Treatment planning in radiation therapy is based on the calculation of dose distributions, aimed at best representing the physical dose distributions. The most promising avenue towards this goal is the Monte Carlo technique, whereby particle trajectories are simulated from a modelled radiation source into a patient volume. Following the trend of incorporating fast Monte Carlo algorithms in clinical electron beam dosimetry, Elekta CMS inc. commercialized an electron Monte Carlo (eMC) module implemented in the treatment planning system XiO. The algorithm is based on the XVMC code and allows for fast calculations in voxelized heterogeneous media. This thesis reports its validation as a first step towards clinical implementation for an Elekta SL25 linear accelerator. Simulations with the eMC module were performed for 12 MeV beams in different CT scanned phantoms and beam setups. Concurrently, GafChromic® EBT3 film measurements were performed and the two dose distributions were compared, using mainly three-dimensional gamma agreements. Film measurements were analysed through a novel method using the triple channel dosimetry function of Film QA Pro, thus yielding absolute dose readings with an uncertainty of ±1.5% over the range of [75, 700] cGy. The results indicate that beam models generated by CMS should be validated prior to any more complex investigation as they strongly impact on the accuracy of dose distributions. Provided that the beam models are valid, the comparisons are very promising : a 2%/3 mm agreement was found between measurements and calculations at different depths in a three-dimensional heterogeneous phantom. / La planication de traitements en radiothérapie est basée sur des calculs de distributions de dose visant à reproduire les distributions réelles. À cet effet, la méthode Monte Carlo simulant les trajectoires des particules et la déposition de dose à partir d'une source de radiation modélisée s'avère des plus prometteuses. Suivant le mouvement d'intégration clinique des méthodes Monte Carlo dites rapides pour les traitements par électrons, la compagnie Elekta CMS inc. a commercialisé un module électron Monte Carlo (eMC) implémenté dans le système de planification de traitement XiO. L'algorithme est basé sur le code XVMC et permet d'effectuer des calculs rapides de la dose dans des milieux hétérogènes voxelisés. Ce mémoire rapporte une première étape de l'implémentation clinique de l'algorithme pour un accélérateur Elekta SL25. Des simulations eMC ont été effectuées pour des faisceaux de 12 MeV dans différents fantômes et conditions d'irradiation. Parallèlement, des mesures ont été réalisées à l'aide de films GafChromic® EBT3 et les distributions de dose ont été comparées grâce à outil de comparaison gamma 3D. Les films ont été analysés via unenouvelle méthode employant la technique de dosimétrie à trois canaux de Film QA Pro. Celle-ci fournit des lectures de dose absolue entre 75 et 700 cGy avec une incertitude de ±1.5%. Les résultats indiquent que les modèles de faisceaux générés par CMS ont un impact considérable sur les distributions de dose ; ainsi, ils doivent être validés en premierlieu. Lorsque les faisceaux soient bien modélisés, les comparaisons de dose obtenues sont prometteuses : un accord de 2%/3 mm entre les mesures et les calculs a été déterminé à différentes profondeurs dans un fantôme hétérogène complexe.

