In this thesis, a two-part investigation was conducted to determine methods of reducing the inaccuracy in the treatment of solid tumors in the lung. In the first part, a visual feedback system was investigated for use during respiratory gating procedures, both during simulation and treatment. The visual feedback system was installed in the clinic and was used by three patients during radiotherapy and by approximately 15 patients during simulation. The use of the visual feedback was found to increase the regularity of the patients’ breathing patterns and improved the ability of the gating technique to compensate for internal tumor motion. The second part consisted of a comparison of the dose distribution algorithms of the Eclipse treatment planning system with dose calculations performed using Monte Carlo methods based on the EGSnrc and DOSXYZnrc user codes for BEAMnrc. Four patients with lung tumors, whose treatment plans called for small, 18 MV photon fields, were recalculated using both systems. Results showed that the algorithms used by the TPS consistently overestimated the dose in the lung, due to the lack of lateral electron equilibrium in the lung tissue. / Dans ce mémoire, une enquête en deux parties à été entreprise pour analyser des méthodes permettant la réduction d’erreurs dans le traitement des cancers pulmonaires. Dans la première partie de l’enquête, nous analysons un système de « feedback » visuel utilisé avec les procédures de « gating » en simulation et en radiothérapie. Ce système a été installé dans la clinique et utilisé par trois patients pendant la radiothérapie et une quinzaine de patients pendant des simulations CTs. Il a ainsi été observé que l’utilisation du « feedback » permettait de régulariser la respiration des patients et ainsi d’optimiser l’utilisation des techniques de « gating » afin de réduire l’effet des mouvements interne des tumeurs durant la thérapie et les simulations. La deuxième partie de l’enquête consistait en une étude retrospective qui avait pour but de permettre la comparaison de plusieurs algorithmes de calcul de dose. Les résultats obtenus à l’aide des algorithmes du système de planification de traitements Eclipse ont été comparés à ceux qui ont été calculés en utilisant les codes Monte Carlos EGSnrc et DOSXYZnrc. Les données de quatre patients souffrant du cancer du poumon qui avaient étés traités avec des faisceaux de photons 18 MV ont ainsi été recalculées. Les résultats obtenus ont démontré que les algorithmes d’Eclipse surestimaient systématiquement les doses à cause de la faible densité des tissus pulmonaires et du manque d’équilibre électronique dû au dimensions des faisceaux.

In a radiation therapy department, several periodic (daily, monthly, quarterly, yearly, etc.) and on-request quality control tests are performed as part of the quality assurance program. The lack of a commercial solution to unify all these tests in one single system was the motivation for this project. The goal of this thesis work was to develop a web-based quality assurance software tool for the radiation oncology division of the Jewish General Hospital that would be easily expendable and manageable. The tool that was created allows easy access to the tests through a simple web interface yet allowing advanced management of user rights, processing of complex numerical data, warning users through email alerts and reports, scheduling tests, keeping trends of the test results and providing safe storage for the collected data. Our system is based on Drupal, an open source web content management system. Several customizations were done to the basic Drupal system to adapt it to our needs: several scripts and specialized modules were used to enter and analyse collected data (text and images) as well as exchange data with the radiotherapy electronic medical record database. In this thesis work we have selected and implemented in our system a limited collection of quality control tests (9) that are representative of all types of tests that are performed in a radiotherapy clinic, as a full implementation would be beyond the time frame of this project. They are the bases for a future complete implementation and can be used as a model for other similar tests. The implemented tests are now being introduced in the clinic simplifying data entry, access, and analysis. / Dans un département de radiothérapie plusieurs tests de contrôle de qualité sont exécutés de façon périodique (journalière, mensuelle, trimestrielle, annuelle, etc.) où sur demande dans le cadre du programme d'assurance qualité. L'absence d'une solution commerciale pour unifier tous ces tests dans un seul système informatique est la motivation de ce projet. L'objectif de ce travail de thèse était de développer un outil logiciel web d'assurance qualité pour la division de radio-oncologie de l'Hôpital général juif qui serait facilement extensible et facile à gérer. L'outil qui a été créé permet un accès facile à des tests via une interface web simple tout en permettant une gestion avancée des droits des utilisateurs, du traitement des données numériques complexes, permet l'envoie d'alertes e-mail et de rapports, la planification temporelle des tests, l'analyse des tendances des résultats et le stockage des données recueillies.Notre système est basé sur un logiciel libre de gestion de contenu, Drupal. Plusieurs adaptations ont été apportées au système Drupal de base pour l'adapter à nos besoins: plusieurs scripts et modules spécialisés ont été programmés et utilisés pour saisir et analyser les données recueillies (texte et images) ainsi que l'échange de données avec la base de données de dossiers médicaux électroniques de radiothérapie. Dans ce travail de thèse, nous avons sélectionné et implémenté dans notre système une collection limitée de tests de contrôle de qualité (9) qui sont représentatifs de tous les types de tests qui sont effectués dans une clinique de radiothérapie puisque la mise en œuvre complète de tous les tests est au-delà du délai de cette projet. Les tests implémentés peuvent facilement être utilisés comme modèles pour les autres tests. Les tests présentement implémentés sont en cours d'introduction dans la clinique et simplifie la saisie, l'accès et l'analyse aux données.

