Une nouvelle modalité de radiothérapie, la micro-curiethérapie, est en cours de développement. Cette thérapie cible des tumeurs solides inopérables en effectuant des injections de liquide contenant des microsphères radioactives en suspension. Plusieurs injections sont nécessaires pour suffisamment irradier la zone tumorale et donc, afin d'optimiser le positionnement de ces injections, une méthode de planification de traitement nécessaire a été développée et validée au cours de cette thèse. Tout au long de ce travail, trois thèmes principaux seront discutés : • Comment réaliser la dosimétrie particulière de cette micro-curiethérapie ? • Comment effectuer la planification de traitement pour cette modalité ? • Comment optimiser le plan de traitement afin qu'il soit le plus efficace possible ? La dosimétrie en micro-curiethérapie a été réalisée en calculant la distribution de dose absorbée pour une injection. Cette distribution a été convoluée à la position des autres injections dans la tumeur pour calculer la distribution de dose absorbée dans le patient. Pour effectuer la dosimétrie spécifique dans la tumeur et les organes à risque, les histogrammes dose-volume (HDV) ont été extraits et analysés. Une fois la méthode de dosimétrie établie, nous avons développé une méthodologie de planification de traitement pour développer et optimiser le plan pour chaque patient. Pour cela, nous avons testé et comparé trois algorithmes : la méthode de Nelder-Mead, l'algorithme des abeilles et l'algorithme "Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II" (NSGA II). Nous avons montré que, grâce à l'optimisation multiobjectif, le NSGA II donne plus de liberté à l'utilisateur ; c'est pourquoi il a été utilisé par la suite. Enfin, nous avons effectué une comparaison entre les paramètres d'injection. Nous avons mis en évidence qu'entre les radio-isotopes 90Y, 166Ho, 131I and 177Lu, les injections de 90Y sont optimales. Nous avons testé des injections de 5, 10 et 20 µL et des activités initiales de 5, 10 et 20 MBq. Nous avons trouvé que des injections de 20 µL avec 20 MBq sont optimales car celles-ci permettent de minimiser le nombre d'injections requis. Cette nouvelle technologie associée aux développements réalisés dans ses travaux démontre la faisabilité, qui a pu être validée sur animal, de pouvoir injecter un liquide contenant des microsphères radioactives en suspension afin de pouvoir traiter efficacement, tout en préservant les tissus sains environnants, des tumeurs inopérables encore de mauvais pronostic aujourd'hui, mais surement mieux prises en charge dans un proche avenir. / An innovative form of radiotherapy, microbrachytherapy, is under development. This therapy targets solid, inoperable tumours by performing injections of liquid containing radioactive microspheres in suspension. Many injections are required to sufficiently cover the tumoural volume, and so to be able to deliver the position of these injections, a method of treatment planning has been developed and validated throughout this research. Throughout this work, three main questions are addressed: • How to perform the dosimetry for microbrachytherapy? • How to perform treatment planning for this modality? • What are the optimal injection properties to deliver the most efficient treatment? Microbrachytherapy dosimetry was performed by calculating the absorbed dose distribution for an injection. This distribution was then convolved at each injection position within the tumour to calculate the patient's absorbed dose distribution. Dosimetry of the tumour and the organs at risk was performed by extracting and analysing dose-volume histograms (DVHs). Once a method of dosimetry was put in place, optimisation algorithms were developed to generate patient-specific treatment plans. For this, three algorithms were tested and compared: Nelder-Mead Simplex, the Bees algorithm and the non-dominated sorting genetic algorithm II. It was found that, thanks to its MO optimisation, the non-dominated sorting algorithm II was the most flexible, and was used preferentially. Lastly, a comparison of injection parameters was performed. It was found that between 90Y, 166Ho, 131I and 177Lu, optimal injections consisted of microspheres of 90Y. Injection volumes of 5, 10 and 20 µL and initial activities of 5, 10 and 20 MBq were tested. It was found that 20 µL injections with 20 MBq were optimal because they minimise the number of injections required. This new technology combined with developments shown in this work demonstrate the feasibility - that was validated on animals - the ability to inject liquid containing radioactive microspheres in suspension to efficiently treat inoperable tumours whilst protecting surrounding healthy tissue. Such tumours, despite still having a poor prognosis, will surely have better support in the near future.