Use of composite non-uniform radiation fields, which consist of a multitude of small fields, is very common in modern radiotherapy techniques. The conventional reference dosimetry protocols, however, use a 10 × 10 cm2 field as the reference machine calibration condition. The purpose of this work is to develop new, direct absorbed dose calibration methods for modern radiotherapy techniques that use static and composite nonstandard fields. An IAEA-AAPM international working group [Med. Phys. 35:5179–5186 (2008)] proposed a new formalism and introduced two intermediate fields, machine specific reference (msr) field fmsr and plan-class specific reference (pcsr) field fpcsr, for reference dosimetry of static and composite nonstandard fields, respectively. In the new formalism, correction factors which account for the difference in chamber calibration conditions between the reference field and msr field k^fmsr,fref_Qmsr,Q , pcsr field k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q or clinical field k^fclin,fref_Qclin,Q were defined. This thesis focuses on the characterization of these correction factors. The dosimetry techniques to accurately measure the absorbed dose to water in nonstandard fields were established using four different radiation detectors, for which collecting volumes are radiologically water-equivalent. The characteristics of each radiation detector response were thoroughly investigated. Dose measurementin a nonstandard field normalized to that in the reference 10 × 10 cm2 field can be performed with an uncertainty of 0.2–0.3% when the dose distribution in the reference measurement region is homogeneous. Correction factors k^fmsr,fref_Qmsr,Q and k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q were measured for one static nonstandard field and two different composite nonstandard fields, respectively, using different types of air-filled ionization chambers. Using the established dosimetry techniques, the k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q were measured for different composite nonstandard fields which deliver various dose distributions in the reference measurement region. This work proved that the values of k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q depend on the dose heterogeneity over the chamber collecting volume. Based on the measurement results, guidelines were suggested to select a new intermediate field for reference dosimetry of composite nonstandard fields. Finally, the IAEA-AAPM new formalism with values of k^fclin,fref_Qclin,Q obtained by experiments and MC methods was applied to reference dose measurement of clinical composite nonstandard fields using a calibrated air-filled ionization chamber. The corrected measured dose for each clinical field was compared with dose calculated using clinical treatment planning software or Monte Carlo methods. It was found that the accurate positioning of the reference detector and air-filled ionization chamber becomes more important when the dose heterogeneity in the reference measurement region increases. In conclusion, this thesis provides a method for accurate dose measurements in static and composite nonstandard fields. This work will help pave the way to improve the dosimetric consistency in these dynamic modern radiotherapy techniques. / L'utilisation de champs de rayonnement composes non uniformes, qui consistent en une multitude de petits champs, est tres commune dans les techniques modernes de radiotherapie. Cependant, les protocoles de dosimetrie de reference conventionnels utilisent un champ standard de 10×10 cm2 pour calibrer les appareils. Le but de ce travail est de developper de nouvelles methodes de calibration de la dose absorbee pour des techniques modernes de radiotherapie, ce en utilisant autant des champs statiques que des champs composes non standards. Le groupe de travail AIEA-AAPM a propose un nouveau formalisme qui introduit deux champs intermediaires, soient le champ specifique a l'appareil (fmsr) et le champ specifique au plan de traitement (fpcsr), ce pour la dosimetrie de reference des champs statiques et des champs composes non standards, respectivement. Dans ce nouveau formalisme, des facteurs de corrections ontete definis afin de tenir compte des conditions de calibration de la chambre qui different entre le champ de reference et les champs fmsr, fpcsr ainsi que les champs cliniques (fclin). Ces facteurs sont respectivement d´efinis ainsi: k^fmsr,fref_Qmsr,Q , k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q et k^fclin,fref_Qclin,Q . Cette these comporte sur la caracterisation exprimentale de ces facteurs de correction. Les techniques de dosimetrie visant a mesurer precisement la dose absorbe dans l'eau pour des champs non standards ont ete etablies en utilisant quatre differents detecteurs de radiation, chacun ayant un volume sensible radiologiquement equivalent a l'eau. Les caracteristiques de chaque detecteur ont ete approfondies. Les mesures de dose dans un champ non standard normalise a un champ de reference de 10×10 cm2 peuvent etre obtenues avec une incertitude de 0.2-0.3% lorsque la distribution de dose dans la region de mesure de reference est homogene. Les facteurs de correction k^fmsr,fref_Qmsr,Q et k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q ont ete mesures pour un champ statique non standard et pour deux differents champs composes non standards, respectivement, en utilisant differents types de chambres d'ionisation a air. En utilisant les techniques de dosimetries etablies, les k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q ont ete mesures pour plusieurs champs composes non standards qui produisent diff´erentes distributions de dose dans la region de mesure de reference. Ce travail demontre que les valeurs de k^fpcsr,fref_Qpcsr,Q d´ependent de l'heterogeneite de la dose dans le volume sensible de la chambre. Base sur les resultats des mesures, des lignes de conduite sont suggereespour determiner un champ intermediaire necessaire a la dosimetrie de reference des champs composes non standards. Finalement, le nouveau formalisme de l'AIEA-AAPM a ete applique a des mesures de dose de reference de champs composes non standards cliniques avec les valeurs k^fclin,fref_Qclin,Q obtenues experimentalement et avec des methodes Monte Carlo pour une chambre d'ionisation a air etalonnee. La dose mesuree et corrigee pourchacun des champs a ete comparee avec la dose calculee en utilisant un logiciel de planification de traitement ou des methodes Monte Carlo. Il a ete determine que la precision du positionnement du detecteur de reference ainsi que celui de la chambre d'ionisation a air devient plus important lorsque l'heterogeneite de dose dans la regionde mesure augmente. En conclusion, cette these fournit une methode precise de mesure de la dose absorbee pour des champs statiques et des champs compose non standards. Ce travail aidera a ameliorer la coherence des methodes dosimetrique appliquables aux techniques modernes de radiotherapie.

