La curiethérapie à haut débit de dose (HDR pour High Dose Rate) est une modalité de traitement du cancer qui délivre au volume cible la dose prescrite avec un débit de dose élevé. Malgré les distributions de doses hautement conformes obtenues avec cette modalité de traitement, le traitement lui-même n’est pas exempt d’erreurs. En raison des forts gradients de dose, typique de la curiethérapie, de petites erreurs dans le positionnement de la source peuvent entraîner des conséquences néfastes pour les patients. L’utilisation systématique de systèmes de vérification en temps réel est le seul moyen de savoir quelles doses ont été réellement données à la tumeur et aux organes à risque. Cette thèse présente les démarches effectuées pour créer et valider un système de dosimétrie à scintillateurs plastiques multipoints (mPSD pour Multipoint Plastic Scintillation Detector) capable d’effectuer avec précision des mesures in vivo en curiethérapie HDR. Un prototype a été optimisé, caractérisé et testé dans des conditions typiques de la curiethérapie HDR. Une analyse exhaustive a été réalisée pour obtenir un modèle optimisé du détecteur, capable de maximiser la collection de lumière de scintillation produite par l’interaction des photons ionisants. Il a été constaté que le scintillateur de longueur d’onde plus courte devrait toujours être placé plus près du photodétecteur, alors que le scintillateur émettant dans la longueur d’onde la plus élevée doit être en position distale. Si la configuration, comme mentionnée précédemment, n’est pas utilisée, des effets d’excitation et d’auto-absorption entre les scintillateurs peuvent se produire, et en conséquence, la transmission de la lumière à travers la fibre collectrice n’est pas optimale. Le détecteur a été rendu étanche à la lumière. Son noyau de 1 mm de diamètre permet son utilisation dans la majorité des applicateurs utilisés pour le parcours de la source en curiethérapie HDR avec l’192Ir. Pour la meilleure configuration du détecteur multipoints (3 mm de BCF10, 6 mm de BCF12, 7 mm BCF60), une optimisation numérique a été effectuée pour sélectionner les composants optiques (miroir dichroïque, filtre et tube photomultiplicateur (PMT pour Photomultiplier Tube)) qui correspondent le mieux au profil d’émission recherché. Ceci permet la déconvolution du signal en utilisant une approche multispectrale, en extrayant la dose de chaque élément tout en tenant compte de l’effet de tige Cerenkov. Le système de luminescence optimisé a été installé dans une boîte protectrice pour assurer la stabilité des composantes optiques lors de la manipulation. Les performances dosimétriques du système IViST (In Vivo Source Tracking) ont été évaluées en curiethérapie HDR, sur une plage clinique réaliste allant jusqu’à 10 cm de distance entre la source et les capteurs du mPSD. IViST peut simultanément mesurer la dose, trianguler la position et mesurer le temps d’arrêt de la source. En effectuant 100 000 mesures/s, IViST échantillonne suffisamment de données pour effectuer rapidement des tâches QA / QC clés, telles que l’identification d’un mauvais temps d’arrêt individuel ou des tubes de transfert interchangés. En utilisant 3 capteurs colinéaires et des informations planifiées pour une géométrie d’implant provenant des fichiers DICOM RT, la plateforme peut également trianguler la position de la source en temps réel avec une précision de positionnement de 1 mm jusqu’à 6 cm de la source. Le détecteur ne présentait aucune dépendance angulaire. Un essai clinique est actuellement en cours avec ce système. / High Dose Rate (HDR) brachytherapy is a cancer treatment modality that delivers to the target volume high doses in short amount of time in a few fractions. Despite the highly conformal dose distributions achieved with this treatment modality, the treatment itself is not free from errors. Because of the high dose gradient characteristics of the brachytherapy techniques, small errors in the source positioning can result in harmful consequences for patients. The routine use of a real-time verification system is the only way to know what dose was actually delivered to the tumor and organs at risk. This thesis presents the investigation done to obtain a Multi-point Plastic Scintillation Detector (mPSD) system capable of accurately performing in vivo dosimetry measurements in HDR brachytherapy. A first system’s prototype was optimized, characterized, and tested under typical HDR brachytherapy conditions. An exhaustive analysis was carried out to obtain an optimized mPSD design that maximizes the scintillation light collection produced by the interaction of ionizing photons. We found that the shorter wavelength scintillator should always be placed closer to the photodetector and the longer wavelength scintillator in the distal position for the best overall light-yield collection. If the latter configuration is not used, inter-scintillator excitation and self-absorption effects can occur, and as a consequence, the light transmission through the collecting fiber is not optimal. The detector was made light-tight to avoid environmental light, and its 1 mm diameter core allows their usage in most applicator channel used in 192Ir HDR brachytherapy. For the best mPSD design (3 mm of BCF10, 6 mm of BCF12, 7 mm BCF60), a numerical optimization was done to select the optical components (dichroic mirror, filter and Photomultiplier Tube (PMT)) that best match the light emission profile. It allows for signal deconvolution using a multispectral approach, extracting