Measurements of modulation transfer function (MTF), noise power spectrum (NPS), and detective quantum efficiency (DQE) for metal/film portal detectors are reported for the Cobalt-60 and 10 MV spectra. The detectors consist of a double-emulsion portal film secured between plates of aluminum, copper, brass or lead with thicknesses from 0 to 4.81 mm. The study of MTF, NPS, and DQE shows that both photons and secondary electrons produced within the front-plate and backscattered electrons from the back-plate affect metal/film portal imaging. Study of DQE indicates that the best portal detectors are those without back-plates, and with high density front-plates with thicknesses less than the maximum electron range. / This MTF data was modeled with the logit analysis. It is shown that the parameters resulting from the logit analysis depend on the mass thickness and the atomic number of the metal plates. / Metal/amorphous selenium (a-Se) electrostatic-based detectors have been developed for portal imaging. The detectors consist of a-Se photoconductive layers of varied thicknesses deposited on plates of varying thicknesses of aluminum, copper, and stainless steel. The metal-plates of the detectors face the incident 6 MV and Co-60 photon spectra during imaging. The sensitivity of the a-Se detectors to dose, electric field across the a-Se layer, plate type, and a-Se thickness is studied. A model showing a cubic relationship between the a-Se latent surface voltage and dose is derived and experimentally verified. A contrast-detail phantom is used to study the image quality and contrast-resolution characteristics of the metal/a-Se detectors. The metal/a-Se detectors produce better quality contrast-detailed images at a considerably lower dose than that offered by the other commercial available portal systems, mainly due to the low inherent noise of the novel detectors. / A semi-automatic technique for the direct set-up alignment of radiosurgical circular fields from an isocentric linac to treatment room laser cross-hairs is described. Because film or a-Se is each sensitive to laser and ionizing radiation, they are used to acquire images of the positioning lasers superimposed directly onto the radiosurgical circular fields. An algorithm extracts the coordinates of the center of the collimator image and of the intersection of the laser cross-hair image and subsequently determines the deviation, to within a precision of ∼0.04 mm. The technique is also used to perform quality assurance on a Clinac-18 linac and shows a (0.53 +/- 0.05) mm wobble from the nominal isocenter of the linac.

