Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette thèse porte sur le développement d’outils de contrôle de qualité pour les traitements de radiothérapie externe. Le but principal vise à incorporer les principes de tomographie à la dosimétrie par scintillateurs plastiques pour concevoir des appareils de haute résolution spatiale et faciles d’utilisation, tout en étant justes et précis. Dans un premier temps, la réponse de longues fibres scintillantes placées dans un champ de radiation est étudiée, et un détecteur de fluence est développé pour la validation en temps réel des traitements de radiothérapie. En utilisant l’information des deux extrémités de chaque fibre simultanément, la position de l’interaction du champ ainsi que l’intégrale de la fluence traversant la fibre peuvent être mesurées, permettant la détection d’erreurs de lames d’au moins 2 mm à l’isocentre. Le modèle théorique de réponse précédemment développé est ensuite appliqué à la reconstruction tomographique d’une distribution de dose mesurée à l’aide d’une matrice rotative de longues fibres scintillantes parallèles. Le dosimètre 2D obtenu parvient à reconstruire la dose calculée par le système de planification de traitement avec un écart maximal de 2% dans les régions de bas gradient de dose. Le concept de dosimétrie tomographique, ou tomodosimétrie, est ensuite appliqué à la mesure de dose en trois dimensions en utilisant des plans de fibres cylindriques et concentriques. En simulant la rotation de ces plans autour de leur axe central et en interpolant en trois dimensions les doses 2D obtenues, le dosimètre 3D parvient à reconstruire la dose de départ à un écart d’au plus 1% en dehors des zones de haut gradient de dose. Finalement, les principes de reconstruction itérative démontrés pour les longues fibres scintillantes sont appliqués à un volume de scintillateurs imagé à l’aide d’une caméra plénoptique. En re-projetant les projections acquises par les pixels de la caméra dans le volume de scintillateurs, le dosimètre 3D parvient à reconstruire en temps réel la dose à un écart d’au plus 3% dans les régions de faible gradient de dose. Cette étude conclut que le mariage de la tomographie et de la dosimétrie permet l’apparition d’une nouvelle génération d’appareils de contrôle de qualité alliant à la fois résolution spatiale et facilité d’utilisation. / This thesis deals with the development of tools for the quality assurance of external beam radiotherapy. The main goal is to incorporate tomography processes to plastic scintillator dosimetry in order to conceive high resolution, precise, accurate and easy-to-use quality assurance devices. First, a long scintillating fiber response to an incoming radiation field is studied, and a fluence monitoring device is developed for the real-time validation of radiotherapy treatments. Using the light signal emitted from both sides of each fiber, both the interaction position of the incoming field and the fluence integral across the fiber can be measured, allowing for the detection of leaf errors of at least 2 mm at isocentre. The theoretical response model previously developed is then applied to the tomographic reconstruction of dose distributions measured using a rotating matrix of long scintillating fibers. The dose reconstructed using this 2D dosimeter is in agreement with the calculations from the treatment planning software up to a maximum difference of 2% in the low dose gradient regions. The concept of tomographic dosimetry, or tomodosimetry, is then applied to 3D dose measurements using concentric, cylindrical planes of fibers. By simulating the rotation of these planes around the dosimeter central axis and by interpolating in three dimensions the obtained 2D doses, the 3D dosimeter is able to reconstruct the initial input dose with a deviation of maximum 1% outside of high dose gradient regions. Finally, the iterative reconstruction principles demonstrated for long scintillating fibers are applied to a scintillator volume imaged using a plenoptic camera. By re-projecting the projections acquired by the camera sensor pixels inside the scintillator volume, the 3D dosimeter is able to reconstruct the dose in real time with a maximal deviation of 3% in the low dose gradient regions. This study concludes that the union of tomography and dosimetry enables the development of a new generation of quality assurance devices, combining both spatial resolution and user-friendliness.