Techniques médicales en plein essor suscitant d’importants espoirs thérapeutiques, les radiothérapies internes vectorisées (RIV) consistent à administrer un radiopharmaceutique pour traiter sélectivement les tumeurs. A l’heure actuelle, l’activité injectée au patient est généralement standardisée. Cependant, afin d’établir des relations dose-effet robustes et d’optimiser le traitement en préservant au mieux les tissus sains, une dosimétrie personnalisée doit être réalisée, à l’image des pratiques cliniques existant en radiothérapie externe. Dans ce cadre, l’objectif de la thèse était de développer, à l’aide du logiciel OEDIPE, une méthode de dosimétrie personnalisée reposant sur des calculs Monte Carlo directs. La méthode mise au point permet de calculer la distribution tridimensionnelle des doses absorbées en fonction de l’anatomie du patient, définie à l’aide d’images TDM ou IRM, ainsi que de la biodistribution de l’activité spécifique au patient, définie à partir de données d’émission TEMP ou TEP. Des aspects radiobiologiques, tels que les différences de radiosensibilité et de vitesse de réparation entre les tissus sains et les lésions tumorales, ont également été intégrés par l’intermédiaire du modèle linéaire-quadratique. Cette méthode a été appliquée à la radiothérapie interne sélective (SIRT) qui consiste à injecter des 90Y-microsphères pour traiter sélectivement les cancers hépatiques inopérables. Les distributions des doses absorbées et doses biologiques efficaces (BED) ainsi que les doses biologiques efficaces équivalentes uniformes (EUD) aux lésions hépatiques ont été calculées à partir des distributions d’activité de l’étape d’évaluation aux 99mTc-MAA pour 18 patients traités à l’hôpital européen Georges Pompidou. Ces résultats ont été comparés aux méthodes classiques utilisées en clinique et l’intérêt d’une dosimétrie précise et personnalisée pour la planification de traitement a été étudié. D’une part, la possibilité d’augmenter l’activité de manière personnalisée a été mise en évidence par le calcul de l’activité maximale injectable au patient en fonction de critères de tolérance donnés aux organes à risque. D’autre part, l’utilisation des grandeurs radiobiologiques a également permis d’évaluer l’apport potentiel de protocoles fractionnés en SIRT. L’outil développé peut donc être utilisé comme aide à l’optimisation des plans de traitement. En outre, une étude a été initiée en vue d’améliorer la reconstruction des données post-traitement de la TEMP-90Y. L’évaluation à partir de ces données des doses délivrées lors du traitement pourra permettre, d’une part, de prédire le contrôle tumoral et d’anticiper le risque de toxicité aux tissus sains et, d’autre part, d’établir des relations dose-effet précises pour ces traitements. / Medical techniques in full expansion arousing high therapeutic expectations, targeted radionuclide therapies (TRT) consist of administering a radiopharmaceutical to selectively treat tumors. Nowadays, the activity injected to the patient is generally standardized. However, in order to establish robust dose-effect relationships and to optimize treatments while sparing healthy tissues at best, a personalized dosimetry must be performed, just like actual clinical practice in external beam radiotherapy. In that context, this PhD main objective was to develop, using the OEDIPE software, a methodology for personalized dosimetry based on direct Monte Carlo calculations. The developed method enables to calculate the tridimensional distribution of absorbed doses depending on the patient anatomy, defined from CT or MRI data, and on the patient-specific activity biodistribution, defined from SPECT or PET data. Radiobiological aspects, such as differences in radiosensitivities and repair time constants between tumoral and healthy tissues, have also been integrated through the linear-quadratic model. This methodology has been applied to the selective internal radiation therapy (SIRT) which consists in the injection of 90Y-microspheres to selectively treat unresectable hepatic cancers. Distributions of absorbed doses and biologically effective doses (BED) along with the equivalent uniform biologically effective doses (EUD) to hepatic lesions have been