Recent studies in medical physics have focused on the application of low atomic number (Z) targets for their effect on contrast in megavoltage portal imaging and cone-beam computed tomography (CBCT). This work seeks to compliment those studies by investigating the effects of varying different target parameters including atomic number, thickness and incident electron energy on spatial resolution in megavoltage planar imaging and CBCT. Target materials of beryllium (Be, Z = 4), aluminum (Al, Z = 13) and tungsten (W, Z = 74) were investigated over a variety thicknesses between 10% and 100% of the continuous slowing down approximation range. Incident electron kinetic energies of 4.5 MeV and 7.0 MeV were used along with custom targets installed into the carousel of a Varian 2100EX linear accelerator (Varian Medical, Inc.) to produce the experimental beams of interest. Monte Carlo simulated results were compared to measured data and it was shown that thinner targets are generally superior to thicker targets and that higher incident electron energies produce better results. Due to a dependence of the MTF of the detector system on photon energy, it was shown that low Z targets produced superior spatial resolution. Simulations also showed a 14.5% and 21.5% increase in spatial frequency in which the modulation transfer function dropped to half of its maximum (f_50) for the 7.0 MeV and 4.5 MeV targets, respectively, when moved from the carousel to the location of the clinical target. The f_50 values of the custom targets were compared to the clinical 6 MV beam and were found to be between 10.4% lower and 15.5% higher than the 6 MV value. Low-Z CBCT sets were acquired using the CATphan phantom and compared to the clinical 6 MV beam and kilovoltage CBCT sets. Using the low-Z targets it was possible to resolve the 0.5 lp/mm, compared to 0.4 lp/mm and 1.0 lp/mm for the clinical 6 MV and kilovoltage sets respectively. / Récemment, plusieurs recherches se tournent vers l'emploi de cibles à petits numéros atomic (Z), et mesurent leurs effets sur le contraste de l'imagerie de portail de megavoltage et de tomographie calculée à faisceau cônique (CBCT). À l'avenant, cet ouvrage étudie les effets de la variation de différents paramètres de la cible, tel le numéro atomic, l'épaisseur, et l'énergie de l'electron incident, sur la résolution spaciale des deux techniques d'imageries mentionnées. Des cibles de béryllium (Be, Z = 4), d'aluminium (Al, Z = 13), et de tungstène (W, Z = 74) sont étudiées sous une gamme d'épaisseures entre 10 % et 100 % de l'amplitude de l'approximation de ralentissement continue (CSDA). Des électrons incidents avec des énergies cinétiques de 4.5 MeV et 7.0 MeV sont utilisés avec une cible personnalisée, installée sur le carrousel d'un accélérateur linéaire Varian 2100EX (Varian Medical, Inc.), afin de produire les faisceaux désirés. Des résultats Monte Carlo simulés sont comparés aux résultats mesurés. Les cibles minces sont géréralement supérieures aux cibles plus épaisses, et les électrons incidents à plus haute énergies produisent de meilleurs résultats. Les cibles à petits Z produisent des résolutions supérieures en raison d'une dépendence du MTF du système de detection sur l'énergie des photons. Les simulations montrent une hausse de 14.5 % et de 21.5 % du f_50 pour les cibles de 7.0 MeV et 4.5 MeV, respectivement, quand celles-ci sont déplacées du carrousel à l'emplacement clinique de la cible. Les f_50 des cibles personnalisées sont entre 10.4 % sous et 15.5 % au-dessus du f_50 du faisceau clinique à 6 MV. Les données pour le CBCT à petit Z sont obtenues avec un fantôme CATphan et comparées aux données du faisceau clinique à 6 MV et du CBCT de kilovoltage. Avec une cible à petit Z, une résolution de 0.5 lp/mm est atteinte, comparé à

In radiation therapy an uncertainty in the delivered dose always exists because anatomic changes are unpredictable and patient specific. Image guided radiation therapy (IGRT) relies on imaging in the treatment room to monitor the tumour and surrounding tissue to ensure their prescribed position in the radiation beam. The goal of this thesis was to determine the dosimetric impact on the misaligned radiation therapy target for three cancer sites due to common setup errors; organ motion, tumour tissue deformation, changes in body habitus, and treatment planning errors. For this purpose, a novel 3D ultrasound system (Restitu, Resonant Medical, Inc.) was used to acquire a reference image of the target in the computed tomography simulation room at the time of treatment planning, to acquire daily images in the treatment room at the time of treatment delivery, and to compare the daily images to the reference image. The measured differences in position and volume between daily and reference geometries were incorporated into Monte Carlo (MC) dose calculations. The EGSnrc (National Research Council, Canada) family of codes was used to model Varian linear accelerators and patient specific beam parameters, as well as to estimate the dose to the target and organs at risk under several different scenarios. After validating the necessity of MC dose calculations in the pelvic region, the impact of interfraction prostate motion, and subsequent