192Ir is one of the most popular radiation sources used for brachytherapy treatments. However, 192Ir emits a wide photon spectrum (10 keV to 900 keV) which impedes the creation of an 192Ir primary standard. The 192Ir air kerma calibration factor is derived by interpolating between 60Co, 137Cs and hard orthovoltage air kerma calibration factors obtained from a standards laboratory. The EGSnrc Monte Carlo package was used to calculate the response in low energy photon beams of a commercial parallel-plate chamber to assess useability as a 192Ir and kilovoltage photon beam calibration tool. XCOM photoeffect cross-sections were implemented in EGSnrc to improve kerma calculation agreement at low energies. The response calculations were compared to experimental data from PTB (Germany). Overall, agreement between calculations and measurement is good and represents an improvement to results from the literature. However, discrepancies exist at the lowest energies which may be caused by differences in the measurement and calculation geometries.

Proton radiotherapy is known to reduce the radiation dose delivered to normal healthy tissue compared to photon techniques. The increase in normal tissue sparing could result in fewer acute and late effects from radiation therapy. In this work proton therapy plans were created for patients previously treated using photon therapy. Intensity modulated proton therapy (IMPT) plans were planned using inverse planning in Varian's Eclipse treatment planning system with a scanning proton beam model to the same relative biological effectiveness (RBE)-weighted prescription dose as the photon plan. Proton and photon plans were compared for target dose conformity and homogeneity, body volumes receiving 2 Gy and 5 Gy, integral dose, dose to normal tissues and second cancer risk. Secondary cancer risk was determined using two methods. The relative risk of secondary cancer was found using the method described by Nguyen et al. by applying a linear relationship between integral dose and relative risk of secondary cancer. The second approach used Schneider et al.'s organ equivalent dose concept to describe the dose in the body and then calculate the excess absolute risk and cumulative risk for solid cancers in the body.IMPT and photon plans had similar target conformity and homogeneity. However IMPT plans had reduced integral dose and volumes of the body receiving low dose. Overall the risk of radiation induced secondary cancer was lower for IMPT plans compared to the corresponding photon plans with a reduction of ~36% using the integral dose model and ~50% using the organ equivalent dose model. / Un avantage connu de la radiothérapie par protons est la réduction de la dose reçue par les tissus normaux et sains par rapport aux traitements en photons. Cette réduction de dose peut résulter en une diminution des effets aigus et tardifs de la radiothérapie. Dans cet ouvrage, les plans de protonthérapie ont été créés pour des patients ayant été traités par radiothérapie en photons. Les plans de protonthérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (PCMI) ont été conçus par planification inverse dans le système de planification de traitement Eclipse de Varian de façon à ce que le faisceau de protons en balayage produise la même dose de prescription que plan en photons, tout en tenant compte des efficacités biologiques relatives des deux types de radiation. Les plans en photons et en protons ont ensuite été comparés en termes de conformité de la dose, d'homogénéité de la dose, de volumes recevant 2 et 5 Gy, de dose intégrale, de dose aux tissus normaux et de risque de cancer secondaire. Le risque relatif de cancer secondaire a été determiné par la méthode décrite par Nguyen et al. en applicant une relation linéaire entre la dose intégrale et le risque relatif de cancer secondaire. Une deuxième approche employée dans cet ouvrage utilise le concept de dose équivalente à un organe de Schneider et al. pour décrire la dose dans le corps et par la suite calculer l'excès de risque absolu et le risque cumulatif de cancers solides dans le corps. Les traitements comparés, soit en photons et en protons, ont démontré une conformité et une homogénéité de la dose similaires dans le volume cible. Toutefois, les plans de PCMI réduisent la dose intégrale et diminuent les volumes du corps recevant une faible dose. Globalement, le risque d'induction d'un cancer secondaire est plus faible pour les plans de PCMI que pour les plans équivalents en photons avec une réduction de ~36% en utilisant le modèle de dose intégrale et ~50% en utilisant le modèle de dose équivalente à un organe.

The accuracy of conventional dose calculation algorithms employed in external photonbeam treatment planning is limited by their inability to fully model the radiation source andaccount for the electron fluence perturbations which occur in regions of non-uniform density.In this work, we evaluated the dosimetric accuracy of the PEREGRINE Monte Carlo dosecalculation code for 6 MV photons. Dose profiles calculated by PEREGRINE werecompared with measurements in homogeneous and heterogeneous phantoms. A comparisonof dose profiles calculated by PEREGRINE and the EGSnrc Monte Carlo code was alsoperformed. To fully model the Varian Millennium 120 leaf collimator, a new MLCcomponent module was developed for BEAMnrc.Overall, the agreement between PEREGRINE and measurements and EGSnrc is within1% with the exception of the buildup region, where the accuracy of the beam model isaffected by an artificially increased electron subsource weight, and for 30x30 cm2 fieldswhere the beam model does not accurately predict the off-axis fluence. A clinical comparisonof IMRT dose distributions calculated by PEREGRINE and the CORVUS pencil beamalgorithm indicates that the heterogeneity correction implemented in CORVUSunderestimates the dose received by sensitive structures, receiving up to 20% of theprescribed dose, which lie in the vicinity of low density tissues.

