée (IMRT) sont présentées et comparées aux mesures de la matrice dechambre à ionisation MatriXX.

Several dosimetric parameters were measured for three very small radiation fields (1.5, 3, and 5 mm diameter at the machine isocenter) with a small ionization chamber and a new type of radiochromic film. The experiments were carried out on a Clinac-18 linac and the fields were shaped by specially manufactured collimators. When measuring dose profiles, the ionization chamber measurements were first corrected for response variation in off-axis direction, and then deconvolved to eliminate the blur due to the poor resolution of the chamber. The measured data agreed with Monte Carlo simulations within the established statistical uncertainties. / Dynamic stereotactic radiosurgery was carried out on the same accelerator using the very small radiation beams. The dose distributions and their displacements from the laser-defined isocenter of the linac were measured and then compared to 3-D Monte Carlo calculations. The results proved that dynamic radiosurgery with very small beams has potential for clinical use.

A fast and accurate treatment planning system is essential for radiation therapy and Monte Carlo (MC) techniques produce the most accurate results for dose calculation in treatment planning. In this work, we developed a fast Monte Carlo code based on pre-calculated data (PMC, Pre-calculated Monte Carlo) for applications in radiation therapy treatment planning. The PMC code takes advantage of large available memory in current computer hardware for extensive generation of pre-calculated data. Primary tracks of electrons are generated in the middle of homogeneous materials (water, air, bone, lung) and with energies between 0.2 and 18 MeV using the EGSnrc code. Secondary electrons are not transported but their position, energy, charge and direction are saved and used as a primary particle. Based on medium type and incident electron energy, a track is selected from the pre-calculated set. The performance of the method is tested in various homogeneous and heterogeneous configurations and the results were generally within 2% compared to EGSnrc but with a 40-60 times speed improvement. Pre-calculated Monte Carlo codes are accurate, fast and physics-independent and therefore applicable to different radiation types including heavy-charged particles. In another project, we worked on Monte Carlo feasibility study to use orthogonal bremsstrahlung beams for imaging in radiation therapy. The basic characteristics of orthogonal bremsstrahlung beams are studied and the feasibility of improved contrast imaging in linear accelerator with such a beam is evaluated. In the context of this work orthogonal bremsstrahlung beams represent the component of the bremsstrahlung distribution perpend / Un plan de traitement rapide et précis est essentiel en radiothérapie et les techniques par Monte-Carlo produisent les résultats les plus précis pour le calcul de dose. Dans la présente recherche, nous avons développé un script de Monte-Carlo rapide basé sur des données pré-calculée (PMC, Monte Carlo pré-calculé) pour des applications en radiothérapie. Le code informatique PMC prend l'avantage d'une grande quantité de mémoire actuellement installée de nos jours sur les ordinateurs afin de générer des données pré-calculées. Les traces primaires des électrons sont générées au centre de matériaux homogènes (eau, air, os, poumons) avec des énergies entre 0.2 et 18 MeV en utilisant le code EGSnrc. Les électrons secondaires ne sont pas transportés, mais leurs positions, énergies, charges et directions sont sauvegardées et utilisées comme particules primaires. D'après le type de matériel et d'énergie de l'électron, le tracé est sélectionné et utilisé comme particule primaire. La performance de cette méthode est testée dans plusieurs types de configurations homogènes et non- homogènes. Les résultats, lorsque comparés à ceux de EGSnrc, sont à l'intérieur d'une marge de 2% tandis que la rapidité de calcul est de 40 à 60 fois supérieure. Les codes informatiques pré calculés de Monte-Carlo sont précis, rapide et indépendant de la physique et par conséquent applicables à plusieurs type de faisceaux tels que les particules à haute charge. Dans un autre projet, nous avons étudié la capacité du code Monte-Carlo à utiliser des faisceaux orthogonaux de bremsstrahlung dans le cadre d'imagerie en radiothérapie. Les caracté

