Les faisceaux de photons produits par les accélérateurs d'électrons linéaires médicaux sont plats, grâce à un cône égalisateur. Les technologies ont évolué et la présence d'un cône n'est plus indispensable. On parle alors de faisceaux FFF (flattening filter free). Les faisceaux FFF présentent des débits de dose plus élevés, des profils de dose hétérogènes, des spectres énergétiques différents et une diminution de la dose hors-champ. Cette thèse a eu pour but d'étudier les caractéristiques des faisceaux FFF, ainsi que l'impact de leur utilisation thérapeutique. Plusieurs thématiques ont été. Des expériences d'irradiation in vitro ont tout d'abord permis de s'assurer que les débits de dose FFF n'ont pas d'impact radiobiologique sur la réponse des cellules irradiées. Une large revue de la littérature a permis de corroborer ces résultats. Afin de maitriser les caractéristiques physiques des faisceaux FFF, des mesures ont été faites avec différents détecteurs. Les effets du spectre et du débit de dose sur la calibration en dose ont aussi été étudiés. Les faisceaux FFF ont été modélisés dans deux TPS. Les modèles ont été comparés entre les deux types de faisceaux et entre les deux TPS. La mise en place des traitements stéréotaxiques a aussi été l'occasion d'appréhender la dosimétrie des petits faisceaux. Nous avons étudié des cas VMAT de cancer de la prostate et des cas de stéréotaxies 3D de tumeurs pulmonaires. La comparaison donne un avantage aux faisceaux FFF. La maitrise de la physique et de la biologie des haut débits a permis de débuter les traitements FFF à l'IPC. Des études comparatives nous permettent aujourd'hui d'adapter leur utilisation au cas par cas. / In medical linear electron accelerators, photon beams profiles are homogenised using flattening filters. Technologies have evolved and the presence of this filter is no longer necessary. Flattening filter free (FFF) beams exhibit higher dose rates, heterogeneous dose profiles, modified energy spectra and lower out-of-field dose. This PhD aimed at studying the characteristics of unflattened beams, as well as their impact in clinical utilization. Several subjects were thoroughly investigated: radiobiology, dosimetry, quality controls, modelling and treatment planning. In vitro experiments ensured that the high dose-rate of FFF beams had not a radiobiological impact. A wide review of the literature was conducted to corroborate these results. In order to understand thoroughly the characteristics of FFF beams, measurements were conducted using several detectors. The effect of the spectra and dose rates of unflattened beams on dose calibration were also studied. FFF beams were modeled in two TPSs. The methods, results and model parameters have been compared between the available beam qualities as well as between both TPSs. Furthermore, the implementation of stereotactic treatments technique was the occasion to investigate small beam dosimetry. Prostate cancer cases treated with VMAT and pulmonary tumors treated with stereotactic 3D beams were also studied. The comparison of dose distributions and treatment metrics give advantage to FFF beams. Mastering physical and biological aspects of flattening filter free beams allowed the IPC to start FFF treatments. Comparative studies have since resulted in a deeper understanding on the pertinent use of these beams.

La tomographie par émission de positrons est une technique d'imagerie nucléaire utilisant des noyaux radioactifs. Elle est utilisée dans le domaine clinique et préclinique. Cette dernière nécessite l'utilisation de petits animaux, comme la souris. Comme en imagerie clinique, l'objectif est d'obtenir le meilleur signal avec la meilleure précision spatiale possible. Cependant, un rapport d'échelle homme-souris suggère une résolution inférieure à 1 mm3. Un imageur conventionnel est constitué de modules de détection entourant le patient, orientés radialement. Cette approche lie efficacité et résolution spatiale. Ce travail concerne l'étude de la géométrie axiale. Les éléments de détection sont ici orientés parallèlement à l'objet. Ceci limite la corrélation entre efficacité de détection et résolution spatiale, et ainsi permet d'obtenir une haute résolution et haute sensibilité. La simulation de prototypes a permis d'envisager une résolution spatiale moyenne inférieure au millimètre et une efficacité de 15 ou 40% selon l'extension axiale. Ces résultats permettent de présager de bonnes perspectives en imageries préclinique et clinique.