An amorphous-Selenium (a-Se) based portal detector, which uses the metal substrate as a conversion plate, is studied using Monte Carlo techniques. The optimal thickness and material of the metal plate and a-Se thicknesses are investigated by modelling dose deposition in the a-Se layer for a 6 MV exit beam. Simulations of Detective Quantum Efficiency DQE(f) show that although DQE(0) increases with metal thickness up to $d sb{max},$ there is a cross-over near 1 cycle/mm which indicates that smaller metal thicknesses are more useful to visualize edges and small objects. A similar cross-over, though not as prominent, is also observed with constant metal thickness while varying a-Se thickness. Tungsten front plates are shown be optimal in terms of DQE for the plates under investigation. The effect of the scattered beam, described by the Scatter Fraction SF and Scatter-to-Primary Ratio SPR, is also modelled to ensure that the front-plate, which also acts as a scatter-rejection tool, satisfactorily filters out the scatter component. The SF is measured experimentally with a prototype imager for four metal plate/a-Se combinations and agrees with the Monte Carlo results within experimental uncertainties.

Stereotactic Body Radiation Therapy is a radical treatment method for small lesions in the body where a surgical dose of radiation is given to attempt to sterilize the lesion. One of its limitations lays in the respiratory motion of the target during treatment. For this technique, high precision and accuracy on the dose delivered to the target is critical. This work produced a measurement method for the target's position and motion, during treatment, without giving extra dose to the patient. This method is based on a statistical analysis of the position of implanted metallic markers, visible on treatment portal images. The method was implanted in a software written entirely in Real Basic (Real Software, Texas, USA) code. The software was tested with images of a respiratory phantom of known motion. The motion statistics detected by the software corresponded to the measured values. Results show that the software can be applied on clinical patient data. Some studies of patient data are presented to demonstrate the software's possibilities. / La radiothérapie stéréotactique extracérébrale est une méthode de traitement radicale, où une forte dose de radiation est donnée à une petite lésion dans le corps, pour tenter de la stériliser. Une des limites de cette thérapie réside dans la difficulté d'irradier la cible précisément et exactement à la dose prescrite, puisqu'elle est constamment induite en mouvement par la respiration du patient durant le traitement. Ce travail a permis de concevoir une méthode de mesure de la position et du mouvement de la cible, durant le traitement, sans donner de dose additionnelle au patient. Cette méthode est basée sur une analyse statistique de la position de marqueurs métalliques implantés chirurgicalement près de la cible et visibles sur des images portales prises durant le traitement. Un logiciel codé en Real Basic (Real Software, Texas, USA) intégrant la méthode a été écrit. Le logiciel a été testé avec un fantôme respiratoire de déplacement connu. Les statistiques du mouvement obtenues par le logiciel correspondaient aux valeurs mesurées sur le fantôme. Les résultats montrent que le logiciel peut-être utile pour l'analyse du mouvement dans des cas cliniques de patients. Quelques exemples d'études cliniques sur des images de patients sont présentés pour démontrer les possibilités du logiciel et de la méthode utilisée.

A variable air-volume, parallel-plate, extrapolation chamber forming an integral part of a Solid-WaterTM phantom was built to determine the absorbed dose in Solid-WaterTM directly. The sensitive air-volume of the extrapolation chamber is controlled through the movement of the chamber piston by means of a micrometer mounted to the phantom body. The relative displacement of the piston is monitored by a mechanical distance travel indicator with a precision on the order of 0.002 mm. Irradiations were carried out with cobalt-60 gamma. rays, x-ray beams ranging from 4 to 18 MV, and electron beams between 6 and 22 MeV. The absorbed dose at a given depth in Solid-WaterTM is proportional to the ionization gradient measured in the Bragg-Gray cavity region with a Solid-WaterTM embedded extrapolation chamber. Measured charge is corrected for ion recombination and ion diffusion in the chamber air volume according to a comprehensive model for charge loss in an ionization chamber. The discrepancies between doses determined with our uncalibrated phantom-embedded extrapolation chamber and doses obtained with calibrated Farmer-type cylindrical ionization chambers following the AAPM-TG21 and AAPM-TG25 dosimetry protocols are less than 1% for photon and electron beams at all clinical megavoltage energies. Uncalibrated extrapolation chambers thus offer a simple and practical alternative to other techniques used in output measurements of megavoltage photon and electron beams.