patient realignment under the treatment beams, on the delivered dose was investigated. For 32 patients it is demonstrated that using 3D conformal radiation therapy techniques and a 7 mm margin, the prescribed dose to the prostate, rectum, and bladder is recovered within 0.5% of that planned when patient setup is corrected for prostate motion, despite the beams interacting with a new external surface and internal tissue boundaries. In collaboration with the manufacturer, the ultrasound system was adapted from transabdominal imaging to n / Des incertitudes dans la dose délivrée aux patients existent toujours car les changements anatomiques sont imprévisibles et spécifiques à chaque patient. La radiothérapie guidée par l'image (IGRT) dépend de l'imagerie en ligne afin de suivre la tumeur et les tissus sains adjacents, et s'assure que leur positions, par rapport au faisceau de radiation, est telle que planifiés. L'objectif de cette thèse a été de déterminer l'impact dosimétrique du désalignement de la cible par rapport au faisceau de radiation du aux erreurs d'installation, aux mouvement des organes, à la déformation de la tumeur, aux changements de l'habitus du corps et aux erreurs dans la planification du traitement. À cette fin, un nouveau système ultrason 3D (Restitu, Resonant Medical, Inc.) a été utilisé pour acquérir des images référence de la cible dans la salle de simulation tomodensitométrique au moment de la planification du traitement, et ensuite pour acquérir des images quotidiennes de la cible au moment du traitement. Les images quotidiennes ont été comparées à l'image de référence et les différences de position et volume ont été incorporées dans des calculs de dose Monte Carlo. La famille de logiciels EGSNRC (National Research Council, Canada) a été utilisée pour modéliser des accélérateurs linéaires Varian et des paramètres spécifiques à chaque patient ainsi que pour estimer la dose à la cible et aux organes à risque. Premièrement, les calculs de dose Monte Carlo, longs mais précis, ont été validés pour la région homogène du pelvis. Ensuite, l'influence du mouvement de la prostate inter fractions et du réalignement du patient sur la distribution de dose délivrée a été investiguée. Pour 32 patients nous avons démontré que l'utilisation des techniques conformes 3D combinée à une marge de 7 mm autour de la cible se traduit par une différence de moins de 0.5% entre la dose délivrée et la dose planifiée pour la prostate,$

Amorphous silicon (a-Si) electronic portal imaging devices (EPIDs) offer convenient high-resolution and fast digital image acquisition, making the a-Si EPID advantageous for portal dosimetry. In this research project, a Varian aS1000 EPID was dosimetrically evaluated for portal dosimetry characteristics including: short-term reproducibility, linearity, field size dependence, pixel uniformity, dose-rate dependence, detector displacement, inverse square law, image lag, and memory effect. A convolution and Monte Carlo (MC) based non-transmission portal dosimetry method was also developed to reconstruct a 3D dose distribution. Images acquired by the Varian aS1000 EPID were deconvolved with a two part scatter kernel: a MC calculated dose kernel scored at the bottom of the scintillation screen, and an iteratively optimized optical spreading (or glare) kernel, to determine a 2D primary energy fluence (PEF) distribution. The derived PEF was converted into a phase space file (PSF) and utilized as a source input for DOSXYZnrc MC calculation. The EPID reconstructed 3D dose distributions were verified by comparison with measured beam profiles, PDDs, and 2D dose distributions. / Les dispositifs d'imagerie portale électronique (EPIDs) à base de silicium amorphe (a-Si) permettent l'acquisition rapide d'images digitales à haute résolution ce qui rend ces systèmes très utiles pour l'imagerie portale clinique. Pour les besoins de cette recherche, les caractéristiques dosimétriques d'un EPID aS1000 de Varian ont été évaluées dans le contexte de la dosimétrie portale. Les caractéristiques évaluées sont: la reproductivité à court terme, la linéarité, la dépendance de la taille du champ, l'uniformité de la matrice de pixels, la dépendance du débit de dose, le déplacement du détecteur, la loi de l'inverse du carré, le décalage d'image, et l'effet mémoire. Une méthode de dosimétrie portale en géométrie de << non transmission >> utilisant les techniques de convolution et de Monte Carlo (MC) a également été mise au point pour reconstruire une distribution de dose 3D. Les images acquises par l'EPID aS1000 furent déconvoluées à l'aide d'un noyau corrigeant pour la dispersion se composant de deux parties: un noyau de dose calculée par MC au niveau de l'écran à scintillation, et un noyau itératif optimisé tenant compte de la propagation optique (ou l'éblouissement), afin de déterminer la distribution 2D de la fluence énergétique primaire (FEP). La FEP a été convertie en un fichier d'espace de phase << phase-space file >> (PSF) et utilisé comme source pour les calculs de dose par MC à l'aide du code DOSXYZnrc. Les distributions de dose reconstruites 3D obtenues à parti r de l'EPID ont été vérifiées en les comparant aux différents profils de doses et distributions de dose 2D.