La planification de traitement en radiothérapie nécessite un calcul précis de la dose délivrée au patient. La méthode la plus fiable pour y parvenir est la simulation du transport des particules par technique Monte Carlo. Cette thèse constitue la première étude concernant la validation de la plateforme de simulation Monte Carlo GATE (GEANT4 Application for Tomographic Emission), basée sur les librairies de GEANT4 (GEometry ANd Tracking), pour le calcul de la dose absorbée déposée par des faisceaux d'électrons. L'objectif de cette thèse est de montrer que GATE/GEANT4 est capable d'atteindre le niveau d'exigences requis pour le calcul de la dose absorbée lors d'une planification de traitement, dans des situations où les algorithmes analytiques, actuellement utilisés dans les services de radiothérapie, n'atteignent pas un niveau de précision satisfaisant. L'enjeu est de prouver que GATE/GEANT4 est adapté pour la planification de traitement utilisant des électrons et capable de rivaliser avec d'autres codes Monte Carlo reconnus. Cet enjeu a été démontré par la simulation avec GATE/GEANT4 de faisceaux et des sources d'électrons réalistes utilisées en radiothérapie externe ou en radiothérapie moléculaire et la production de distributions de dose absorbée en accord avec les mesures expérimentales et avec d'autres codes Monte Carlo de référence pour la physique médicale. Par ailleurs, des recommandations quant à l'utilisation des paramètres de simulation à fixer, assurant un calcul de la distribution de dose absorbée satisfaisant les spécifications en radiothérapie, sont proposées.

La radiothérapie moderne combine les techniques complexes et les traitements personnalisés, avec le risque que certaines évolutions et erreurs ayant lieu au cours de traitement passent inaperçues. Ces aléas peuvent entraîner des conséquences graves pour la santé du patient. Dans cette perspective, nous avons étudié le potentiel d'un système de dosimétrie in vivo de transit pour le suivi continu du patient et, par conséquent, la radiothérapie adaptative. L'expérience clinique et des tests de faisabilité ont permis de définir les axes de travail principaux: l'automatisation et la simplification du procédé d'analyse des contrôles. Les développements incluent la création d'une bibliothèque de données standard et une série d'analyses de causes racines, permettant ainsi de renforcer la précision du système, d'améliorer l'automatisation de sa mise en place et d'identifier des pistes pour une analyse efficace des résultats et pour la création d'outils supplémentaires facilitant le suivi et l'adaptation du traitement en routine clinique. / Modern radiation therapy combines complex techniques and personalized treatments, with the risk that certain evolutions and errors occurring during the course of the treatment might go unnoticed. These fluctuations may cause great damage to the health of the patient. In this perspective, we worked on the potential of a transit in vivo dosimetry system for continuous monitoring of the patient and, hereafter, adaptive radiotherapy. Our clinical experience and feasibility testing determined the main lines of work : automatization and simplification of the results analysis method. The developments included the creation of a golden data library and a series of root cause analyzes, allowing us to strengthen the accuracy of the system, to enhance the automatization of the setup and to identify tracks for an efficient analysis of the results and for the creation of additional analytical tools to facilitate the monitoring and adaptation of the treatments in clinical routine.

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles. / During the past decade, technological developments in radiation therapy have considerably transformed treatment techniques. Novel nonstandard beams improve target dose conformity, but increase the complexity of dosimetry procedures. As recent studies demonstrated the invalidity of these protocols to nonstandard beams, a new protocol applicable to nonstandard beam reference dosimetry is in preparation by the IAEA-AAPM. The first goal of the study is to characterize the factors responsible for non-unity corrections in nonstandard beam dosimetry, and provide conceptual solutions to minimize the magnitude of the corrections. The second goal is to provide methods to estimate uncertainties accurately in nonstandard beam dosimetry, and estimate uncertainty levels achievable in typical clinical situations. Results of this study show that reporting dose to the sensitive volume of the chamber filled with water reduces the correction factor approximately by half under high gradients. A theoretical expression of correction factor is obtained for ideal nonstandard reference fields. In radiochromic film dosimetry, levels of uncertainty of the order of 0.3% are achieved with strict procedures and show great potential for nonstandard beam measurements. Results also suggest that experimental uncertainties in nonstandard beam are an important issue to consider both during daily QA routine and reference dosimetry, and could be a limiting factor in the new generation of protocols.