calculated from 99mTc-MAA activity distributions obtained during the evaluation step for 18 patients treated at hôpital européen Georges Pompidou. Those results have been compared to classical methods used in clinics and the interest of accurate and personalized dosimetry for treatment planning has been investigated. On the one hand, the possibility to increase the activity in a personalized way has been highlighted with the calculation of the maximal activity that could be injected to the patient while meeting tolerance criteria on organs at risk. On the other hand, the use of radiobiological quantities has also enabled to evaluate the potential added value of fractionated protocols in SIRT. The developed tool can thus be used as a help for the optimization of treatment plans. Moreover, a study has been initiated to improve the reconstruction of post-treatment data from 90Y-SPECT. The estimation from those data of doses delivered during treatment could allow to predict tumoral control and to anticipate healthy tissues toxicity as well as to establish precise dose-effect relationships for those treatments.

Dans le contexte de l’amélioration des traitements de radiothérapie, la planification de traitement sur image par résonance magnétique (IRM) présente l’avantage de supprimer les incertitudes des contours liées au recalage avec l’image de scanographie (CT). L’objectif principal de la thèse est de contribuer au développement de méthodes de génération de CT synthétique (pCT) à partir de l’IRM et d’évaluer leurs incertitudes sur la dose planifiée par calcul Monte Carlo dans le cadre de la stéréotaxie intracrânienne.Dans la première partie, une calibration stœchiométrique du CT a été réalisée. Celle-ci a été intégrée à un système de contrôle qualité des plans de traitement par simulation Monte Carlo. Nous avons ensuite démontré la précision des calculs Monte Carlo sur la base de la seule connaissance de la quantité d’hydrogène présente dans les tissus en utilisant cette calibration. La quantification de l’hydrogène des tissus à partir de séquences IRM a ensuite été étudiée théoriquement et expérimentalement.La seconde partie concerne la génération d’un pCT par méthode atlas avec prise en compte de l’intensité des voxels IRM (séquence 3D T1). Une étude dosimétrique sur une cohorte de patients a été menée afin d’évaluer la qualité de la méthode. Des solutions ont été proposées afin d’améliorer le résultat de la méthode dans les cas anatomiques particuliers La génération de pCT à partir d’une IRM permettra de supprimer l’examen CT de la pratique routinière, menant à une simplification du flux de travail, une diminution des coûts, et à une intégration cohérente avec les machines de traitement couplées à un scanner IRM. / In the context of quality assurance of radiotherapy treatment , magnetic resonance imaging (MRI)-only treatment planning removes contour uncertainties originating from image registration between MRI and computed tomography (CT). The main aim of the thesis is to develop methods to generate synthetic CT (pCT) from MRI and to evaluate uncertainties on Monte Carlo planned dose within the framework of stereotactic radiosurgery. In the first chapter, stoichiometric calibration of the CT was realized. This was integrated into our Monte Carlo-based treatment plan quality control system. Using this calibration, we demonstrated that only the hydrogen content of tissues is required to perform accurate Monte Carlo dose calculations. Tissue hydrogen quantification from MRI sequences was then theoretically and experimentally studied. The second part concerns pCT generation from a conventional 3D T1-weighted sequence using an in-house atlas-based deformation method, where MRI intensity is taken into account while generating the pCT. A dosimetric study on a patient cohort was performed to evaluate the performance of the method. Several solutions were proposed in order to improve the results in the case of a particular patient anatomy. pCT generation from MRI will allow to remove the CT exam from routine practice, which will lead to a workflow simplification, a cost diminution, and a consistent integration of clinical practice when using treatment machines with an integrated MRI scanner.