Stereotactic body radiation therapy (SBRT) is a method of treatment that is used in extracranial locations, including the abdominal and thoracic cavities, as well as spinal and paraspinal locations. At the McGill University Health Centre, liver SBRT treatments include gating, which places the treatment beam on a duty cycle controlled by tracking of fiducial markers moving with the patient's breathing cycle. Respiratory gated treatments aim to spare normal tissue, while delivering a dose properly to a moving target. The ExacTrac® system (BrainLAB AG Germany) is an image-guided radiotherapy system consisting of a combination of infra-red (IR) cameras and dual kilovoltage (kV) X-ray tubes. The IR system is used to track patient positioning and respiratory motion, while the kV X-rays are used to determine a positional shift based on internal anatomy or fiducial markers. In order to validate the system's ability to treat under gating conditions, each step of the SBRT process was evaluated quantitatively. Initially the system was tested under ideal static conditions, followed by a study including gated parameters. The uncertainties of the isocenters, positioning algorithm, planning computed tomography (CT) and four dimensional CT (4DCT) scans, gating window size and tumor motion were evaluated for their contributions to the total uncertainty in treatment. The mechanical isocenter and 4DCT were found to be the largest sources of uncertainty. However, for tumors with large internal amplitudes (&gt;2.25 cm) that are treated with large gating windows (&gt;30%) the gating parameters can contribute more than 1.1 ± 1.8 mm. / La radiochirurgie stéréotaxique corporelle (RCSC) est une modalité de traitement utilisée sur les lésions extracraniales, tels que les cavités abdominaux et thoraciques, ainsi que les lésions situées à l'intérieure ou l'extérieure de l'épine dorsale. Au Centre Universitaire de Santé de McGill (CUSM), les traitements de la foie par RCSC se basent sur la synchronisation respiratoire qui permet de contrôler le faisceau de photons à l'aide de marqueurs référencés du cycle respiratoire du patient. L'objectif des traitements par synchronisation respiratoire est de limiter le dommage au tissue normal tout en transmettant la dose appropriée à la cible en mouvement. Le système ExacTrac® (BrainLab AG Allemagne) est un système de radiothérapie guidée par image comprenant une caméra infrarouge (IR) et deux tubes à rayons-x à l'échelle des kilovolts (kV). Le système IR suit le positionnement des patients et le mouvement respiratoire, alors que les rayons-x kV déterminent la variation des positions basées sur l'anatomie interne ou les marqueurs référencés. Afin de valider la capacité d'opération du système sous les conditions de synchronisations respiratoires, chaque étape du RCSC a été évaluée quantitativement. Initialement, le système fut testé sous les conditions statiques idéales, suivi par une étude incluant les paramètres de synchronisations. Les incertitudes de l'isocentre, l'algorithme de positionnement, la planification de la tomodensitométrie (CT) et les balayages par tomodensitométrie à quatre dimensions (4DCT), la période de synchronisation, et le mouvement de la tumeur furent évalués et la contribution de chacun des facteurs à l'erreur totale du traitement déterminée. L'isocentre mécanique et le 4DCT s'avèrent être les sources d'incertitudes majeures. Cependant, pour les tumeurs à large amplitude interne (&gt;2.25 cm) qui sont traitées avec de larges périodes de synchronisations (&gt; 30%), les paramètres de synchronisations peuvent aussi avoir des contributions supérieures à 1.1 ± 1.8 mm.