Les atteintes cardiovasculaires consécutives à la radiothérapie font partie des effets secondaires tardifs soulevant de nombreuses interrogations au sein de la communauté scientifique, notamment du point de vue de la relation dose-Effet et des effets concomitants d’autres facteurs de risque (chimiothérapie, cholestérol, âge, tension artérielle,…). Les coronaropathies post-Radiques sont une des principales causes de morbidité cardiaque. Cependant, l’étude des doses reçues par les coronaires lors d’une radiothérapie requiert des approximations importantes, notamment d’un point de vue morphologique. Pour les études rétrospectives avec des dossiers médicaux anciens, les informations anatomiques sont réduites à des radiographies orthogonales et quelques contours au simulateur. Pour les dossiers médicaux plus récents, l’utilisation de l’imagerie scanner pour la planification de traitement permet la considération d’une anatomie 3D, toutefois extrêmement limitée pour les coronaires en raison d’une résolution et d’un contraste trop faibles. Par ailleurs, lors de la planification de traitement des patients traités actuellement, les doses reçues par les artères coronaires sont rarement quantifiées en clinique, et quand elles le sont, c’est au moyen d’une segmentation par a priori anatomique. Ce travail de thèse propose une utilisation originale des fantômes numériques hybrides afin d’étudier les doses aux coronaires dans le cadre de radiothérapies du sein gauche et du lymphome de Hodgkin.Au cours de la thèse, une méthode d’insertion de fantômes numériques hybrides au format DICOM dans le système de planification de traitement a été développée et validée. Elle a été adaptée et testée avec des informations anatomiques limitées aux radiographies comme c’est le cas pour les dossiers médicaux anciens, pour des traitements du sein gauche.La méthode a également été adaptée pour effectuer des reconstructions dosimétriques précises aux artères coronaires de patients traités par radiothérapie pour un lymphome de Hodgkin médiastinal, ayant bénéficié d’un suivi cardiovasculaire incluant le diagnostic de sténoses coronariennes à l’aide d’un coroscanner. Par une étude cas-Témoin, le risque de sténoses à un segment d’artère coronaire donné a été évalué comme étant multiplié par 1,049 à chaque Gray aditionnel sur la dose médiane au segment d’artère coronaire.Pour les dossiers actuels, les incertitudes associées à l’approche de segmentation par a priori anatomique des artères coronaires ont été estimées dans le cadre du traitement du sein gauche, en simulant différentes topologies réalistes d’artères coronaires dans un unique thorax et en évaluant les doses, pour une balistique donnée avec et sans irradiation de la chaîne mammaire interne. La variabilité inter-Topologique de la dose moyenne à l’artère coronaire la plus irradiée, l’interventriculaire antérieure, a été estimée à respectivement 35%et 19% avec et sans irradiation de la chaîne mammaire interne tandis qu’avec la dose aux 2% du volume de l’artère interventriculaire les plus irradiés, cette variabilité est respectivement de 76% et 49%.Enfin, l’ordre de grandeur des écarts entre des mesures par films radiochromiques et des calculs de dose du système de planification de traitement ISOgray en bordure de champ et hors du champ a été évalué pour des configurations simple (fantôme physique homogène parallélépipédique, champ carré ouvert) et complexe (fantôme physique anthropomorphe avec hétérogénéités, faisceaux tangentiels rectangulaires avec filtres en coin). Ces écarts sont jugés significatifs essentiellement en bordure de champ quelle que soit la configuration. / Cardiovascular diseases following radiotherapy are major secondary late effects raising questions among the scientific community, especially regarding the dose-Effect relationship and confounding risk factors (chemotherapy, cholesterolemia, age at treatment, blood pressure,…). Post-Radiation coronary diseases are one of the main causes of cardiac morbidity. Some approximations are made when coronary doses due to radiotherapy are estimated, especially regarding the morphology. For retrospective studies with old medical records, only radiographs are usually available with sometimes some contours made with a simulator. For recent medical records, CT scans displaying the anatomy in 3D are used for radiotherapy simulation but do not allow the coronary artery visualization due to low resolution and contrast. Currently, coronary doses are barely assessed in clinical practice, and when it is done, anatomical