The aim of this study is to develop an intraoperative dose assessment procedure that can be performed after an I-125 prostate seed implantation, while the patient is still under anaesthesia. To accomplish this, we reconstruct the 3D position of each seed and co-register it with the prostate contour acquired with a transrectal ultrasound (TRUS) probe. Our seed detection method involves a tomosynthesis-based filtered reconstruction of the volume of interest requiring 7 projections acquired over an angle of 60o with an isocentric imaging system. The co-registration between the tomosynthesis-based seed positions and the TRUS-based prostate contour is based on the planned position. A phantom and a clinical study (25 patients) were carried out to validate the technique. In the patient study, the automatic tomosynthesis-based reconstruction yields a seed detection rate of 96.7% and less than 2.6% false-positive. The seed localization error obtained with a phantom study is 0.4 ± 0.4 mm. The co-registration method based on planned seed position has proved to be not accurate enough for dosimetric purposes. We believe that this technique may be used to discover considerable underdosage and to improve the dosimetric coverage by potentially reimplanting additional seeds. / L'objectif de ce projet est de développer une procédure d'évaluation dosimétrique intra-opératoire en implantation prostatique de grains d'iode 125. Pour y arriver, la position 3D des grains doit être reconstruite et recalée avec les contours de la prostate imagée en échographie endorectale. La reconstruction des grains est basée sur une technique de tomosynthèse requérant 7 projections acquises entre -30o et 30o. Le recalage entre la position 3D des grains et les contours utilise comme cible la position planifiée des grains. Notre technique de reconstruction dosimétrique a été testée sur un mannequin et dans une étude clinique incluant 25 patients. Notre méthode permet de reconstruire la position 3D des grains avec une précision de 0.4 ± 0.4 mm. De plus, l'étude clinique a démontré un taux de détection de 96.7% des grains et incluant moins de 2.6% de faux-positifs. La méthode de recalage n'a pas permis d'atteindre une précision acceptable pour une application clinique. La technique développée permet de repérer la présence de sous-dosage considérable et ouvre la porte vers la réimplantation de grains additionnels afin d'améliorer la couverture dosimétrique de la prostate.

While dose calculations are typically performed using a simplistic correspondence of Hounsfield units to electron density, recent developments in Dual Energy Computed Tomography (DECT) could provide significant improvements in characterizing human tissues in radiotherapy. The present study aims to establish and validate a DECT mathematical formalism and evaluate its accuracy in characterizing tissue in terms of electron density and effective atomic number for radiotherapy applications. A relationship between the effective atomic number and the mean excitation energy is proposed to calculate parameters for proton and heavy ion therapy, as the stopping power. A novel definition of the effective atomic number is also developed. A Gammex 467 phantom is scanned at different energy couples with a Siemens SOMATOM Definition Flash in order to apply the calibration-based formalism. The root mean square errors on the extracted parameters for the 100-140/Sn energy couple are 0.46% for the relative electron density, 2.5% for the effective atomic number, 4.9% for the mean excitation energy and 0.67% for the proton stopping power. The accuracy of such results presents many advantages in the field of radiation therapy. Thus, this work is expected to bring significant improvements in Monte Carlo dose calculation in future clinical applications. / Bien que les calculs de dose soient généralement effectués en utilisant une correspondance directe entre les unités Hounsfield et la densité électronique, les développements récents en tomodensitométrie à double énergie (DECT) pourraient apporter des améliorations significatives dans la caractérisation des tissus humains en radiothérapie. La présente étude vise à établir et valider un formalisme mathématique DECT et à évaluer sa précision dans la caractérisation des tissus en termes de densité électronique et de numéro atomique effectif pour les applications de radiothérapie. Une relation entre le nombre atomique effectif et l'énergie moyenne d'excitation est proposée afin de calculer des paramètres pour la thérapie par protons et par ions lourds, tel que le pouvoir d'arrêt. Une nouvelle définition du nombre atomique effectif est également développée. Un fantôme Gammex 467 est scanné à différents couples d'énergie avec un Siemens SOMATOM Definition Flash afin d'appliquer le formalisme. L'erreur moyenne quadratique des paramètres extraits pour le couple d'énergie 100-140/Sn sont 0.46% pour la densité électronique relative à l'eau, 2.5% pour le nombre atomique effectif, 4.9% pour l'énergie d'excitation moyenne et 0.67% pour le pouvoir d'arrêt. L'exactitude de ces résultats présente de nombreux avantages en radiothérapie. Ainsi, ce travail pourrait apporter des améliorations significatives en calcul de dose Monte Carlo pour de futures applications cliniques.

