This thesis reports on the feasibility of performing beam data acquisition on a medical linear accelerator (linac) using an ionization chamber array, the IC PROFILER(TM) (ICP; Sun Nuclear Corp., Melbourne, FL, USA). This quality assurance tool has been suggested as a possible alternative to scanning water tank (SWT) systems for the task of beam data acquisition leading to data importation into a treatment planning system (TPS) and the subsequent beam modeling. With a detector array, the potential is present to greatly reduce the important measurement time required when performing acquisition with a SWT system. A beam acquisition method allowing all data necessary for importation into Pinnacle³ (Philips Medical System, Fitchburg, WI, USA) TPS to be acquired in a short time span was developed. This method was used with a specific experimental setup to acquire all necessary beam data for the 6 MV and 18 MV beams of an Elekta Synergy(R) (Elekta AB, Stockholm, Sweden) linac. The resulting beam data set was compared to the data set acquired with a SWT system at the time of the original commissioning of this machine. The comparisons were performed with the use of the gamma index and by straight percentage difference, over percent depth dose (PDD) curves and beam profile (off-axis ratios, OAR) curves. The ICP-acquired data were then imported into the Pinnacle³ TPS. The resulting beam models (one for each energy and open or wedged beam), termed ICP beam models, were compared directly to clinically-used beam models for the machine (called here SWT models). Again, the comparisons were made using the gamma index and percentage difference for PDDs and OARs. Each beam model was compared to a corresponding model validation data set of measurements. The validation results from the ICP beam models were compared to the validation results of their corresponding clinical beam model. It was ensured that the ICP beam models agreed better with the ICP measurements by comparing the results of ICP model-to-ICP data and SWT model-to-ICP-data comparisons. TPS-calculated 3D dose distributions for some validation fields and clinically-used treatment plans were compared using per-voxel dose difference and the gamma index. The results of the comparisons of ICP data to SWT data show that, on average over all field sizes, for a 2 %, 2 mm tolerance for the gamma index, the 6 MV acquisition data set has a passing rate of 97.7 % for OARs and 96.3 % for PDDs, while passing rates are respectively 99.0 % and 95.7 % for the 18 MV data set. The ICP-measured relative dose factors (RDF) show an underestimation for the smallest field sizes and an overestimation for the largest field sizes, the effect being more prominent for the 6 MV beam than the 18 MV beam. 3D dose distribution comparisons show that there are significant differences present between the two beam models mainly in the buildup region of the PDDs and the beam penumbrae. These differences in the beam models sometimes lead to differences that could affect clinical decisions as to whether or not a treatment plan is suitable for use. Overall, with the developed method, it may be said that the IC PROFILER(TM) is not suitable for performing beam acquisition for the purpose of TPS data importation. However, the method presented in this work allows a great speed in making measurements to be achieved (~3 measurements per minute). In combination with the ICP, this method could be a way of performing beam matching, where one seeks to confirm if a machine's beam matches that of another, or simply as a fast way to obtain quality assurance baseline measurements. Other than the development of a rapid beam data acquisition method, this work allowed the determination of some limitations of the ICP in the context of beam commissioning. / Cette thèse traite de la faisabilité d'effectuer l'acquisition des données de faisceau d'un accélérateur linéaire médical (linac) à l'aide d'une matrice de chambres d'ionisation, l'IC Profiler(TM) (ICP ; Sun Nuclear Corp., Melbourne, FL, É.-U.). Cet outil de contrôle de la qualité a été proposé comme alternative possible aux systèmes à balayage dans l'eau (SWT) pour l'acquisition des données qui seront importées dans le système de planification de traitement (TPS) pour créer les modèles de faisceau. Le temps d'acquisition des données avec une matrice de détecteurs est potentiellement très réduit en comparaison du temps nécessaire avec un SWT. Une méthode a été développée pour acquérir en un minimum de temps toutes les données de faisceau requises pour l'importation dans Pinnacle³ (Philips Medical System, Fitchburg, WI, É.-U.). Cette méthode a été utilisée avec un protocole expérimental spécifique afin d'acquérir les données nécessaires des faisceaux de 6 MV et 18 MV d'un linac Synergy(R) d'Elekta (Elekta AB, Stockholm, Suède). Les données de faisceau obtenues ont été comparées aux données acquises avec un SWT au moment de la mise en service initiale de l'accélérateur. Les comparaisons ont été effectuées à l'aide de l'index gamma et par différence relative des courbes de rendement en profondeur (PDD) et des courbes de rapports hors axe (OAR). Les données acquises avec l'ICP ont ensuite été importées dans le TPS Pinnacle³. Les modèles de faisceau obtenus, dits modèles ICP, ont ensuite été comparés directement aux modèles SWT utilisés en clinique. Encore une fois, les comparaisons ont été effectuées avec l'index gamma et la différence relative des courbes de PDD et d'OAR. Chaque modèle ICP a aussi été validé à l'aide de données de validation mesurées indépendamment. Les résultats de validation de chaque modèle ICP ont étés comparés aux résultats de validation du modèle clinique correspondant. Les données ICP ont été comparées aux modèles SWT et aux modèles ICP et il a été vérifié que les modèles ICP s'accordent mieux avec les données ICP. Des distributions de dose en 3D, calculées avec le TPS pour quelques champs de validation et pour des plans de traitement cliniques, ont été comparées par soustraction voxel par voxel et avec l'index gamma. Les résultats des comparaisons des données ICP et des données SWT montrent qu'en moyenne, sur tous les champs, avec une tolérance de 2 %, 2 mm sur l'index gamma, les données d'acquisition du faisceau de 6 MV ont un taux de passage de 97,7 % pour les OAR et de 96,3 % pour les PDD, tandis que les taux de passage sont respectivement de 99,0 % et 95,7 % pour les données du 18 MV. Les facteurs de dose relative (RDF) mesurés avec l'ICP sont sous-estimés pour les petits champs et surestimés pour les grands champs, le phénomène étant plus prononcé pour le 6 MV que pour le 18 MV. Les comparaisons des distributions de dose en 3D montrent qu'il y a des différences significatives entre les deux modèles ICP et SWT, notamment dans la zone de recouvrement électronique (build-up) des PDD et dans la pénombre des champs. Ces différences entre modèles mènent quelques fois à des différences entre plans de traitement qui pourraient affecter la décision prise concernant la validité du plan. Avec la méthode développée ici, on peut conclure que l'IC Profiler(TM) n'est pas un outil approprié pour l'acquisition des données de faisceau qui seront importées dans un TPS. Cependant, la méthode présentée dans cette thèse permet de prendre des données très rapidement (environ 3 mesures/minute). Utilisée avec l'ICP, cette méthode pourrait permettre de vérifier que les faisceaux de deux machines concordent, ou bien d'acquérir rapidement les données de référence pour l'assurance de la qualité. Outre le développement d'une méthode rapide d'acquisition de données, ce travail a aussi permis de caractériser certaines limites de l'ICP si on l'utilise pour la mise en service d'un linac.