Within the field of medical physics, Monte Carlo radiation transport simulations are considered to be the most accurate method for the determination of dose distributions in patients. The McGill Monte Carlo treatment planning system (MMCTP), provides a flexible software environment to integrate Monte Carlo simulations with current and new treatment modalities. A developing treatment modality called energy and intensity modulated electron radiotherapy (MERT) is a promising modality, which has the fundamental capabilities to enhance the dosimetry of superficial targets. An objective of this work is to advance the research and development of MERT with the end goal of clinical use. To this end, we present the MMCTP system with an integrated toolkit for MERT planning and delivery of MERT fields. Delivery is achieved using an automated ``few leaf electron collimator'' (FLEC) and a controller. Aside from the MERT planning toolkit, the MMCTP system required numerous add-ons to perform the complex task of large-scale autonomous Monte Carlo simulations. The first was a DICOM import filter, followed by the implementation of DOSXYZnrc as a dose calculation engine and by logic methods for submitting and updating the status of Monte Carlo simulations. Within this work we validated the MMCTP system with a head and neck Monte Carlo recalculation study performed by a medical dosimetrist. The impact of MMCTP lies in the fact that it allows for systematic and platform independent large-scale Monte Carlo dose calculations for different treatment sites and treatment modalities. In addition to the MERT planning tools, various optimization algorithms were created external to MMCTP. The algorithms produced MERT treatment plans based on dose volume constraints that employ Monte Carlo pre-generated patient-specific kernels. The Monte Carlo kernels are generated from patient-specific Monte Carlo dose distributions within MMCTP. The structure of the MERT planning toolkit software and optimization algorithms are demonstrated. We investigated the clinical significance of MERT on spinal irradiation, breast boost irradiation, and a head and neck sarcoma cancer site using several parameters to analyze the treatment plans. Finally, we investigated the idea of mixed beam photon and electron treatment planning. Photon optimization treatment planning tools were included within the MERT planning toolkit for the purpose of mixed beam optimization.In conclusion, this thesis work has resulted in the development of an advanced framework for photon and electron Monte Carlo treatment planning studies and the development of an inverse planning system for photon, electron or mixed beam radiotherapy (MBRT). The justification and validation of this work is found within the results of the planning studies, which have demonstrated dosimetric advantages to using MERT or MBRT in comparison to clinical treatment alternatives. / La technique Monte Carlo de transport de particules est considéré la méthode la plus précise pour calculer la distribution de dose dans les patients. La plate-forme de planification de traitement Monte Carlo de McGill (MMCTP) offre un environnement de logiciels flexibles pour intégrer des simulations Monte Carlo avec les modalités de traitement actuelles et nouvelles. Une nouvelle modalité de traitement surnommée MERT devrait améliorer la dosimétrie sur des cibles superficielles. Un des objectifs de ce travail est d'avancer la recherche et le développement de MERT à des fins d'usage clinique. Ainsi, nous présentons la plateforme MMCTP avec une boite à outils intégrée pour la planification et l'administration de plans MERT. Ces plans sont administrés à l'aide d'un collimateur automatisé surnommé FLEC et d'un contrôleur. En plus des outils de planification MERT, la plateforme MMCTP a nécessité plusieurs ajouts pour effectuer les taches complexes impliquées dans l'automatisation des simulations Monte Carlo à large échelle. La première addition était un filtre d'importation DICOM, suivie par l'implémentation de DOSXYZnrc comme outil de calcul de dose puis l'implémentation des méthodes logiques pour soumettre et mettre à jour le statut des simulations Monte Carlo. Dans ce travail, nous avons validé la plateforme MMCTP en recalculant avec le code Monte Carlo un plan tête et cou réalisé initialement par un dosimétriste médical. L'impact de MMCTP réside dans le fait qu'il permet des calculs de dose Monte Carlo à grande échelle avec une plateforme indépendante et systématique pour différents sites et différentes modalités de traitement. En plus des outils de plannification MERT, différents algorithmes d'optimisation ont été créés indépendamment de MMCTP. Ces algorithmes produisent des plans de traitement MERT basés sur des contraintes dose volume en utilisant des kernels pré-générés Monte Carlo de patient spécifiques. Les kernels Monte Carlo sont généerés à partir des distributions de dose Monte Carlo de patient spécifique dans MMCTP. La structure des algorithmes d'optimisation et du logiciel de la boite d'outils de planification sont démontrées. Nous avons également étudié l'impact clinique de MERT sur les irradiations de la colonne, les irradiations accélérées de sein, les irradiations de la tête et des sarcomes du cou en utilisant plusieurs paramètres pour analyser les plans de traitement. Finalement, nous avons cherché à combiner des plans de traitement photons avec d'autres d'électrons. Les outils d'optimisation du plan de traitement en photon ont été inclus dans la boite à outils de planification de MERT dans le but d'optimiser la combinaison des faisceaux. En conclusion, le travail de cette thèse a permis de développer une plateforme avancée pour les études de planification de traitement Monte Carlo en photons et en électrons. Il a également permis de développer un système de planification inverse pour photon, électron ou la radiothérapie de faisceaux combinés (MBRT pour "Mixed Beam RadioTherapy"). La justification et la validation de ce travail sont déemontrées à travers les résultats des études de planification, qui ont déterminées les avantages dosimétriques d'utiliser MERT ou MBRT par rapport aux alternatives cliniques de traitement.