The aims of this work are to validate the potential application of Cherenkov emission (CE) in radiotherapy dosimetry, online imaging and beam modulation by analysis of its correlation with radiation dose and by a spectral shift to the near-infrared (NIR) window of biological tissue in order to maximize its detection. This work makes an original contribution to scientific knowledge by effectively correlating radiation dose and CE in two dimensions, using an optical fiber and grating spectrometer, without need for a computer-generated spatially variant conversion factor or a fluorescent dye, and by successfully shifting CE to the NIR in a tissue-simulating phantom with the use of quantum dots (QDs).Radiation dose was correlated with CE via both computer simulation and experimental measurements using clinical 6-18 MeV electron beams. A Monte Carlo (MC) CE simulator was designed using the Geant4 simulation toolkit. In order to maximize the signal, beam incidence angle was optimized through simulation and experiment and the feasibility of two-fiber detection was assessed. Phantoms used in the experiments were a water tank and a tissue-simulating phantom composed of water, Intralipid® and beef blood. The optical detection system consisted of a multi-mode step-index fiber optic cable (numerical aperture = 0.22 for dose versus Cherenkov studies), positioned out of the beam and connected to a single-channel diffraction grating spectrometer incorporating a front- or back-illuminated charge-coupled device (CCD). A cylindrical ionization chamber was used for dose measurements. CdSe/ZnS core-shell QDs, emitting at (650 ± 10) nm, were used to achieve a NIR shift of the CE signal.A preliminary software analysis indicated a strong correlation between radiation dose and CE with a Pearson correlation coefficient larger than 0.99. A beam incidence angle of 50° relative to the surface normal produced a CE maximum along the horizontal fiber. An angle of 47° (corresponding to more than 80% of the maximum signal) was adopted in order to maximize the scan depth by avoiding beam perturbation due to setup components and fiber protrusion into the field. Dose versus CE correlation was investigated via water phantom ion chamber scans along the beam central axis and optical fiber scans with the fiber tip positioned at the field edge. With all data sets normalized to 1, the effective point of measurement of the optical system for 18, 12 and 6 MeV clinical electron beams was found to be at depths of approximately 1.7, 0.8, and 0.1 cm, respectively, downstream from the fiber axis, with a Pearson correlation coefficient for all (simulated and experimental) data larger than 0.99. CE by an 18 MeV electron beam was successfully shifted towards 650 nm in water and in a tissue-simulating phantom. Smaller field sizes and larger QD depths resulted in a lower signal, though a shift was still apparent for a 1 cm depth of the QDs. Statistical data analysis indicated no noise bias and that radiation might have impacted the spectrometer electronics.The results of this work validate the potential for application of CE in radiotherapy dosimetry, online imaging and intensity modulation based on tumor microenvironment information, such as oxygenation, since CE is intrinsic to the beam, non-ionizing and can be detected outside the beam, and the QDs used for the experiments are photostable, tunable, and can be modified to incorporate molecular reporters. Future work involves the use of a multi-channel spectrometer for simultaneous collection of main, reference and background signals, incorporation of a lens or a single-mode fiber to reduce the sensitive volume, as well as development of better spectral data extraction techniques. It is expected that the proposed technique will be applicable to 3D dose mapping by means of diffuse optical tomography, online CE imaging and localization during radiotherapy, and beam modulation based on tumor microenvironment information. / Les objectifs de cette étude sont de valider la potentielle application de l'émission Cherenkov (EC) pour la dosimétrie en radiothérapie, pour l'imagerie en temps réel et pour la modulation des faisceaux par l'analyse de sa corrélation avec la dose de rayonnement et par un décalage spectral vers la fenêtre infrarouge proche (FIP) des tissus biologiques afin de maximiser sa détection. Ce travail apporte une contribution originale aux travaux antérieurs en corrélant efficacement, d'une part, la dose de rayonnement et l'EC en 2 dimensions à l'aide d'une fibre optique et d'un spectromètre à réseau, et ce, sans l'aide d'un facteur de conversion variant spatialement et généré par ordinateur ou d'un colorant fluorescent, et d'autre part, en effectuant avec succès le déplacement de l'EC à la FIP dans un fantôme simulant les tissus biologiques grâce à l'utilisation de points quantiques (PQs).La dose de rayonnement a été corrélée avec l'EC à la fois par simulation