In high-dose-rate iridium-192 brachytherapy, the radiation dose received by the patient is calculated according to the AAPM Task Group 43 (TG-43) formalism. This table-based dose superposition method uses dosimetry parameters derived with the radioactive iridium source centered in a water phantom. It neglects the dose perturbations caused by inhomogeneities, such as the patient anatomy, applicators, shielding, and radiographic contrast solution. / In this work, we evaluated the dosimetric characteristics of a shielded rectal applicator with an endocavitary balloon injected with contrast solution. The dose distributions around this applicator were calculated by the GEANT4 Monte Carlo (MC) code and measured by ionization chamber and GAFCHROMIC EBT film. A patient-specific dose calculation study was then carried out for 40 rectal treatment plans. The PTRAN_CT MC code was used to calculate the dose based on computed tomography (CT) images. This study involved the development of BrachyGUI, an integrated treatment planning tool that can process DICOM-RT data and create PTRAN_CT input initialization files. BrachyGUI also comes with dose calculation and evaluation capabilities. / We proposed a novel scatter correction method to account for the reduction in backscatter radiation near tissue-air interfaces. The first step requires calculating the doses contributed by primary and scattered photons separately, assuming a full scatter environment. The scatter dose in the patient is subsequently adjusted using a factor derived by MC calculations, which depends on the distances between the point of interest, the iridium source, and the body contour. The method was validated for multicatheter breast brachytherapy, in which the target and skin doses for 18 patient plans agreed with PTRAN_CT calculations better than 1%. / Finally, we developed a CT-based analytical dose calculation method. It corrects for the photon attenuation and scatter based upon the radiological paths determined by ray tracing. The scatter dose is again adjusted using our scatter correction technique. The algorithm was tested using phantoms and actual patient plans for head-and-neck, esophagus, and MammoSite breast brachytherapy. Although the method fails to correct for the changes in lateral scatter introduced by inhomogeneities, it is a major improvement over TG-43 and is sufficiently fast for clinical use. / En curiethérapies à haut débit de dose, la dose aux patients est évaluée selon le protocole AAPM Task-Group 43 (TG43), qui utilise des paramètres dosimétriques obtenues avec une source dans l'eau. Cependant, le patient, l'applicateur et le contraste ont des propriétés radiologiques différentes de l'eau; ces inhomogénéités sont donc négligées dans TG43. / Dans ce travail, nous utilisons le programme Monte Carlo (MC) GEANT4 pour évaluer les propriétés dosimétriques d'un applicateur rectal muni d'un blindage radio-protecteur et d'un ballon intra-cavitaire. Ces résultats sont confirmés par des mesures d'une chambre d'ionisation et des films GAFCHROMIC EBT. Une étude des calculs de dose a été faite avec le programme PTRAN_CT avec l'aide des images scanner de 40 patients de cancer rectal. Ceci a conduit au développement de BrachyGUI, un programme de planification de curiethérapie, capable de traiter les données DICOM-RT des patients et générer les paramètres d'entrée pour PTRAN_CT. BrachyGUI dispose d'outils de calcul, d'extraction et d'analyse de dose. / Nous proposons une nouvelle méthode de calcul qui tient compte des effets de diffusion au voisinage des interfaces tissus-air. Cette méthode calcule séparément la dose due aux photons primaires et diffusés, ensuite la composante diffusée est ajustée par un paramètre extrait des calculs MC incluant les contours du patient, la source et sa position. Nos résultats s'accordent avec une incertitude inferieure à 1% avec les calculs de dose à la surface et dans la cible effectués avec PTRAN_CT pour 18 patients en curiethérapie du sein. / Enfin, nous avons conçu une méthode analytique de calcul de dose qui incorpore l'atténuation et la diffusion des photons, et qui est basée sur les chemins radiologiques déterminées par traçage des trajectoires. Cet algorithme est validé par l'utilisation de fantômes, des données de patients traités pour divers cancers (oesophage, tête et cou), et par la curiethérapie MammoSite du sein. Bien que cette méthode ne reproduise pas bien les diffusions latérales induites par les inhomogénéités, elle représente une amélioration majeure par-rapport-à TG43 et est rapide pour une implémentation clinique.