Patient geometry often changes during the course of radiation therapy due to factors such as weight loss, tumor and normal tissue growth or shrinkage, and intra-treatment position variations. It has been shown that these changes can cause the dose delivered to differ from the originally planned dose distribution. Often this will result in the need to create a modified treatment plan, a process known as adaptive radiation therapy. The aim of this thesis is to evaluate the dosimetric effects due to anatomical changes and positioning variations during intensity-modulated radiation therapy through two retrospective studies. MIM Software (Cleveland, OH), a commercially available deformable registration tool, is used for this work. In the first study, the daily dose for four breast cancer patients undergoing a volumetric modulated arc boost treatment to the tumor bed is calculated on pretreatment cone beam computed tomography images. Two treatment isocenters, corresponding to the initial patient set up position, and the shifted position based on pretreatment imaging, are used for dose verification. The results indicate that a planning target volume consisting of the tumor bed and a uniform margin expansion of 1 cm is adequate to account for positioning errors. In the second study, the daily dose is calculated on the pretreatment megavoltage computed tomography images for craniospinal irradiation and head and neck cancer patients undergoing helical tomotherapy. The dose for each treatment fraction is deformed and accumulated to the planning computed tomography image for comparison with the original plan. This study assesses the effects of anatomical changes on treatment delivery. The results indicate a slight decrease in target coverage and no significant increase in dose to critical structures. / Souvent, au cours d'une procédure de radiothérapie, la géométrie du patient change en raison de facteurs tels que la perte de poids, la croissance ou le rétrécissement des tissus tumoral et normal, et les variations de position en cours de traitement. Il a été démontré que ces changements peuvent faire en sorte que la dose de radiation administrée soit différente de la dose initialement planifiée. Souvent, cela se traduit par la nécessité de créer un plan de traitement alternatif, un processus appelé radiothérapie adaptative. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les effets dosimétriques causés par des changements anatomiques ainsi que les variations de positionnement au cours de la procédure de radiothérapie avec modulation d'intensité à travers deux études rétrospectives. MIM Software (Cleveland, OH), un outil d'enregistrement non-linéaire disponible sur le marché, est utilisé pour ce travail. Dans la première étude, la dose quotidienne de quatre patients atteints de cancer du sein qui subissent un traitement volumétrique modulée arc-boost dans le lit tumoral est calculée à partir des images prétraitement de tomodensitométrie à faisceau conique. Deux isocentres de traitement, correspondant à la position initiale du patient et à la position ajustée à partir d'imagerie prétraitement, sont utilisés pour la vérification de la dose. Les résultats indiquent que le volume cible prévisionnel comprenant le lit tumoral et une augmentation de la marge uniforme de 1 cm sont suffisants pour tenir compte des erreurs de positionnement. Dans la deuxième étude, la dose quotidienne est calculée sur les images prétraitement de tomodensitométrie à mégavoltage pour l'irradiation craniospinale et aux patients atteints de cancer de la tête et du cou qui obtiennent la tomothérapie hélicoïdale. La dose pour chaque fraction de traitement est déformée et accumulés sur le CT de planification pour être comparée avec le plan original. Cette étude évalue les effets des changements anatomiques sur l'administration du traitement. Les résultats indiquent une légère diminution de la couverture cible et aucune augmentation significative de la dose pour les structures critiques.