informatique et par mesures expérimentales. Un simulateur Monte Carlo (MC) de l'EC a été conçu en utilisant la plateforme de simulation Geant4. Les fantômes utilisés dans les expériences consistaient d'un réservoir d'eau et d'un fantôme simulant les tissus biologiques composés d'eau, d'Intralipid® et de sang de boeuf. Le système de détection optique est composé d'un câble de fibre optique multi-mode à saut d'indice, placé hors du faisceau d'électron et relié à un spectromètre à réseau de diffraction à canal unique comprenant un dispositif à couplage de charge éclairé par l'avant ou l'arrière. Des points quantiques CdSe/ZnS, émettant à (650 ± 10) nm, ont été utilisés afin de réaliser un décalage de l'EC vers la FIP.Une analyse préliminaire a indiqué une forte corrélation entre la dose de rayonnement et de l'EC avec un coefficient de corrélation de Pearson supérieur à 0.99. La corrélation de la dose en fonction de l'EC a été étudiée via des scans de la chambre d'ionisation dans le fantôme d'eau le long de l'axe central du faisceau ainsi que par des scans de fibre optique avec la pointe de la fibre positionnée sur le bord du champ du faisceau. Après normalisation, le point effectif de mesure du système optique des faisceaux d'électrons cliniques de 18, 12 et 6 MeV, s'est révélé être situé à des profondeurs respectives de 1.7 cm, 0.8 cm et 0.1 cm, et ce, en aval de l'axe de la fibre, avec un coefficient de corrélation Pearson pour toutes les données de plus de 0.99. La fenêtre d'EC d'un faisceau d'électrons de 18 MeV a été décalée avec succès vers 650 nm dans le réservoir d'eau, confirmant sa capacité à stimuler la photoluminescence de CdSe/ZnS, et dans le fantôme simulant les tissus biologiques. La diminution de la taille des champs ainsi que l'augmentation de la profondeur des PQs ont eu pour effet de diminuer le signal, quoiqu'un décalage du signal était encore apparent à 1 cm de profondeur. L'analyse statistique des données nous a confirmé que le bruit n'a pas d'impact significatif sur le signal, mais que le rayonnement peut avoir un impact sur les composantes électroniques du spectromètre.Les résultats de ce travail confirment le potentiel d'application de l'EC pour la dosimétrie en radiothérapie, pour l'imagerie en temps réel et pour la modulation d'intensité des faisceaux en fonction des informations relatives au microenvironnement des tumeurs, comme l'oxygénation. En effet, l'EC est intrinsèque au faisceau d'électrons, est non-ionisante et peut être détectée en dehors du faisceau. De plus, les PQs utilisés dans nos expériences sont photostables et peuvent être modifiés afin d'intégrer des molécules pouvant nous informer sur la microbiologie des tumeurs. Il est prévu que la technique proposée sera applicable à la cartographie de dose en 3D au moyen de la tomographie optique diffuse, à l'imagerie par EC en temps réel et la localisation spatiale durant la radiothérapie, ainsi qu'à la modulation du faisceau en fonction du microenvironnement de la tumeur.

Modern treatment planning techniques such as inverse planning have increased the demand for rapid dose calculation methods to accommodate the large number of dose distributions required to generate a treatment plan. General-purpose Monte Carlo approaches for dose calculation are known to offer the highest accuracy in dose calculation at the expense of significant computing time. This work adapts a Macro Monte Carlo approach to dose calculation for electrons andprotons for use with a GPU card, using pre-generated tracks from general-purpose Monte Carlo codes. The algorithm was implemented on the CUDA framework for parallel programming on graphics cards. Comparisons of the algorithm inhomogeneous and inhomogeneous geometry with benchmark Monte Carlo codes yielded agreements within 1% in dose regions of at least 50% of Dmax and up to 3% in low dose regions. A Bragg peak positioning error of less than 1 mm was also observed. Additionally, the limited memory available in commercial graphics cards was overcome by subdividing a mother track bank residing on CPU memory into smaller samples of unique tracks. A method to quantify the latent uncertainty in dose values due to the limited size of a pre-generated track bank was developed. It was shown that the latent uncertainty follows a Poisson distribution as a function of the total number of unique tracks in the track bank. The implementation of the algorithm was found to transport particles in sub-second times per million history for every situation simulated, with speed-ups of 500-2600x for electrons over DOSXYZnrc and 2600-11500x for protons over GEANT4 depending on the particle energies and simulation media. / Les techniques modernes de planification de traitement, telle que la planification inverse, ont augmenté la demande pour des méthodes rapides de calcul de dose pour accomoder le grand nombre de distributions de dose requises pour générer un plan de traitement. Les approches