Time alignment is performed on a conventional PET scanner in order to reduce the noise in the image from undesirable interactions, called randoms. In time of flight scanners this alignment is even more critical in order to place the position of an annihilation accurately. Traditionally, the alignment is an iterative process done by adjusting time offsets and recording the count rate until it is maximized. We have designed and built a positron detector that can be placed in the PET scanner. This enables each crystal in the scanner to be aligned to the same event (the positron detection), providing a constant reference to each crystal. This both increases the accuracy of the alignment and the speed in which it can be done. / L'alignement de temps est effectué sur un TEP conventionnelle pour réduire le bruit dans l'image causé par des interactions hasard. Dans les appareils utilisant le temps-de-vol, cet alignement est essentiel pour bien connaitre la position exacte de l'annihilation. Traditionnellement, l'alignement est un processus répétitif accompli en ajustant les décalés de temps et en enregistrant le taux de compte jusqu'il soit maximisé. Nous avons créé un détecteur de positron que nous pouvons placer l'intrieur du PET. Ceci nous permet d'aligner chaque cristal dans le scanner au même événement (la détection de positron), et de fournir une référence constante à chaque cristal. Ceci augmente la précision et la vitesse de l'alignement.

The present generation of medical linear accelerators is computer controlled providing great precision in dose delivery in addition to other options, such as conformal radiotherapy which involves intensity modulated fields. These fields are produced with multileaf collimators (MLCs) capable of delivering a radiation beam with a pre-determined modulated intensity using the dynamic capabilities of the MLC leaves. Two dynamic beam delivery methods are currently used: the step and shoot method and the continuous motion method. The first consists of several static subfields with the motion of the leaves occurring without the presence of radiation, while in the other the leaves may move with the beam on. / The work presented here intends to prove that dynamically enabled linear accelerators can be used with confidence by verifying the accuracy and the stability of motions of the movable axes for the two dynamic beam delivery methods. Prior to clinical use, the integrity of the entire beam delivery system must be tested and the dosimetry related to the MLC must be examined. The purpose of this thesis is to develop, analyze and perform tests for the commissioning of the dynamic beam delivery capabilities of a medical linear accelerator and to catalogue these tests to facilitate their implementation in a routine quality assurance program.