This work presents planning and delivery comparison of linac-based SRS treatment techniques currently available for single lesion cranial SRS. In total, two dedicated SRS systems (Novalis Tx, Cyberknife) and a HI-ART TomoTherapy system with six different delivery techniques are evaluated. Four delivery techniques are evaluated on a Novalis Tx system: circular cones, dynamic conformal arcs (DCA), static non-coplanar intensity modulated radiotherapy (NCP-IMRT), and volumetric modulated arc therapy (RapidArc) techniques are compared with intensity modulation based helical Tomotherapy on the HI-ART Tomotherapy system and with non-isocentric, multiple overlapping based robotic radiosurgery using the CyberKnife system. Thirteen patients are retrospectively selected for the study. The target volumes of each patient are transferred to a CT scan of a Lucy phantom (Standard Imaging Inc., Middleton, WI, USA) designed for end-to-end SRS QA. In order to evaluate the plans, several indices scoring the conformality, homogeneity and gradients in the plan are calculated and compared for each of the plans. Finally, to check the clinical deliverability of the plans and the delivery accuracy of different systems, a few targets are delivered on each system. A comparison between planned dose on treatment planning system and dose delivered on Gafchromic EBT film (ISP, Wayne, New Jersey, USA) is carried out by comparing dose beam profiles, isodose lines and by calculating gamma index. / Cette étude présente la planification et la comparaison de livraison de doses de les techniques de traitement par accélérateur linéaire (linac) à base de radiochirurgie stéréotactique (RCS) actuellement disponibles pour la RCS des lésions crâniennes uniques. Au total, deux systèmes RCS (Novalis Tx, Cyberknife) et un système HI-ART TomoTherapy avec six techniques différentes de livraison de doses sont évalués. Trois techniques de livraison de doses d'un système Novalis Tx sont évalués: arcs dynamiques conformationnelles, radiothérapie avec modulation d'intensité statique non-coplanaire et les techniques de thérapie volumétrique par arc modulé (RapidArc) sont comparées avec la tomothérapie hélicoïdale par modulation d'intensité sur le système HI-ART TomoTherapy et la radiochirurgie robotique non-isocentrique à multiples chevauchements du système CyberKnife. Treize patients sont rétrospectivement sélectionnés pour l'étude. Les volumes cibles de chaque patient sont transférés sur un scan tomodensitométrique d'un fantôme Lucy (Standard Imaging Inc, Madison, WI, Etats-Unis) conçu pour l'assurance qualité des systèmes RCS. Afin d'évaluer les plans de traitements, plusieurs métriques de notation de conformalité telles que l'homogénéité et les gradients du plan de traitement sont calculées et comparées pour chacun des plans. Enfin, dans le but de vérifier la faisabilité de livraison clinique des plans de traitements et la précision de livraison des différents systèmes, quelques cibles sont délivrées sur chaque système. Une comparaison entre la dose prévue sur le système de planification du traitement et la dose délivrée sur un film de type GAFCHROMIC EBT (ISP, Wayne, New Jersey, USA) est effectuée par comparaison des profils de faisceaux de dose, des lignes de doses de même intensité (isodose) et en calculant l'indice gamma.