the dose to each element while taking into account the Cerenkov stem effect. The optimized luminescence system was enclosed into a custom-made box to preserve the optical chain stability and easy manipulation. The In Vivo Source Tracking (IViST) system’s dosimetric performance has been evaluated in HDR brachytherapy, covering a range of 10 cm of source movement around the mPSD’s sensors. IViST can simultaneously measure dose, triangulate source position, and measure dwell time. By making 100 000 measurements/s, IViST samples enough data to quickly perform key QA/QC tasks such as identifying wrong individual dwell time or interchanged transfer tubes. By using 3 co-linear sensors and planned information for an implant geometry (from DICOM RT), the platform can also triangulate source position in real-time with 1 mm positional accuracy up to 6 cm from the source. The detector further exhibited no angular dependence. A clinical trial is presently on-going using the IViST system.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 janvier 2024) / La curiethérapie est une modalité de traitement du cancer utilisant le rayonnement ionisant d'une source radioactive. En curiethérapie à haut débit de dose (HDR), un appareil motorisé blindé est utilisé pour guider la source radioactive à proximité ou à l'intérieur de la tumeur par l'intermédiaire d'applicateurs intracavitaires (IC) et/ou de cathéters interstitiels (IS). En s'arrêtant un certain temps (temps d'arrêt) à des positions spécifiques (positions d'arrêt), une dose de rayonnement conforme peut être adminisitrée à la tumeur tout en épargnant les organes à risque (OARs) avoisinants. Cependant, en raison de la nature du rayonnement ionisant, il est impossible d'administrer une dose de radiation curative à la tumeur sans exposer les OARs. Ces objectifs contradictoires doivent donc être optimisés simultanément. Par conséquent, le problème de planification de traitement en curiethérapie est intrinsèquement un problème d'optimisation multicritère (MCO), où de nombreuses solutions optimales (solutions Pareto-optimales) caractérisent les compromis cliniquement importants. Actuellement, les algorithmes commerciaux de planification en curiethérapie sont limités à l'ajustement manuel d'un objectif et/ou des temps d'arrêt. À cet égard, les algorithmes de planification inverse ne peuvent générer qu'un seul plan de traitement par cycle d'optimisation (en quelques secondes de temps de calcul) sans garantie de rencontrer les critères cliniques lors du premier cycle. Cette approche peut rendre la tâche de planification itérative et fastidieuse pour les planificateurs/planificatrices. Par conséquent, la qualité du plan peut dépendre des compétences de l'utilisateur/utilisatrice. En outre, la génération itérative d'un plan de traitement par cycle d'optimisation, comme c'est le cas en clinique, ne permet pas au planificateur/ planificatrice d'explorer facilement les compromis entre le tumeur cible et les OARs. La littérature présente également une lacune importante en ce qui concerne les méthodes d'optimisation permettant d'intégrer efficacement les applicateurs IC/IS complexes récents (par exemple, l'applicateur Venezia fabriqué par Elekta, Veenendaal, Pays-Bas) pour la curiethérapie du cancer du col de l'utérus. Le principal défi pour ces applicateurs complexes est de déterminer automatiquement le nombre optimal de cathéters, leur position et leur profondeur compte tenu du grand nombre de degrés de liberté dans le problème d'optimisation et des grandes variations dans la forme des tumeurs. Pour résoudre ces problèmes, cette thèse propose une nouvelle génération d'algorithmes d'optimisation et de planification interactive pour la curiethérapie. Pour atteindre cet objectif, un algorithme MCO (gMCO) basé sur une unité de processeur graphique (GPU) est d'abord mis en œuvre et comparé à un algorithme de planification inverse standard utilisé en clinique. gMCO met en œuvre un nouveau schéma d'optimisation des plans en parallèle sur l'architecture GPU permettant d'optimiser des milliers de plans Pareto-optimaux en quelques secondes. Ensuite, pour tirer pleinement profit de MCO en clinique, une interface graphique interactive appelée gMCO-GUI est développée. Cette interface permet au planificateur/planificatrice de naviguer et d'explorer les compromis en temps réel à partir des plans Pareto-optimaux générés par gMCO. gMCO-GUI permet entre autre d'afficher les indices dose-volume histogram (DVH), les courbes DVH et les lignes d'isodose pendant la navigation. Pour intégrer le flux de travail MCO dans la clinique, la mise en service de gMCO et de gMCO-GUI est effectuée en comparaison avec Oncentra Prostate et Oncentra Brachy, deux systèmes de planification de traitement largement utilisés. Suite à la mise en service, afin de caractériser l'utilisation de la planification interactive MCO en clinique, une étude inter-observateurs est menée. Deux physiciens/physiciennes expérimentés sont invités à replanifier 20 cas de cancer de la prostate chacun à l'aide de la planification interactive MCO. La qualité des plans préférés (obtenus par navigation) est comparée entre les deux physiciens/ phyciennes et le temps de planification MCO est enregistré. De plus, trois radio-oncologues sont invités à comparer l'aveugle les plans MCO (générés par les physiciens/physiciennes) et les plans cliniques afin d'établir le meilleur plan pour chaque patient. Finalement, motivé par le manque d'algorithmes d'optimisation des cathéters et de la