Treatment planning is recognized as a fundamental step in clinical radiotherapy. The increased availability and complexity of three dimensional (3D) computerized treatment planning systems necessitates a full verification protocol to be completed prior to the implementation of the treatment planning system in routine use. / We have designed and performed a detailed experimental verification program aimed at evaluating each individual dosimetric aspect of our 3D computerized treatment planning system (Varian CADPLAN, version 2.62). The verification tests ranged in complexity from the most basic standard geometry to a simulation of a full treatment case. Results from each individual testing geometry are presented, and an overall evaluation is discussed. We have concluded that our 3D treatment planning system is acceptable for clinical use.

ABSTRACT Intensity modulated beams use complicated computerized treatment planning systems; this makes a manual verification of the number of monitor units difficult to perform. Consequently, before treatment, patient-specific quality assurance must be done in order to ensure that the delivery agrees with the plan; this process involves a measurement of 2D dose distribution in a phantom. In this thesis, first, a photostimulable phosphor luminescence device (also referred to as computed radiography or CR) was evaluated for dosimetric purposes. The proposed protocol showed linearity response of the CR, but energy and field size dependence were discovered. Second, two widely used films for IMRT QA were compared: the radiological film, EDR2, and the radiochromic film, EBT, with the use of the scanner EPSON1680 and the software FILMQA. Results showed that in the relative dose mode, EDR2 gives higher number of pixels passing a chosen criterion compared to EBT. This fact is attributed to the highest contrast observed with EDR2; therefore, any change on pixel value due to scanner artifacts will have less impact on dose calculations with EDR2. Finally, the impact of scanner artifacts on dose assessment with EBT films, processed with FILMQA and a program written on MATLAB, was studied. A correction was introduced on MATLAB that proves the importance of taking scanner artifacts into account for the measurements with the scanner EPSON1680 and EBT films digitized in the portrait orientation. Comparison between FILMQA and MATLAB was performed on profile’s measurements and on fifteen head and neck IMRT QA cases. This comparison showed that one case out of fifteen was drastically improved with MATLAB, yet FILMQA gave inaccurate results of profiles compared with the correction applied on MATLAB. / ABRÉGÉDélivrer un traitement conforme à la planification est une des responsabilités duphysicien médical; ceci est relativement simple à vérifier en RadiothérapieConformationnelle. Cependant, la complexité des calculs en Radiothérapie avecModulation d’Intensité (RTMI) rend cette vérification moins évidente puisque larelation entre la dose et les unités moniteures est plus difficile à établir. Enconséquence, irradier un fantôme conformément au plan établi pour le patient estune étape effectuée avant chaque traitement. Cette irradiation s’accompagned’une mesure à l’aide d’une chambre d’ionisation et d’une mesure desdistributions de doses à 2D. Dans cette thèse trois points sont soulevés. Lepremier consiste à évaluer le Computed Radiography (CR) en dosimétrie; leprotocole proposé a mené à une réponse linéaire mais dépendante en énergie et enlargeur de champ. En second lieu, une comparaison de deux films (EDR2 et EBT)largement utilisés pour l’assurance qualité en RTMI a été effectuée. L’étude amontré qu’en dose relative, EDR2 donnent de meilleurs résultats que EBT. Ceciest attribuable au fait que le contraste enregistré avec EDR2 rend les artefacts descanners moins importants sur le calcul de dose comparativement à EBT. Latroisième partie de ce travail traite de l’importance des artefacts introduits lors dela lecture des EBT sur le scanner EPSON1680. Une correction de ces artefacts,effectuée sur MATLAB, a prouvé leur importance. Le logiciel FILMQA utilisé enclinique pour le traitement des films a montré une grande erreur sur la mesure desprofils, mais sur 15 plans d’RTMI étudiés, un seul cas a véritablement étéamélioré par la correction effectuée sur MATLAB.