Many studies have been conducted to investigate the energy dependence of External Beam Therapy (EBT) GAFCHROMICTM dosimetry films and showed that the different film models are water equivalent down to about 100 keV and their response is energy independent down to about 100 keV. The purpose of our study is to investigate the energy dependence of commercially available films to understand the physics behind the energy variation of the films response as well as the intrinsic energy dependence and to develop a new prototype with more uniform energy response at low energies (≤100 keV). The study is comprised of two components. The first component is evaluating the energy dependence of three different commercial GAFCHROMICTM dosimetry film models that represent the three different film configurations, EBT, EBT2 and EBT3 that have been manufactured up to date. The energy dependence evaluation can be further divided into two parts. The first part is experimentally evaluating the energy dependence of the response by irradiating the films to a fixed dose of 2Gy to water at different beam qualities (ranging from 50kVp to 60Co) and then measuring the corresponding response of the film, i.e. net optical density change, using a flat bed document scanner. The second part of the energy dependence evaluation is using the DOSRZnrc Monte Carlo code, which is one of the user codes of the EGSnrcMP (Electron-Gamma-Shower) Monte Carlo code, to calculate the corresponding absorbed dose to water energy dependence of the films, i.e. the ratio of dose to water to dose to the active volume of the film, using the experimental beams spectra, which were calculated using SpekCalc, an x-ray spectrum generating software, by matching the measured HVL, tube potential and added filtration of the experimental beams. The first component of our study would help us 1) understand the physics behind the energy variation of the film response, 2) evaluate the intrinsic energy dependence of the film, i.e. dose to film sensitive layer per unit film response as a function of beam quality, using the measured energy response and the corresponding absorbed dose to water energy dependence, 3) guide us to what can be done to improve the energy dependence at low energies. The second component of the study is adjusting the film sensitive layer composition with the guidance of Monte Carlo simulations of the absorbed dose to water energy dependence of the film to reduce the energy dependence of the film response at low energies, and making new film prototypes based on the new possible elemental compositions, then experimentally evaluating their energy response. Improving the energy dependence of the EBT GAFCHROMICTM dosimetry film at low energies will make it more suitable for high quality clinical dosimetry. It would be very convenient for clinical dosimetry to have one film dosimetry calibration curve that works at kilovoltage and megavoltage beam qualities. This would allow us to create the film dosimetry calibration curve at, for example, 60Co and then use it for film dosimetry at kilovoltage and other megavoltage beam qualities. On the other hand, since the x-ray spectrum changes in quality and quantity with depth as it penetrates into patient tissue, it is very important that the response of the detector as a function of beam quality be as flat as possible to minimize the uncertainty and error in dose determination. Thus, improving the energy dependence at low energy will result in improving the accuracy of film dosimetry. / Plusieurs études ont été réalisées pour étudier la dépendance énergétique des films dosimétriques GAFChromic® et ont montré que les modèles de film différents sont équivalents d'eau à environ 100 keV et leur réponse est indépendante de l'énergie à environ 100 keV. L'objectif de notre étude est d'étudier la dépendance énergétique des film commerciaux pour étudier la physique derrière la variation d'énergie ainsi que la dépendance énergétique intrinsèque de développer un nouveau prototype avec une réponse uniforme énergétique aux basses énergies (3.0 100 keV). L'étude se compose de deux éléments. Le premier est l'évaluation de la réponse énergétique de trois différents films dosimétriques GAFChromic® (EBT, EBT2 et EBT3), qui ont été fabriqués à jour, qui est effectuée par l'irradiation des films à une dose fixe de 2 Gy à l'eau à différentes qualités de rayonnement et mesurer la réponse correspondante au film, c'est à dire la variation nette de la densité optique, à l'aide d'un scanner à plat de documents. Puis, en utilisant le code Monte Carlo, DOSRZnrc, qui est l'un des codes d'utilisateur du code EGSnrcMP (Electron-Gamma-Shower) pour calculer la dose absorbée a lèau correspondant à la dépendance énergétique des films. Le deuxième élément est le réglage de la composition de la couche sensible des films à ainsi réduire la dépendance énergétique de la réponse du film à basse énergie avec l'aide des simulations de Monte Carlo. En utilisant ce procédé la réalisation de prototypes de nouveaux films basé sur l'éventuelle nouvelle compositions élémentaires ont été tester expérimentalement pour la dépendance énergétique. L'amélioration de la dépendance énergétique aux basses énergies va rendre les films dosimétriques plus adapté pour la dosimétrie de haute qualité. Puisque le spectre de rayons X changes la qualité et la quantité avec la profondeur en pénétrant dans les tissus du patient, il est très important que la réponse d'un détecteur en fonction de la qualité du faisceau être le plus plat possible pour minimiser l'incertitude et lèrreur dans la détermination de la dose. Donc, améliorer la dépendance énergétique aux basses énergies donnera lieu à l'amélioration de la précision de la dosimétrie du film. Il serait très pratique pour la dosimétrie d'avoir une courbe de calibration pour les films qui fonctionne dans une large gamme d'énergies. Donc par exemple, vous pourriez d'établir la courbe de calibration au faisceau de Cobalte-60 et l'utiliser pour la dosimétrie au energies de kilovoltage ainsi que d'autres faisceaux de haute energies.