dose dans le traitement du cancer du col de l'utérus dans les logiciels commerciaux et dans la littérature, un nouvel algorithme d'optimisation multicritère des cathéters pour les applicateurs IC/IS complexes tels que l'applicateur Venezia est conçu. Le problème d'optimisation avec l'applicateur Venezia est difficile car les composants de l'applicateur ne sont pas coplanaires. Le gain dosimétrique de l'optimisation simultanée des cathéters et MCO est comparé à MCO seul (cathéters cliniques) et aux plans cliniques basé sur les critères EMBRACE-II. En résumé, une nouvelle génération d'algorithmes d'optimisation et de planification interactive est développée pour la curiethérapie. Les cinq chapitres principaux de cette thèse rapportent les résultats et les contributions scientifiques de ces algorithmes comparés à la planification clinique standard. La thèse guide également les utilisateurs/utilisatrices dans l'intégration du flux de travail MCO interactif dans la clinique. / Brachytherapy is a treatment modality for cancer using ionizing radiation of a radioactive source. In high-dose-rate (HDR) brachytherapy, an afterloading unit is used to guide the radioactive source near or inside the tumor via intracavity (IC) applicators and/or interstitial (IS) catheters. By stopping a specific amount of time (dwell time) at specific positions (dwell positions), a conformal radiation dose can be delivered to the tumor while spearing nearby organs at risk (OARs). However, because of the nature of ionizing radiation, it is in fact impossible to deliver the curative dose to the tumor without exposing OARs. Instead, those conflicting objectives need to be simultaneously optimized. Therefore, the planning problem in HBR is inherently a multi-criteria optimization (MCO) problem, where many optimal solutions (Pareto-optimal solutions) can effectively characterize the clinically relevant trade-offs. Current commercial planning algorithms in HDR brachytherapy are limited to the manual fine-tuning of an objective and/or dwell times. In that regard, inverse planning algorithms can generate only one treatment plan per optimization run (few seconds of optimization time) without guarantee of meeting clinical goals in the first run, which makes the planning task iterative and cumbersome for the planners. Therefore, the plan quality may be dependent on the user skills. Furthermore, iterative generation of one treatment plan per optimization run as done in the clinic does not easily allow the planner to explore the trade-offs between targets and OARs. There is also an important gap in optimization methods in the literature to efficiently incorporate recent complex IC/IS applicators (e.g., the Venezia applicator manufactured by Elekta, Veenendaal, The Netherlands) for cervical cancer brachytherapy. The main challenge for these complex applicators is to automatically determine the optimal IS catheter number, position, and depth given large number of degrees of freedom in the optimization problem and large variations in tumor shapes. To address these problems, this thesis proposes next generation of optimization and interactive planning algorithms for brachytherapy. A graphics processing unit (GPU)-based MCO algorithm (gMCO) is first implemented and compared with a standard inverse planning algorithm used in the clinic. gMCO implements a novel parallel plan optimization scheme on GPU architecture that can optimize thousands of Pareto-optimal plans within seconds. Next, to fully benefit of MCO in the clinic, an interactive graphical user interface called gMCO-GUI is developed to allow the planner to navigate and explore the trade-offs in real-time through gMCO-generated plans. gMCO-GUI enables the display of dose-volume histogram (DVH) indices, DVH curves, and isodose lines during the plan navigation. To incorporate the proposed MCO workflow the clinic, the commissioning of gMCO and gMCO-GUI is conducted against Oncentra Prostate and Oncentra Brachy, two widely used treatment planning systems. Following the commissioning, and to further characterize the utilization of MCO interactive planning in the clinic, an inter-observer study is conducted. Two experienced physicists are asked to re-plan 20 prostate cases each using MCO interactive planning. The quality of the preferred plans (obtained by plan navigation) is compared between the two physicists and the MCO planning time is recorded. In addition, three radiation oncologists are invited to blindly compare MCO plans (generated by physicists) and clinical plans to assess the best plan for each patient. Finally, motivated by the lack of catheter and dose optimization algorithms in the treatment of cervical cancer in commercial software and in the literature, a novel simultaneous catheter optimization and MCO algorithm for complex IC/IS applicators such as the Venezia applicator is designed. The optimization problem with the Venezia applicator is challenging because the applicator components are non coplanar. The dosimetric gain of simultaneous catheter optimization and MCO is compared with MCO alone (clinical catheters), and clinical plans following EMBRACE-II criteria. In summary, next generation of optimization and interactive planning algorithms are developed for brachytherapy. The five main chapters of this thesis report the findings and scientific contributions of these algorithms compared with standard clinical planning. The thesis also guide users in the integration of the proposed interactive MCO workflow in the clinic.