L'objectif principal de cette thèse est de développer et optimiser les algorithmes caractérisant les propriétés physiques et biologiques des mini-faisceaux de protons pour la réalisation des traitements avec modulation d'intensité. Un modèle basé sur la superposition et décomposition des mini-faisceaux en faisceaux élémentaires a été utilisé. Un nouveau modèle de description des mini-faisceaux primaires a été développé à partir de la sommation de trois fonctions gaussiennes. Les algorithmes ont été intégrés dans un logiciel de planification de traitement, puis validés expérimentalement et par comparaison avec des simulations Monte Carlo. Des approximations ont été réalisées et validées afin de réduire les temps de calcul en vue d'une utilisation clinique. Dans un deuxième temps, un travail en collaboration avec les équipes de radiobiologie de l'institut Curie a été réalisé afin d'introduire des résultats radiobiologiques dans l'optimisation biologique des plans de traitement. En effet, les faisceaux balayés sont délivrés avec des débits de dose très élevés (de 10 à 100 Gy/s) et de façon discontinue, et l'efficacité biologique des protons est encore relativement méconnue vue la diversité d'utilisation de ces faisceaux : les différents modèles disponibles et notamment leur dépendance avec le transfert d'énergie linéique ont été étudiés. De bons accords (écarts inférieurs à 3 % et 2 mm) ont été obtenus entre calculs et mesures de dose. Un protocole d'expérimentation pour caractériser les effets des hauts débits pulsés a été mis en place et les premiers résultats obtenus sur une lignée cellulaire suggèrent des variations d'efficacité biologique inférieures à 10 %, avec toutefois de larges incertitudes. / The main objective of this thesis is to develop and optimize algorithms for intensity modulated proton therapy, taking into account the physical and biological pencil beam properties. A model based on the summation and fluence weighted division of the pencil beams has been used. A new parameterization of the lateral dose distribution has been developed using a combination of three Gaussian functions. The algorithms have been implemented into a treatment planning system, then experimentally validated and compared with Monte Carlo simulations. Some approximations have been made and validated in order to achieve reasonable calculation times for clinical purposes. In a second phase, a collaboration with Institut Curie radiobiological teams has been started in order to implement radiobiological parameters and results into the optimization loop of the treatment planning process. Indeed, scanned pencil beams are pulsed and delivered at high dose rates (from 10 to 100 Gy/s), and the relative biological efficiency of protons is still relatively unknown given the wide diversity of use of these beams: the different models available and their dependence with linear energy transfers have been studied. A good agreement between dose calculations and measurements (deviations lower than 3 % and 2 mm) has been obtained. An experimental protocol has been set in order to qualify pulsed high dose rate effects and preliminary results obtained on one cell line suggested variations of the biological efficiency up to 10 %, though with large uncertainties.