In this work we developed two new devices that aim to improve the accuracy of relative and reference dosimetry for radiation therapy: a guarded liquid ionization chamber (GLIC) and an electron sealed water (ESW) calorimeter. With the GLIC we aimed to develop a perturbation-free energy-independent detector with high spatial resolution for relative dosimetry. We achieved sufficient stability for short-term measurements using the GLIC-03, which has a sensitive volume of approximately 2 mm3. We evaluated ion recombination in pulsed photon beams using a theoretical model and also determined a new empirical method to correct for relative differences in general recombination which could be used in cases where the theoretical model was not applicable. The energy dependence of the GLIC-03 was 1.1% between 6 and 18 MV photon beams. Measurements in the build-up region of an 18 MV beam indicated that this detector produces minimal perturbation to the radiation field and confirmed the validity of the empirical recombination correction. The ESW calorimeter was designed to directly measure absorbed dose to water in clinical electron beams. We obtained reproducible measurements for 6 to 20 MeV beams. We determined corrections for perturbations to the radiation field caused by the glass calorimeter vessel and for conductive heat transfer due to the dose gradient and non-water materials. The overall uncertainty on the ESW calorimeter dose was 0.5% for the 9 to 20 MeV beams and 1.0% for 6 MeV, showing for the first time that the development of a water-calorimeter-based standard for electron beams over a wide range of energies is feasible. Comparison between measurements with the ESW calorimeter and the NRC photon beam standard calorimeter in a 6 MeV beam revealed a discrepancy of 0.7±0.2% which is still under investigation. Absorbed-dose beam quality conversion factors in electron beams were measured using the ESW calorimeter for the Exradin A12 and PTW Roos ionization / Dans ce travail nous avons développé deux nouveaux détecteurs qui visent à améliorer l'exactitude de la dosimétrie relative et de référence en radiothérapie: une chambre d'ionisation liquide gardée (GLIC) et un calorimètre d'eau scellé pour les électrons (ESW). Avec la GLIC nous avons visé à développer un détecteur indépendant de l'énergie et libre de perturbations avec une résolution spatiale élevée pour la dosimétrie relative. Nous avons atteint une stabilité suffisante pour des mesures à court terme en utilisant la GLIC-03, qui a un volume sensible d'approximativement 2 mm3. Nous avons évalué la recombinaison générale des ions dans des faisceaux de photons pulsés en utilisant un modèle théorique et nous avons également déterminé une nouvelle méthode empirique, permettrant de corriger pour les différences relatives de recombinaison générale, qui pourrait être employée dans les cas où le modèle théorique ne serait pas applicable. La dépendance d'énergie du GLIC-03 était 1.1% dans des faisceaux de photon entre 6 et 18 MV. Les mesures dans la région de déséquilibre électronique ('build-up') d'un faisceau du 18 MV ont indiqué que ce détecteur introduit une perturbation minimale du champ de rayonnement et ont confirmé la validité de la correction empirique de recombinaison. Le calorimètre ESW a été conçu pour mesurer directement la dose absorbée dans les faisceaux d'électrons cliniques. Nous avons obtenu des mesures reproductibles pour des faisceaux de 6 à 20 MeV. Nous avons déterminé les corrections nécessaires pour tenir compte des perturbations du champ de rayonnement introduites par le récipient de verre du calorimètre et du transfert thermique de conduction dû au gradient de dose et au fait que les matériaux ne sont pas de l'eau. L'incertitude globale sur la dose pour le calorimètre ESW était 0.5% pour les faisceaux de 9 à 20 MeV et 1.0% pour 6 MeV, prouvant pour la première fois que le d