Le présent mémoire présente les récents travaux de développement d'un algorithme de calcul de dose monte carlo en brachythérapie implémenté sur GPU (bGPUMCD, GPU Monte Carlo Dose for brachytherapy) ainsi que la validation des résultats et de la performance de celui-ci en vue d'une utilisation clinique future pour les cas de curiethérapie HDR et d'une utilisation académique permettant de remplacer l'utilisation de codes Monte Carlo plus lents dans le domaine académique. Les cas de test définis par le Groupe de travail sur les algorithmes de calcul de dose en curiethérapie (WG-DCAB, Working Group on Dose Calculation Algorithms in Brachytherapy)[1] et quatre cas de patients cliniques représentant des sites de traitement représentatifs sont utilisés pour explorer la précision, la vitesse et les limites de l'algorithme dans une multitude de contextes. bGPUMCD est comparé aux résultats de calcul de dose provenant de plusieurs codes Monte Carlo tel que MCNP6 et ALGEBRA[2]. Les résultats obtenus par bGPUMCD sont dans les limites d'incertitudes requises par les recommandations du Rapport du Groupe de Travail No.186 de l'AAPM (TG-186, Report on the Task Group No.43)[3]. Une simulation en situation de Rapport du Groupe de Travail No.43 de l'AAPM (TG-43, Report on the Task Group No.43)[4] a été effectuée pour trois modèles de source et les fonctions 𝑔𝐿(𝑟) et 𝐹 (𝑟, 𝜃) obtenues correspondent avec une erreur de 2 % aux valeurs de référence à l'exception des grands angles. Nous démontrons aussi que bGPUMCD est capable de simuler une dose cliniquement équivalente à un code Monte Carlo de référence en une fraction du temps ; en fonction des différents paramètres pouvant modifier le temps de calcul, bGPUMCD permet d'obtenir un résultat équivalent à la dose de référence avec un temps de calcul se trouvant entre quelques secondes à quelques minutes par rapport à plusieurs heures pour ALGEBRA.