prior knowledge is generally used. This thesis proposes an original approach based on hybrid computational phantoms to study coronary artery doses following radiotherapy for left-Side breast cancer and Hodgkin lymphoma.During the thesis, a method inserting hybrid computational phantoms in a DICOM format into the treatment planning system has been developed and validated. It has been adapted and tested in conditions where only radiographs provide anatomical information, as with old medical records for left side breast radiotherapy.The method has also been adapted to perform precise dose reconstructions to the coronary artery for patients treated for a mediastinal Hodgkin lymphoma and diagnosed with coronary stenosis through a coroscanner. A case-Control study was carried out and the risk of coronary stenosis on a coronary artery segment was assessed to be multiplied by 1.049 at each additional gray on the median dose to the coronary artery segment.For recent medical records, coronary doses uncertainties related to an approach by anatomical prior knowledge segmentation were estimated for a left side breast radiotherapy by simulating different realistic coronary artery topologies in a single representative thorax anatomy and calculating doses due to beam sets, with and without irradiation of the internal mammary chain. The inter-Topology variability of the mean dose to the most irradiated coronary artery, the left descending coronary artery, was assessed to 35% and 19% with and without the internal mammary chain irradiation, respectively; and it was of 76% and 49%, respectively, considering the dose to the most irradiated 2% of this coronary artery volume.Finally, an order of magnitude of the differences between measurments by radiochromic films and dose calculations by the ISOgray treatment planning system in the peripheral field area, has been estimated by for both a simple configuration (parallelepiped physical phantom, homogeneous media, open square field) and a complex configuration (anthropomorphic physical phantom, heterogeneous media, rectangular tangential beams with wedge filter). These differences were judged significant essentially around the geometrical border of the irradiation field for both configuration.

The general context of this work is the use of low energy photon sealed sources in brachytherapy. We have worked in particular on two isotopes: I-125 (mean energy of 27 keV) and Pd-103 (mean energy of 21 keV). The sealed sources are prepared as cylindrical seeds 4.5 mm in length and 0.8 mm in radius. Even if the external dimensions are standard, the internal design can be extremely different from one model to the other as the manufacturers try to improve the dosimetric characteristics of their sources. These isotopes are used mainly as permanent implants for prostate tumours but can also be used in the treatment of eye tumours. Compared to the higher energy photon sources, they offer the physical advantages of a safer manipulation from a radioprotection point of view and of the reduction of the dose to the surrounding healthy tissues. When performing a clinical treatment, it is absolutely mandatory to be able to report very precisely various parameters that can have an impact on the patient treatment outcomes. These parameters are, for example, the prescribed dose, the doses at different organs, the degree of uniformity that has been achieved on the target or some dose-volume information. The brachytherapy treatment planning systems (TPS) also permit more and more to conform the treatment to the patient anatomy, like in external treatments. In the case of prostate tumours, it has been possible for a few years, using ultrasound imaging, to check the positioning of the seeds and to calculate the dose distribution in real time during the implantation procedure. It is clear that to achieve a good precision in the treatment itself, the sources dosimetric characteristics must be known with a maximum of precision. As at these low energies the dosimetric characteristics are very dependant on the internal design, this implies a thorough study of any new source design. This is the subject of the first part of this work with the determination of the dosimetric characteristics of two new models of seed produced by the IBt Company. That determination has been done using measurements with thermoluminescent detectors and Monte Carlo calculations with two codes: MCNP4C and EGSnrc. The comparison of these two codes with the measurements has brought into evidence the necessity to use up to date