Cone-beam computed tomography (CBCT) images suffer from poor image quality, in a large part due to scattered x-rays. In this work, a fast and accurate Monte Carlo based scatter correction algorithm was implemented on real CBCT data. A fast Monte Carlo simulation developed in the EGSnrc framework was used to transport photons through an uncorrected CBCT scan. From the simulation output, the contribution from both primary and scattered photons for each projection image was estimated. Using these estimates, a subtractive scatter correction was performed on the CBCT projection data. Implementation of the scatter correction algorithm on CBCT phantom scans was shown to help mitigate scatter-induced artifacts, such as cupping and streaking. The scatter corrected images were also shown to have improved accuracy in reconstructed attenuation coefficient values. These results suggest that the proposed scatter correction algorithm is successful in improving image quality in real CBCT images, and are promising results towards the reliable use of CBCT images in adaptive radiotherapy. / Les images de tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) souffrent d'une qualité d'image inférieure en partie due aux rayonnement diffusés. Dans cet ouvrage, un algorithme Monte Carlo rapide et précis fut appliqué sur des images CBCT cliniques. En utilisant un logiciel de transport de particules à base Monte Carlo pour transporter des photons dans un CBCT où les données n'ont pas été corrigés, la contribution des photons diffusés primaires et secondaires pour chaque image fut estimée. En utilisant cet estimé, une correction fut apportée sur les données du CBCT. La méthode de correction CBCT a démontré sa capacité de mitiger les artéfacts introduient par la diffusion des photons. Les images corrigées ont montré une plus grande précision pour la reconstruction des coéfficients d'atténuation. Ces résultats suggèrent que la méthode proposée pour corriger des images CBCT fut un succès pour l'amélioration de la qualité d'images CBCT réelles, et insinuent une utilisation able des images CBCT en radiothérapie adaptative.

Beam quality specification is essential in accurate characterization of radiotherapeutic beams. Amongst the many beam quality parameters that have been defined and applied, the linear energy transfer (LET) is one of the few parameters that provide an insight into the radiobiological effects of radiation. In this work, we investigated the feasibility of establishing a beam quality detector that allows for the indirect measurement of LET in the clinic. Intrinsic energy dependence was induced in an Exradin A12 ionization chamber by replacing its chamber wall with geometrically identical yet material varying walls. The energy response of these detectors was characterized by investigating the effect of varying chamber wall materials on the polarity and ion recombination correction factors. Using these detectors, measurements were performed across a wide range of beam energies (for both photons and electrons). Monte Carlo simulations were used to validate the measured data, and to obtain the mean primary electron energy of each beam. The data were used to calculate and relate the LET to the unique signals measured with the detectors under each radiation beam, which allowed us to establish a calibration curve. The calibration curve was validated by using the detectors to measure the signals produced by a radiation beam of unknown LET. The results showed that by using the calibration curve, the LET of radiation beams—with energies falling within our range—can be derived by performing a set of simple measurements. The derived LET values were found to be accurate to within a total uncertainty of nearly 10%. As a practical application to this method, the LET variations across 10 x 10 cm^2 radiation fields of 6 MV and 18 MV photons were measured. The results showed that within our uncertainty, the LET of high-energy photon beams outside of the field edges can vary to up to 20% from their central point values. The proposed method provides a new approach for a practical and efficient measurement of the LET in the clinic. / La spécification de la qualité de faisceau est essentielle pour la caractérisation de faisceau radio thérapeutique. Parmi les multiples paramètres de qualité de faisceau qui ont été défini et appliqué, le transfert d'énergie linéaire (LET) est un des seuls qui donne une indication sur les effets radiobiologique des radiations. Dans ce travail, nous avons investigué la faisabilité d'établir un detector de qualité de faisceau qui permet de mesurer indirectement le LET en clinique. La réponse d'énergie intrinsèque a été induite dans une chambre d'ionisation Extradin A12 en replaçant sa paroi par différents matériaux en gardant une géométrie identique. La réponse énergétique de ces détecteurs a été caractérisée en investiguant les effets des différents matériaux de la paroi de la chambre sur les facteurs de corrections de polarité et de recombinaison ionique. Les mesures, utilisant ces détecteurs, ont été effectuées pour un large éventail d'énergie de faisceau (de photons et d'électrons). Des simulations de Monte Carlo ont été utilise pour valider les données mesurée ainsi que pour obtenir l'énergie moyenne des électrons primaires pour chaque faisceau. Les données ont été utilisées pour calculer and établir une relation entre le LET et le signal unique mesuré avec les détecteurs pour chaque faisceau de radiation, ce qui nous a permit d'établir une courbe de calibration. Cette courbe de calibration a été validée en utilisant les détecteurs pour mesurer les signaux produit par un faisceau de radiation possédant un LET inconnu. Les résultats démontrent qu'en utilisant la courbe de calibration, le LET de faisceau de radiation – avec des énergies comprises dans notre éventail – peuvent être dérivé en performant une série de simple mesures. Les valeurs de LET ainsi obtenues sont précises avec une incertitude total d'environ 10%. Pour une application pratique de cette méthode, les variations de LET ont été mesurées sur des champs de radiation de 10 x 10 cm^2 pour 6 MV et 18 MV. Les résultats montrent que compris dans notre incertitude, le LET des faisceaux de photon à haute énergie en dehors des limites du champ peut varier jusqu'à 20% de sa valeur au point central. La méthode proposée permet une nouvelle approche pratique et efficace pour la mesure du LET en clinique.