Au-delà des techniques conventionnelles de diagnostic et de suivi du cancer, l’analyse radiomique a pour objectif de permettre une médecine plus personnalisée dans le domaine de la radiothérapie, en proposant une caractérisation non invasive de l’hétérogénéité tumorale. Basée sur l’extraction de paramètres quantitatifs avancés (histogrammes des intensités, texture, forme) issus de l’imagerie multimodale, cette technique a notamment prouvé son intérêt pour définir des signatures prédictives de la réponse aux traitements. Dans le cadre de cette thèse, des signatures de la récidive des cancers du col utérin ont notamment été développées, à partir de l’analyse radiomique seule ou en combinaison avec des biomarqueurs conventionnels, apportant des perspectives majeures dans la stratification des patients pouvant aboutir à une adaptation spécifique de la dosimétrie.En parallèle de ces études cliniques, différentes barrières méthodologiques ont été soulevées, notamment liées à la grande variabilité des protocoles et technologies d’acquisition des images, qui entraîne un biais majeur dans les études radiomiques multicentriques. Ces biais ont été évalués grâce à des images de fantômes et des images multicentriques de patients pour l’imagerie TEP, et deux méthodes de correction de l’effet de stratification ont été proposées. En IRM, une méthode de standardisation des images par harmonisation des histogrammes a été évaluée dans les tumeurs cérébrales.Pour aller plus loin dans la caractérisation de l’hétérogénéité intra-tumorale et permettre la mise en œuvre d’une radiothérapie personnalisée, une méthode d’analyse locale de la texture a été développée. Adaptée particulièrement aux images IRM de tumeurs cérébrales, ses capacités à différencier des sous-régions de radionécrose ou de récidive tumorale ont été évaluées. Dans ce but, les cartes paramétriques d’hétérogénéité ont été proposées à des experts comme des séquences IRM additionnelles.À l’issue de ce travail, une validation dans des centres extérieurs des modèles développés, ainsi que la mise en place d’essais cliniques intégrant ces méthodes pour personnaliser les traitements seront des étapes majeures dans l’intégration de l’analyse radiomique en routine clinique. / Beyond the conventional techniques of diagnosis and follow-up of cancer, radiomic analysis allows to personalize radiotherapy treatments, by proposing a non-invasive characterization of tumor heterogeneity. Based on the extraction of advanced quantitative parameters (histograms of intensities, texture, shape) from multimodal imaging, this technique has notably proved its interest in determining predictive signatures of treatment response. During this thesis, signatures of cervical cancer recurrence have been developed, based on radiomic analysis alone or in combination with conventional biomarkers, providing major perspectives in the stratification of patients that can lead to dosimetric treatment plan adaptation.However, various methodological barriers were raised, notably related to the great variability of the protocols and technologies of image acquisition, which leads to major biases in multicentric radiomic studies. These biases were assessed using phantom acquisitions and multicenter patient images for PET imaging, and two methods enabling a correction of the stratification effect were proposed. In MRI, a method of standardization of images by harmonization of histograms has been evaluated in brain tumors.To go further in the characterization of intra-tumor heterogeneity and to allow the implementation of a personalized radiotherapy, a method for local texture analysis has been developed. Specifically adapted to brain MRI, its ability to differentiate sub-regions of radionecrosis or tumor recurrence was evaluated. For this purpose, parametric heterogeneity maps have been proposed to experts as additional MRI sequences.In the future, validation of the predictive models in external centers, as well as the establishment of clinical trials integrating these methods to personalize radiotherapy treatments, will be mandatory steps for the integration of radiomic in the clinical routine.

L’imagerie proton est étudiée comme alternative à la tomodensitométrie X pour la planification de traitement en hadronthérapie. En obtenant directement les pouvoirs d’arrêt relatifs des tissus, l’incertitude sur le parcours des particules pourrait être réduite. Un scanner à protons est constitué d’un calorimètre ou d’un détecteur de parcours afin d’obtenir l’information sur l’énergie déposée par chaque proton dans l’objet imagé et de deux ensembles de trajectographes enregistrant la position et direction de chaque particule en amont et en aval de l’objet. Ce travail concerne l’étude des données d’un scanner à protons et l’utilisation possible de toutes les informations enregistrées. Une étude de reconstruction d’image a permis de montrer que les informations sur le taux de transmission et sur la déviation de chaque particule peuvent être utilisées pour produire des images aux propriétés visuelles intéressantes pour le diagnostic. La preuve de concept de la possibilité d’une imagerie quantitative utilisant ces informations est présentée. Ces résultats sont une première étape vers l’imagerie proton utilisant toutes les données enregistrées. / Proton computed tomography is being studied as an alternative to X-ray CT imaging for charged particle therapy treatment planning. By directly mapping the relative stopping power of the tissues, the uncertainty on the range of the particles could be reduced. A proton scanner consists in a calorimeter or range-meter to obtain the information on the energy lost by each proton in the object, as well as two sets of tracking planes to record the position and direction of each particle upstream and downstream from the object. This work concerns the study of the outputs of a proton scanner and the possible use of all the recorded information. A reconstruction study made it possible to show that the information on the transmission rate and on the scattering of each particle can be used to produce images with visual properties that could be of interest for diagnostics. The proof of concept of the possibility of quantitative imaging using this information is also put forward. These results are the first step towards a clinical use of proton imaging with all the recorded data.