cross section libraries during the calculations and to take into account the presence of the detectors during the measurements. However, the dosimetry is only one part of the problem when dealing with these low energy sources in radiotherapy. The irradiated materials are complex living tissues, composed of many substructures on which radiations have not always the same impact. It is now largely accepted that the most radiosensitive part of a living cell is the DNA. When photons interact with matter, they produce electrons that deposit their energy as ionisations and excitations of the atoms. These ionisations, if they occur with or close to the DNA molecule, are responsible for damaging it. That structure can support a certain amount of damage and stay functional thanks to repair mechanisms, but these mechanisms have limits in the way they can handle multiple breaks in the DNA strands. If these breaks are too close in space and time, repair is not possible and the cell dies. The density of ionisations increases when the energy of the incoming photon decreases so it is expected that low energy photons will have a higher efficiency at killing cells and so a higher Relative Biological Effect than high energy photons. To study that subject, one must reduce the volume of matter considered during energy deposition events to reach the sizes relevant for cells, micron or even nanometre volumes. That is why the part of radiation physics dealing with that problem is called microdosimetry. The second part of this work is dedicated to a theoretical microdosimetric study of these low energy photon sources using the microdosimetric functions for volumes of 1µm and a cluster analysis study for nanometric volumes. The two types of studies show that the photons of 20-30 keV are effectively more biologically efficient than high energy photons. The microdosimetric results give a ratio of the relative to Co-60 of 2.6 for Pd-103 and 2.2 for I-125, which is concordant with the experimental values published by Wuu et al. (1996). The cluster analysis also shows that the electrons generated by photons of 20-30 keV produce more high order clusters than electrons of 300 keV. The mean cluster order for clusters of 10 nm is 3.0 for Pd-103 and is 3.3 for I-125 compared to 2.1 for electrons of 300 keV. In this case, I-125 shows a higher mean cluster order, which is related to a potentially higher biological efficiency. This is explained by the fact that I-125 photons interact with a probability of 51% by Compton Effect, when that probability decreases to 27% for Pd-103. Compton interactions generate a high number of very low electrons that deposit their energy very locally with a very high density of ionisations. More radiobiological studies are needed to determine which volume site is more relevant and therefore which kind of study better reflects the reality. / Le cadre général de ce travail est l'utilisation de sources scellées de photons de basse énergie en curiethérapie. Nous avons travaillé en particulier avec deux isotopes : I-125 (énergie moyenne de 27 keV) et le Pd-103 (énergie moyenne de 21 keV). Les sources scellées se présentent sous la forme de grains cylindriques de 4.5 mm de long et 0.8 mm de rayon. Bien que les dimensions externes soient standards, la configuration interne peut être extrêmement différente d'un modèle à l'autre vu que les fabricants essaient d'améliorer les caractéristiques dosimétriques de leurs sources. Ces isotopes sont utilisés comme implants permanents pour les tumeurs de la prostate mais peuvent aussi être utilisés dans le traitement des tumeurs ophtalmiques. Comparés aux sources de plus haute énergie, ils offrent l'avantage physique d'une manipulation plus facile du point de vue de la radioprotection et d'une réduction de la dose aux tissus sains avoisinants. Lors d'un traitement clinique, il est important de pouvoir rapporter précisément certains paramètres qui peuvent avoir un impact sur les résultats du traitement pour le patient. Ces paramètres sont par exemple la dose prescrite, les doses à différents organes, le degré d'uniformité atteint sur le volume cible ou certaines information dose-volume. Les systèmes de calcul de dose pour la curiethérapie permettent également de mieux en mieux de conformer le traitement à l'anatomie du patient, comme en radiothérapie externe. Dans le cas des tumeurs de la prostate, il est possible depuis quelques années de vérifier la position des sources et de calculer les distributions de dose en temps réel lors de l'implantation grâce à l'utilisation