Treatment planning standardization efforts were made for the Stereotactic Radiosurgery(SRS) program at the Jewish General Hospital, Montreal. A standardized dose objective template for SRS was made in collaboration with physicians in our clinic. A web based platform was made for radiotherapy research and data analysis. The web platform was made with considerations for ease of distribution and customizability. A plan report module was made for the web platform to automatically analyze dose statistics and generate SRS plan reports. The plan report module was well received by dosimetrists in our clinic and reduced the labour required in plan evaluation. A total of 35 approved treatment plans were imported into the web application for analysis. A quantitative metric, Quality Index (QI), was developed to measure SRS plan compliance to the standardized plan evaluation template. The results show increased average QI and decreased QI variation between pre-release and post-release of the web application. The validation of QI as a quality indicator of a treatment plan warrants further study. / Des efforts ont ete fait envers la standarisation de la planification de traitements pour le programme de radiochirurgie stereotactique (SRS) a l'Hopital General Juifde Montreal. Un modele standardise d'objectifs de dose pour la SRS a ete construit en collaboration avec les medecins clinique. Une plate-forme web a ete programme afin de faire l'analyse des donnees de recherche. Le web a ete choisis comme hote de la plate-forme en raison de la facilite de distribution et d'adaptation des applications web. Un module de redaction de rapports automatique est inclue dans la plate-forme pour effectuer une analyse statistique de la dose pour chaque plan et ensuite rediger un rapport. Le module a ete implante en clinique avec succes et une reduction marquee de la charge de travail requise pour l'evaluation des plans de traitement pour la SRS. Un total de 35 plans ont ete approuve pour l'importation dans la plateforme web pour l'analyse de donnees. Un metrique quantificatif surnomme L'index de Qualite (QI) a ete developpe pour evaluer l'adherence des plans au modele standard construit. Les resultats demontrent une hausse du QI ainsi qu'une baisse de la variance entre chaque plans suite a l'implantation de la plate-forme web. D'autres etudes doivent etre performes pour valider le QI en tant qu'indicateur de qualite de plans.

The free radical theory of the indirect action of radiation, though not completely satisfactory, has survived nearly 10 years since it was postulated by Weiss in 1944. The suggested mechanism is as follows: (1) The primary act is the ionization of a water molecule. H2O→radiation H2O++e- (2) The electron travels to a distance where it reacts with another water molecule. e-+H2O→H+OH- (3) The heavier H2O+ remains near the original site, splitting into a neutral and a charged particle. H2O+→H++OH The overall reaction can be written: H2O→radiationH+OH It is estimated that the H and OH are formed about 2 x 10 -6 cm apart. Thus with a densely ionizing particle many OH radicals are formed near each other and the H radicals appear in a cylindrical sheath of 5 x 10-6 cm mean radius. In this case the formation of hydrogen peroxide is favored. Admitting the possibility of intermediate steps, the reaction can be written: OH+OH→H2O2 With particles of lower linear ion density, it is presumed that the OH radicals are formed at a distance comparable to, or greater than the distance separating the H and OH and that then the recombination is favored H+OH→H2O For this reason no H2O2 appears in pure oxygen-free water with X- and gamma-rays at moderate dose rates. In the work to be presented here, the free radical hypothesis is neither proved nor disproved. However, as will be pointed out later, other mechanisms can be postulated to explain the experimental findings.

A study of the emission of gamma rays from excited nuclei is an important means to the identification of the nuclear levels involved. By observations of cascade versus single transitions and the relative probabilities of various modes of de-excitation of different excited levels, the character of these levels can often be derived. With such information, and with other data available from particle group observations, complete decay schemes can be built up, and in some cases unique values of the level parameters can be assigned. A comparison of these results with current nuclear models should lead to a more satisfactory theoretical treatment of the nucleus.

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