Thermodynamics of irreversible processes in a radiation field is formulated, based on kinetic theory, by treating nonequilibrium radiation as a nonequilibrium photon gas interacting with matter. The generalized hydrodynamic equations for macroscopic variables necessary for describing temporal and spatial evolution of irreversible processes in the system of matter and radiation are derived from kinetic equations by using the modified moment method. The method rigorously yields the conclusion that entropy differential is not an exact differential when the system is away from equilibrium. Therefore, an extended Gibbs relation for the entropy density does not hold valid. However, an extended Gibbs relation-like equation holds for the compensation differential which has been shown to be an exact differential. The entropy balance equation is cast into an equivalent form in terms of a new function called the Boltzmann function. In the context of the present formalism the light-induced viscous flow is theoretically explained for the entire range of pressure. The modified moment method has been extended to the covariant Boltzmann equation in order to formulate a theory of relativistic irreversible thermodynamics. Furthermore, the kinetic theory foundations for relativistic irreversible thermodynamics for the system of radiation and matter are provided. The statistical mechanical formulas are obtained for various material and radiative transport coefficients. The radiative transport coefficients stand in simple ratios independent of material parameters. The ratios calculated are in agreement with those used in the phenomenological theory using the Rosseland mean.

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Head motion is a significant source of image quality degradation in neurological PET scans. It is especially detrimental in PET scanners with high resolution, specifically the HRRT (High Resolution Research Tomograph) with a spatial resolution of approximately 2.5 mm. Head restraints are often used to minimize subject movement and subject comfort is essential to obtain reliable data. We have investigated subject movement during long scans (over an hour) and subject repositioning accuracy for a series of scans. The Polaris Vicra is a commercially available optical measurement device we used to measure the position and orientation of the subject's head over the course of the scan. A tracking tool was attached to a swim cap worn by the subject and tracked relative to a second tool attached to the scanner gantry. The head is a body part that can be treated as a rigid body. For rigid bodies, movement detected at the surface can be directly translated to any point in that body. We have used this principle and the Polaris Vicra's movement data to track several ROIs in subject's brains. We found that over the course of a long scan, ROIs placed near the occipital pole can move as much as 14 mm. This will cause significant blurring in images taken with the HRRT. The repositioning device tested was very accurate and repositioned the subject within 2 mm of her initial position. / Les mouvements de la tête sont une source significative de dégradation de la qualité de l'image provenant de PET scans. Ils jouent un rôle particulièrement négatif avec les scanners PET à haute définition comme le HHRT (High Resolution Research Tomograph) qui possède une résolution approximative de 2,5 mm. Différents outils de stabilisation de la tête sont souvent utilisés afin de minimiser les mouvements, et le confort du sujet est essentiel pour obtenir des résultats fiables. Nous avons testé les mouvements du sujet au cours de longs scans (plus d'une heure) ainsi que la précision du repositionnement du sujet lors d'une série de scans. Le Polaris Vicra est un instrument de mesure optique disponible sur le marché que nous avons utilisé pour mesurer la position et l'orientation de la tête du sujet durant le scan. Un outil mesurant les mouvements de la tête relativement au scanner a été attaché à un bonnet de bain déposé sur la tête du sujet. La tête peut être considérée comme un corps rigide. Pour les corps rigides, un mouvement détecté à la surface est directement relié au mouvement de n'importe quel point sur ce corps. Nous avons utilié ce principe ainsi que les données de mouvement du Polaris Vicra afin de dépister plusieurs régions d'intérêts dans le cerveau du sujet. Nous démontrons que durant un long scan, les régions d'intérêts situés près du pôle occipital peuvent se déplacer sur près de 12 mm. Ceci peut donc rendre l'image floue. L'outil de repositionnement testé s'est avéré très précis et a repositionné le sujet en deçà de 2 mm de sa position initiale.

This thesis describes an image-based system for analyzing dose distributions produced during treatment planning of stereotactic radiosurgery. A review of stereotaxy and radiosurgery, particularly for the treatment of arteriovenous malformations (AVMs), is presented. The stereotactic apparatus and linear accelerator-based irradiation techniques used at McGill University are described in some detail. / The image-dose analysis software, running on a UNIX workstation, is presented, including software utilities for the evaluation of radiosurgery treatment plans based on magnetic resonance (MR) images. The importance of dose-volume histograms (DVHs) in the assessment of treatment plans is discussed, and the software developed to generate DVHs is described. / A technique for the experimental verification of calculated three-dimensional (3D) dose distributions is presented. This computerized approach is based on stereotactic principles and uses a plastic phantom and radiotherapy verification film as the dosimeter. The results indicate that, with some improvements, this is a viable technique for the experimental validation of stereotactic 3D treatment planning software.