Cette étude porte sur le développement d’un outil de contrôle qualité basé sur l’expérience, dérivé du concept de frontière stochastique en économie et s’appuyant sur des connaissances géométriques spécifiques au patient pour améliorer la qualité des traitements de curiethérapie à haut débit de dose pour le cancer de la prostate. Cent plans cliniques de curiethérapie à haut débit de dose de la prostate ont été utilisés dans cette étude, dans laquelle l’échographie transrectale était la seule modalité d’imagerie. Une fraction unique de 15 Gy a était prescrite à tous ces patients. Un algorithme de recuit simulé de planification inverse a été appliqué pour réaliser tous les plans et Oncentra Prostate a été employé comme système d’imagerie et de planification du traitement en temps réel. Les recommandations relatives aux paramètres de dose de la société américaine de curiethérapie pour la cible et les organes à risque ont été suivies. Les relations entre les paramètres géométriques et les paramètres dosimétriques d’intérêt sont examinées. Les paramètres géométriques sont liés aux dimensions anatomiques des patients et ceux associés aux cathéters. Pour déterminer les paramètres géométriques dominants dans un modèle de frontière stochastique donné, les relations monotones entre les paramètres géométriqueset les paramètres dosimétriques d’intérêt sont mesurées avec une approche non paramétrique, à savoir le coefficient de corrélation de Spearman. Ensuite, une recherche de force brute est effectuée pour un modèle donné dans lequel différents modèles, incluant toutes les combinaisons possibles des paramètres géométriques dominantes, sont optimisés. L’optimisation est accomplie en utilisant une méthode de vraisemblance maximale implémentée dans le progiciel de calcul statistique R, avec son algorithme de recuit simulée généralisée. Le test du rapport de vraisemblance et sa valeur-p correspondante sont utilisés pour comparer la signification statistique de l’ajout de nouveaux paramètres géométriques aux modèles. Un modèle de production pour la cible et un modèle de coût pour chacun des organes à risque sont développés pour le traitement par curiethérapie à haut débit de dose guidé par l’échographie transrectale. De plus, pour valider si chacun des modèles développés est universel, nous l’appliquons à une autre catégorie de traitement de la curiethérapie à haut débit de dose, dans laquelle la tomodensitométrie était utilisée comme modalité d’imagerie plutôt que de l’échographie transrectale. Ainsi, une nouvelle cohorte de cent plans cliniques curiethérapie à haut débit de dose guidés par la tomodensitométrie est prise en compte. Un modèle de frontière stochastique de production pour la cible et trois modèles de coût pour les organes à risque basés sur la tomodensitométrie sont développés. Enfin, les modèles intégrés de la tomodensitométrie et de l’échographie transrectale sont comparés. / This thesis focuses on developing an experience-based quality control (QC) tool, derived from the concept of stochastic frontier (SF) analysis in economics and based on patient-specific geometric knowledge to improve the quality of the high-dose-rate brachytherapy (HDR-BT) treatment for prostate cancer. One hundred clinical HDR prostate BT plans, using the transrectal ultrasound (TRUS) asthe only imaging modality, all treated with a single fraction of 15 Gy, and made using Inverse PlanningSimulated Annealing (IPSA) algorithm, are studied. Also, Oncentra Prostate system is employed as the real-time 3D prostate imaging and treatment planning system. American Brachytherapy Society dose parameter recommendations for target and organs at risk (OARs) were followed. Relationships between all the different geometric parameters (GPs) and the four dosimetric parameters (DPs) V100 of the prostate, V75 of the bladder and rectum, and D10 of the urethra were examined. Geometricinformation of the patients and catheters are considered as different GPs. To find the dominant GPs in a given SF model, monotonic relationships between the GPs and DPs of interest are measured using a nonparametric approach: the Spearman correlation coefficient. Then, to determine the optimal SF model for each of the target production SF, and the OARs cost SF models, brute-force searches are performed. Different SF models including all the possible combinations of the dominant GPs in the SF model under study are optimized. Optimization is done using a maximum likelihood method implemented in the statistical computing package R, along with its Generalized Simulated Annealing algorithm. The likelihood ratio test and its corresponding p-value are used to compare the statistical significance of adding new GPs to SF models. A production SF (PSF) model for the target, and a costSF (CSF) model for each of the bladder, rectum, and urethra are developed for TRUS-guided HDR-BTtreatment. The difference between the dose value of a plan obtained by IPSA and the one predicted by an SF model is explored. Additionally, to verify if each of the models developed for the TRUS-guided category of the HDR-BT treatment for prostate is universal, we apply it on another category of HDR-BT treatment, in which computed tomography (CT) was used as the imaging modality. So, a different cohort of one hundred clinical CT-guided HDR-BT plans is taken into consideration. A target production SF and three OARs cost SF models are developed for the CT-based plans. Subsequently, the built-in SF models for the TRUS-based and CT-based plans are compared.