Monte Carlo d'usage général sont réputées pour offrir la plus haute précision au calcul de dose au détriment d'une demande plus élevée en temps de calcul. Cet oeuvre revisite une approche MonteCarlo macroscopique pour le calcul de dose avec électrons et protons en utilisant des traques pré-calculées à l'aide de codes Monte Carlo d'usage général. L'approche a été mise en oeuvre avec la plate-forme de programmation CUDA pour le programmage parallèle sur cartes graphiques. Des comparaisons de l'algorithme dans des phantômes homogènes et hétérogènes contre des codes Monte Carlo de référence ont démontré un accord de 1% et 1 mm ou mieux. En outre, les problèmes associés à la basse mémoire disponible dans les cartes graphiques commercial ont été surmontés à l'aide de la méthode de banque mère de traques pré-calculés. Une méthode pour quantifier l'incertitude latente dans les valeurs de dose dû au nombre limité de traques uniques dans la banque de traques a été développée. L'incertitude latente calculée suit une distribution de Poisson en fonction du nombre total de traques unique dans la banque de traques. Finalement, l'algorithme transporte tous les particules en moins d'une seconde pour chaque millions d'historiques dans chaque situation simulée. Un facteur d'accélération de 500-2600x pour le transport d'électrons comparé à DOSXYZnrc et 2600-11500x pour les protons comparé à GEANT4 a été observé, dépendamment de l'énergie des particules et de l'environnement dans lequel les particules sont transportées.

<p> The current experimental effort to detect neutrinoless double beta decay (0&nu;&beta;&beta;) has encouraged significant interest in understanding the nuclei that are candidates for the observation of this process. The goal of this thesis is to contribute to the current body of work on the germanium isotopes near ⁷⁶Ge, a candidate nucleus currently being used by several large-scale searches for 0&nu;&beta;&beta;. Single-nucleon transfer experiments have been very successful in determining the occupancies of the valence shells in the parent and daughter nuclei ⁷⁶Ge and ⁷⁶Se. However, understanding the ground-state pairing of neutrons in ⁷⁶Ge and protons in ⁷⁶Se is also crucial because 0&nu;&beta;&beta; converts correlated neutron pairs to correlated proton pairs. Neutron pairing in ⁷⁶Ge has been found to be concentrated almost exclusively in the ground state, but studies on the tellurium isotopes have indicated that a fully neutron-paired ground state does not constrain the distribution of proton-pairing strength. This work uses the (³He,n) transfer reaction with a ⁷⁴Ge target to investigate the proton-pairing strength distribution in ⁷⁶Se. It is found that proton pairs transfer predominantly to the ground state of ⁷⁶Se. Proton-pair transfer to excited 0⁺ states in ⁷⁶Se is determined to be less than 4&ndash;8% of the ground-state pair-transfer strength.</p>

<p> The typical fast neutron detector falls into one of two categories, Bonner sphere spectrometers and liquid scintillator proton recoil detectors. These two detector types have traditionally been used to measure fast neutrons at the surface and in low background environments. The cosmogenic neutron spectrum and flux is an important parameter for a number of experimental efforts, including procurement of low background materials and the prediction of electronic device faults. Fast neutrons can also cause problems for underground low-background experiments, through material activation or signals that mimic rare events. Current detector technology is not sufficient to properly characterize these backgrounds. </p><p> To this end, the University of Maryland and the National Institute of Standards and Technology designed, developed, and deployed two Fast Neutron Spectrometers (FaNS) comprised of plastic scintillator and ³He proportional counters. The detectors are based upon capture-gated spectroscopy, a technique that demands a delayed coincidence between a neutron scatter and the resulting neutron capture after thermalization. This technique provides both particle identification and knowledge that the detected neutron fully thermalized. This improves background rejection capabilities and energy resolution. </p><p> Presented are the design, development, and deployment of FaNS-1 and FaNS-2. Both detectors were characterized using standard fields at NIST, including calibrated ²⁵²Cf neutron sources and two monoenergetic neutron generators. Measurements of the surface fast neutron spectrum and flux have been made with both detectors, which are compared with previous measurements by traditional detectors. Additionally, FaNS-1 was deployed at the Kimballton Underground Research Facility (KURF) in Ripplemead, VA. A measurement of the fast neutron spectrum and flux at KURF is presented as well. FaNS-2 is currently installed in a shallow underground laboratory where it is measuring the muon-induced neutron flux and spectrum.</p>