The Axxent device developed by Xoft Inc. is a novel electronic brachytherapy system capable of generating x-rays up to 50 keV. The objective of this study is to characterize the x-ray beam and to model the x-ray tube using the Geant4 Monte Carlo code. Spectral measurements are done using an Amptek XR-100T CdTe spectrometer. Attenuation curves are measured using both a NE-2571 farmer chamber and a PTW-23342 parallel plate chamber. 2-D dose distributions are measured using EBT Gafchromic films. The Geant4 Monte Carlo code is bench-marked against BEAMnrc results. HVL values and effective energies are obtained from spectral measurements, attenuation curve measurements, and Geant4 simulations. The results mostly agree within one standard deviation. Measurements show that the HVL decreases with beam angle. However, this trend is not observed in Geant4 results. 2-D dose distributions are compared with Geant4 Monte Carlo results. The agreement is mostly within 10 %. However, there are significant differences aft of the source. / La sonde Axxent, conçu par Xoft inc., est un nouveau système de curiethérapie électronique qui peut générer des rayons X avec une énergie maximum de 50 keV. L'objectif de cette étude est de décrire le spectre de rayons X émis et de créer un modèle du tube à rayons X en utilisant le code de Monte Carlo Geant4. Les mesures de spectres ont été réalisées à l'aide d'un spectromètre CdTe XR-100T de marque Amptek. Les courbes d'atténuation ont été mesurées à l'aide de deux chambres d'ionisation: une chambre NE-2571 de type Farmer et une chambre PTW-23342 de type chambre plate. Des films Garchromiques EBT ont été utilisés pour la mesure de distributions de dose en 2 dimensions autour de la source. Les résultats obtenus avec le code Geant4 one été comparés avec les résultats générés grâce à un code de Monte Carlo différent: BEAMnrc. Les épaisseurs de demi-atténuation et les énergies effectives on été également déduites des mesures spectrales, des courbes d'atténuation et des simulations de Geant4. Les résultats s'accordent avec une différence de moins d'un écart-type dans la plupart des cas. Les mesures indiquent que les épaisseurs de demi-atténuation diminuent avec l'angle du rayon choisi pour la mesure. Par contre, cette tendance n'est pas observée dans les simulations Monte Carlo avec Geant4. La comparaison entre les mesures et les calculs de Geant4 des distributions de dose en deux dimensions montre un accord généralement meilleur que 10 %. Néanmoins, il y a des différences importantes en arriére de la source.

For patient-specific quality assurance of IMRT, a point dose measurement with an ionisation chamber and a relative dose distribution with film are performed. The use of ionisation chambers follows dosimetry protocols that only deal with reference beams, for which Spencer-Attix cavity theory is valid. However, IMRT and other recent radiation delivery techniques do not comply with these protocols. Therefore, the conversion of the dose to the chamber cavity to the dose to water becomes uncertain; and the geometrical details of the chamber, as well as the details of the delivery, are expected to be significant. In this thesis, a realistic model of the Exradin A12 Farmer chamber is simulated. A framework is applied for the calculation of ionisation chamber response to arbitrarily modulated fields as a summation of responses to pencil beams. This approach is used with the chamber model and tested against measurements in static open fields and dynamic MLC IMRT fields. As a benchmark test of the model, quality conversion factors values calculated by Monte-Carlo simulation with the chamber model are in agreement within 0.1 % and 0.4 % with those in the AAPM TG-51, for 6 MV and 18 MV photon beams, respectively. Pencil-beam kernels show a strong dependence on the geometrical details of the chamber. Kernel summations with open fields show a relative agreement within 4.0 % with experimental data ; the agreement is within 2.0 % for dynamic MLC IMRT beams. Simulations show a strong sensitivity of chamber response on positioning uncertainties, sometimes leading to dose uncertainties of 15 %. / Pour le contrôle de qualité spécifique au patient en IMRT, on pratique une mesure ponctuelle de dose avec une chambre à ionisation et une mesure relative de distribution de dose avec un film. L'utilisation de chambres à ionisation suit les protocoles de dosimétrie qui ne traitent que de faisceaux de référence pour lesquels la théorie de Spencer-Attix est valide. Cependant, la radiothérapie à modulation d'intensité, ainsi que d'autres techniques récentes de radiothérapie, ne se conforme pas à ces protocoles. Par conséquent, la conversion de la dose dans la chambre à la dose dans l'eau devient incertaine ; et on s'attend à ce que les détails géométriques de la chambre, ainsi que les détails de l'émission des faisceaux, soient significatifs. Dans cette thèse, la chambre Exradin A12 de type Farmer a été modélisée de façon réaliste. Un formalisme a été utilisé pour la simulation de la réponse de la chambre à des champs modulés de façon arbitraire, où la réponse était calculée en sommant les réponses à des faisceaux-pinceaux. Cette approche est utilisée avec le modèle de la chambre et contrôlée par comparaison avec des mesures de champs statiques ouverts et de champs d'IMRT délivrés avec un collimateur multilame (CML) en mode dynamique. Comme test de référence du modèle de la chambre, les facteurs de conversion de qualité ont été calculés avec la chambre par Monte-Carlo et les résultats montrent un accord à mieux que 0.1 % et 0.4 % avec les valeurs du TG-51 de l'AAPM pour des faisceaux de photons de 6 MV et 18 MV, respectivement. Les noyaux de faisceaux-pinceaux montrent une forte dépendance aux détails géométriques de la chambre. Les sommations des noyaux avec les champs ouverts montrent un accord relatif à mieux que 4 % avec les résulats expérimentaux ; cet accord est à mieux que 2 % pour les faisceaux d'IMRT délivrés en mode dynamique avec le CML. Les simulations ont montré une force sensibilité d