d'une sonde ultrason. Il est clair que pour arriver à une bonne précision lors du traitement lui-même, il est indispensable de connaître les caractéristiques dosimétriques des sources avec un maximum de précision. Vu que, à ces basses énergies, les caractéristiques dosimétriques sont très dépendantes de la structure interne de sources, cela implique une étude minutieuse et complète de chaque nouveau modèle de grain mis sur le marché. Ceci forme le cadre de la première partie de ce travail qui est la détermination des caractéristiques dosimétriques de deux nouveaux modèles de grains produits par la compagnie IBt. Cette détermination a été réalisée grâce à l'utilisation de détecteurs thermoluminescents et de calculs de Monte Carlo avec deux codes : MCNP4C et EGSnrc. La comparaison de ces deux codes avec les mesures a permit de mettre en évidence la nécessité d'utiliser des bibliothèques de sections efficaces récentes lors des calculs et de prendre en compte la présence des détecteurs lors des mesures. Cependant, la dosimétrie est seulement une partie du problème de l'étude des sources de basse énergie utilisée en radiothérapie. Les milieux irradiés sont des tissus vivants complexes, composés de plusieurs sous-structures sur lesquelles les radiations n'ont pas toujours le même effet. Il est maintenant largement accepté que la partie la plus radiosensible d'une cellule vivante est la molécule d'ADN. Lorsque des photons interagissent avec la matière, ils produisent des électrons qui eux-mêmes déposent leur énergie sous forme d'ionisation et d'excitations des atomes. Ces ionisations, si elles se passent à proximité ou dans la molécule d'ADN, peuvent endommager celle-ci. Cette structure peut supporter une certaine quantité de dommages tout en restant fonctionnelle grâce à des mécanismes de réparation, mais ces mécanismes connaissent des limitations dans la manière dont ils peuvent gérer les cassures multiples des brins d'ADN. Si ces cassures sont trop proches dans le temps et l'espace, la réparation n'est plus possible et la cellule meurt. La densité d'ionisation augmente lorsque l'énergie du photon décroît. Il est donc attendu que les photons de basse énergie auront un efficacité accrue pour tuer les cellules et donc une plus haute Efficacité Biologique Relative que les photons de haute énergie. Pour étudier cet effet, il faut réduire le volume de matière considéré lors des évènements responsables du dépôt d'énergie afin d'atteindre des dimensions d'un ordre représentatif pour les cellules, microns ou même nanomètres. C'est pourquoi la partie de la physique des radiations dédiée à ce problème est appelée microdosimétrie. La seconde partie de ce travail est dédiée à une étude microdosimétrique théorique des ces sources de photons de basse énergie utilisant le concept de fonctions microdosimétriques pour des volumes de 1 µm et une analyse de cluster pour des volumes de l'ordre du nanomètre. Les deux types d'étude montrent que les photons de 20-30 keV sont effectivement plus efficaces radiobiologiquement que les photons de hautes énergie. Les résultats microdosimétriques donnent un rapport de yD relatif au Co-60 de 2.6 pour le Pd-103 et de 2.2 pour l'I-125, ce qui est concordant avec les valeurs expérimentales publiées par Wuu et al. (1996). L'analyse de cluster montre aussi que les électrons générés par les photons de 20-30 keV produisent plus de clusters d'ordre élevé que les électrons de 300 keV. L'ordre de cluster moyen pour des clusters de 10 nm est de 3.0 pour le 103Pd et de 3.3 pour l'I-125 comparé à 2.1 pour des électrons de 300keV. Dans ce cas, l'I-125 montre un ordre de cluster moyen plus élevé, ce qui est lié à une efficacité biologique potentiellement plus élevée. Ceci est expliqué par le fait que les photons de l'I-125 interagissent par effet Compton avec une probabilité de 51 %, cette probabilité tombe à 27 % dans le cas du Pd-103. Les interactions Compton génèrent un grand nombre d'électrons de très basse énergie qui déposent leur énergie très localement avec une très haute densité d'ionisations. D'autres études biologiques sont nécessaires pour déterminer quel volume est plus adapté et donc quel type d'étude reflète le mieux la réalité.