En radiothérapie externe, l'imagerie par rayons X (CT-scan et CBCT) est l'imagerie de référence pour la planification et la délivrance du traitement. Le CT-scan permet l'accès aux densités électroniques des tissus, requises pour le calcul de dose. Le CBCT permet le positionnement du patient, le tracking et le gating de la tumeur. Cependant, l'imagerie par rayons X présente un faible contraste entre les tissus mous et est irradiante. Grâce à un meilleur contraste, l'IRM pourrait améliorer le positionnement du patient, la délinéation des volumes d'intérêt, et le ciblage de la dose. L'IRM présente ainsi un intérêt majeur pour la planification de radiothérapie. L'objectif de cette thèse a été premièrement d'optimiser un protocole d'acquisition d'images IRM de la sphère ORL, avec patient en position de traitement. Le second objectif a été de réaliser une dosimétrie à partir de l'IRM. Cependant, à contrario du CT-scan, l'IRM ne fournit pas la densité électronique des tissus. Pour palier cela, une méthode patch-based (PBM) et une méthode de deep learning (DLM) ont été utilisées pour générer des pseudo-CT, et calculer la dose. La DLM fut un réseau antagoniste génératif et la PBM fut développée en utilisant une recherche de patchs similaires avec des descripteurs d'images. Ces méthodes ont été évaluées et comparées à une méthode atlas (ABM) et une méthode d'assignation de densité (BDM) à partir de critères de jugement images et dosimétriques. La DLM et la PBM apparurent comme les méthodes les plus précises. La DLM fut la méthode la plus rapide et robuste aux variations anatomiques. / In external beam radiotherapy, X-ray imaging (CT-scan and CBCT) is the main imaging modality for treatment planning and dose delivery. CT-scan provides the electron density information required for dose calculation. CBCT allows fast imaging for patient positioning, tracking and gating of the tumor. However, X-ray imaging has a poor soft tissue contrast, and it is an ionizing imaging, in contrast of MRI. Thanks to this better soft tissue contrast, MRI could improve patient positioning, tumor and organs at risk delineation, and dose targeting. The introduction of MRI in the radiotherapy workflow is therefore a topical issue. This thesis firstly aims to optimize an MRI protocol with patient in head-and-neck radiotherapy treatment position. This protocol was endorsed by our clinical center. The second aim of this thesis was to conducted dose calculation from MRI. However, this imaging, unlike CT, lacks the electron density information required for dose calculation. To address this issue, an original non-local-mean patch-based method (PBM) and a deep learning method (DLM) were used to generate pseudo-CTs from MRIs, and compute the dose. The DLM was a generative adversarial network, and the PBM was performed by using an approximate nearest neighbor search with MR feature images. These both methods were evaluated and compared to an atlas-based method (ABM) and a bulk density method (BDM). This comparison was performed by using image and dosimetric endpoints. The DLM and PBM appeared the most accurate methods. The DLM was faster and more robust to anatomical variations than the PBM.