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude de nouvelles modalités de guidage de la thérapie transcrânienne par ultrasons focalisés, technique non invasive particulièrement prometteuse pour le traitement de troubles neurologiques tels que le tremblement essentiel ou le tremblement parkinsonien. Une nouvelle technique d'imagerie par résonance magnétique a tout d'abord été utilisée pour imager l'emplacement du faisceau ultrasonore produit par un prototype préclinique : les déplacements induits par les ultrasons dans une cervelle de veau ex vivo ont été imagés sans distorsion à l'aide d'une séquence d'écho de spin accélérée, avec un dépôt d'énergie jusqu'à quatre fois inférieur aux techniques existantes. Nous avons ensuite étudié les effets directs des ultrasons sur l'activité cérébrale par neuromodulation ultrasonore in vivo, de façon similaire à la stimulation magnétique transcrânienne, mais avec les capacités de ciblage millimétriques des ultrasons focalisés. Des expériences ont été tout d'abord menées sur un modèle de rat anesthésié afin d'étudier la pression seuil pouvant induire un effet moteur. Le champ acoustique simulé dans la tête de rat est fortement affectée par des réverbérations, ce qui doit être pris en compte pour l'évaluation in situ des paramètres acoustiques de neurostimulation, en particulier à basse fréquence et pour les petits animaux. Enfin, pour la première fois, nous avons montré que les ultrasons focalisés de faible intensité pouvaient moduler de façon causale le comportement d'un primate non humain éveillé: le temps de latence d'une tâche d'anti-saccade est retardé de façon significative par des ultrasons focalisés dans le champ visuel frontal.

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles. / During the past decade, technological developments in radiation therapy have considerably transformed treatment techniques. Novel nonstandard beams improve target dose conformity, but increase the complexity of dosimetry procedures. As recent studies demonstrated the invalidity of these protocols to nonstandard beams, a new protocol applicable to nonstandard beam reference dosimetry is in preparation by the IAEA-AAPM. The first goal of the study is to characterize the factors responsible for non-unity corrections in nonstandard beam dosimetry, and provide conceptual solutions to minimize the magnitude of the corrections. The second goal is to provide methods to estimate uncertainties accurately in nonstandard beam dosimetry, and estimate uncertainty levels achievable in typical clinical situations. Results of this study show that reporting dose to the sensitive volume of the chamber filled with water reduces the correction factor approximately by half under high gradients. A theoretical expression of correction factor is obtained for ideal nonstandard reference fields. In radiochromic film dosimetry, levels of uncertainty of the order of 0.3% are achieved with strict procedures and show great potential for nonstandard beam measurements. Results also suggest that experimental uncertainties in nonstandard beam are an important issue to consider both during daily QA routine and reference dosimetry, and could be a limiting factor in the new generation of protocols.

Les techniques de radiothérapie externe ont beaucoup évolué ces vingt dernières années. Pour les photons, le développement d'outils comme les collimateurs multilames, de machines comme le cyberknife ou la tomothérapie, ont permis d'améliorer la conformation des traitements au volume tumoral et de diminuer la dose maximale aux tissus sains. Dans un autre registre, l'usage de la protonthérapie s'élargi t dans tous les pays et l'hadronthérapie par ions carbone commence également à prendre son essor. Si les techniques s'améliorent, les exigences de contrôle de la dose administrée aux patients sont toujours les mêmes. Ce document expose, en premier lieu, les tenants et aboutissants des différentes techniques de radiothérapie externe : traitements photons, protonthérapie et hadronthérapie. Partant du fondement des exigences cliniques, il établit les grandeurs qu'il faut mesurer pour garantir la qualité du traitement pour les différentes modalités envisagées. Il expose ensuite quelques réalisations, basées sur des cahiers des charges précis et rigoureux, dans le domaine du contrôle et de la mesure des faisceaux délivrés par les équipements de radiothérapie externe. Deux techniques instrumentales sont particulièrement développées, la dosimétrie par scintillateurs plastiques pour le contrôle des faisceaux de photons et la dosimétrie par chambre d'ionisations appliquée à la protonthérapie ou aux expériences de radiobiologie menées sur l'installation de GANIL. Les analyses et les perspectives, basées sur les évolutions récentes des machines de traitement, sont livrées en conclusion et pourront servir de guide pour les développements instrumentaux futurs.