La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovante utilisant un faisceau synchrotron de rayons X monochromatiques entre 50 et 100 keV. Une augmentation de dose par prise de contraste est obtenue localement par effet photoélectrique sur unélément lourd injecté dans le volume cible (tumeur cérébrale). Des essais cliniques de SSRT sont encours de préparation à l’ESRF (établissement européen de rayonnement synchrotron). Un systèmede planification de traitement (TPS) est nécessaire pour le calcul de l’énergie déposée au patient(dose) pendant le traitement. Une version dédiée du TPS ISOgray a donc été développée. Ce travaildécrit l’adaptation du TPS réalisée, particulièrement au niveau du module de simulation virtuelleet de dosimétrie. Pour un calcul de dose, le TPS utilise une simulation Monte Carlo spécifique desphotons polarisés et de basse énergie. Les simulations sont réalisées depuis la source synchrotron,à travers toute la géométrie de la ligne de lumière modélisée et dans le patient. Pour ce calcul, desmatériaux spécifiques ont été notamment ajoutés pour la modélisation voxélisée du patient, afin deprendre en compte la présence d’iode dans certains tissus. Le processus de calcul Monte Carlo a étéoptimisé en vitesse et précision. De plus, un calcul des doses absolues et des temps d’irradiation,particulier à la SSRT, a été ajouté au TPS. Grâce à des mesures de rendements, profils de dose, etdoses absolues, réalisées à l’ESRF en cuve à eau et en fantôme solide avec ou sans couche d’os, lecalcul de dose du TPS a été validé pour la SSRT. / Contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy (SSRT) is an innovative techniquebased on localized dose-enhancement effects obtained by reinforced photoelectric absorption inthe tumor. Medium energy monochromatic X-rays (50 - 100 keV) are used for irradiating tumorspreviously loaded with a high-Z element. Clinical trials of SSRT are being prepared at the EuropeanSynchrotron Radiation Facility (ESRF), an iodinated contrast agent will be used. In order tocompute the energy deposited in the patient (dose), a dedicated treatment planning system (TPS)has been developed for the clinical trials, based on the ISOgray TPS. This work focuses on the SSRTspecific modifications of the TPS, especially to the PENELOPE-based Monte Carlo dose engine. TheTPS uses a dedicated Monte Carlo simulation of medium energy polarized photons to compute thedeposited energy in the patient. Simulations are performed considering the synchrotron source, themodeled beamline geometry and finally the patient. Specific materials were also implemented inthe voxelized geometry of the patient, to consider iodine concentrations in the tumor. The computationprocess has been optimized and parallelized. Finally a specific computation of absolute dosesand associated irradiation times (instead of monitor units) was implemented. The dedicated TPSwas validated with depth dose curves, dose profiles and absolute dose measurements performedat the ESRF in a water tank and solid water phantoms with or without bone slabs.

La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovanteutilisant un faisceau synchrotron de rayons X monochromatiques entre 50 et 100 keV. Une augmentationde dose par prise de contraste est obtenue localement par effet photoélectrique sur unélément lourd injecté dans le volume cible (tumeur cérébrale). Des essais cliniques de SSRT sont encours de préparation à l'ESRF (établissement européen de rayonnement synchrotron). Un systèmede planification de traitement (TPS) est nécessaire pour le calcul de l'énergie déposée au patient(dose) pendant le traitement. Une version dédiée du TPS ISOgray a donc été développée. Ce travaildécrit l'adaptation du TPS réalisée, particulièrement au niveau du module de simulation virtuelleet de dosimétrie. Pour un calcul de dose, le TPS utilise une simulation Monte Carlo spécifique desphotons polarisés et de basse énergie. Les simulations sont réalisées depuis la source synchrotron,à travers toute la géométrie de la ligne de lumière modélisée et dans le patient. Pour ce calcul, desmatériaux spécifiques ont été notamment ajoutés pour la modélisation voxélisée du patient, afin deprendre en compte la présence d'iode dans certains tissus. Le processus de calcul Monte Carlo a étéoptimisé en vitesse et précision. De plus, un calcul des doses absolues et des temps d'irradiation,particulier à la SSRT, a été ajouté au TPS. Grâce à des mesures de rendements, profils de dose, etdoses absolues, réalisées à l'ESRF en cuve à eau et en fantôme solide avec ou sans couche d'os, lecalcul de dose du TPS a été validé pour la SSRT.

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.