La curiethérapie à haut débit de dose est un traitement anti-cancer utilisé pour différents sites tels les cancers gynécologiques, la prostate, le sein, la tête et le cou. La technique consiste à déposer de la dose de radiation près ou à l'intérieur de la tumeur. Différentes étapes composent ce traitement et des erreurs peuvent s'introduire dans chacune d'entres elles. Par le passé, plusieurs études ont utilisé la dosimétrie in vivo pour détecter et éliminer certaines erreurs de la chaîne. Cette pratique n'est pas uniformisée, puisqu'aucune solution commerciale n'existe sur le marché actuellement. En plus de la dosimétrie, des systèmes de suivi élecromagnétique ont aussi prouvé qu'ils pouvaient être utilisés pour la détection d'erreurs avant le traitement. Ce projet de doctorat explore des erreurs possibles dans la chaîne de traitement et propose le suivi électromagnétique comme étant une solution pour éviter celles-ci. Dans cette thèse, la fabrication d'un dosimètre et l'utilisation du suivi électromagnétique dans le cadre de la curiethérapie à haut débit de dose y sont traitées. Tout d'abord, une étude rétrospective a été complétée pour faire ressortir les performances requises d'un dosimètre in vivo utilisé pendant des traitements du cancer de la prostate. Les positions d'arrêts et les temps d'arrêts de tous les patients ont été extraits des fichiers de chaque traitement. Un dosimètre virtuel a été positionné dans un des cathéters de traitement pour chacun des patients. Une comparaison des temps d'arrêts et des positions d'arrêt sa été complétée pour l'identification des cathéters. Il a été démontré qu'une précision de 1 mm sur la distance source-dosimètre serait idéale. Pour la cohorte de patient utilisée, les temps d'arrêts sont de meilleurs discriminants que les positions d'arrêts. Une précision temporelle de 0,1 s serait idéale. Par la suite, une sélection du capteur électromagnétique pour la construction d'un dosimètre intégrant le suivi électromagnétique de sa position a été réalisée. La dépendance angulaire et la distance capteur-scintillateur ont aussi été étudiées. Parmi les capteurs disponibles, celui possédant le plus petit effet sur la réponse du scintillateur a été utilisé. La reconstruction d'un prototype d'un applicateur blindé pour les cancers gynécologiques a été faite à l'aide du suivi électromagnétique (EM). L'erreur moyenne du capteur sélectionné pour cette étude était de 0,17 mm lorsqu'il se trouvait à 250 mm du générateur de champ. Aucune différence significative sur la mesure n'a été observée à proximité du blindage de cet applicateur. Le suivi EM a aussi été testé lorsqu'il était intégré dans un câble de vérification d'un projecteur de source (Flexitron, Elekta Brachytherapy, Veenendaal, Pays-Bas). Les coordonnées de reconstructions ont été prises lors de la rétraction du câble de vérification. Une comparaison des reconstructions avec différentes vitesses de rétraction du câble a été faite. Les décalages de 5 mm ont tous été identifiés avec une vitesse de reconstruction de 10 cm/s. Néanmoins, il faut une vitesse maximale de 2,5 cm/s pour détecter les décalages de 1 mm. Deux dosimètres avec suivi EM ont été construits, soit un avec une fibre scintillante de plastique(BCF-60) et l'autre avec un scintillateur inorganique (ZnSe:O). Les dosimètres construits ont été calibrés. Les mesures de dose ont été faites en respectant les conditions de diffusion complète et ont été comparées avec le formalisme du TG-43. Par rapport à ce dernier, le dosimètre organique avait une différence de 1,7± 0,2 % alors que l'inorganique possédait une différence de 1,5± 0,7 %pour des distances source-dosimètre allant de 8 mm à 60 mm. Une étude de détection d'erreur a été accomplie. Un gain maximal de 24,0 % est observé pour les déplacements latéraux de 0,5 mm pour le dosimètre inorganique lorsque le suivi EM est utilisé, tandis qu'un gain maximal pour les déplacements longitudinaux (0,5 mm) de 17,4 % a été montré pour ce même scintillateur. Les différents résultats de ce projet quantifient les gains ainsi que les perpectives que l'ajout du suivi EM apportent à la curiethérapie HDR et justifient son introduction dans ce domaine. / High-dose-rate (HDR) brachytherapy is a cancer treatment used for various sites such as gynecological, prostate, breast, head and neck cancers. The technique consists in delivering a dose of radiation by having one or multiple sources in close proximity or with in a tumor. This is a multi-step process and errors can happen at any step during its execution. Several studies have used in vivo dosimetry to detect and avoid possible errors. This practice is not standardized, as no commercial solution currently exists on the market. In addition to dosimetry, electromagnetic (EM) tracking systems have also proven to be useful for the detection of some pre-treatment errors. This thesis explores errors that can occur during the treatment process and suggests a solution based on electromagnetic tracking. The construction of a dosimeter and the use of an EM tracking will be studied in the context of high-dose-rate (HDR) brachytherapy. First, a retrospective study was completed to highlight the required performance of an in vivo dosimeter during prostate cancer treatments. Dwell positions and dwell times for all patients were extracted from each treatment file. A virtual dosimeter was positioned in one of the treatment catheters for each patient. A comparison of each dwell times and dwell positions was completed for the identification of catheters. It has been shown that an accuracy of 1 mm would be ideal on the source-dosimeter distance. For the studied patient cohort, dwell times are better discriminators than dwell positions. This study showed that it is important to avoid placing the dosimeter near the center of the implant. Then, a selection of components for the construction of the dosimeter was performed. Among the available sensors, the one with the smallest impact on the scintillator response was chosen for the work quantifying the gain of EM tracking. The angular dependence and the sensor-scintillator distance were also studied. The reconstruction of a shielded applicator prototype for gynecological cancer was made using EM tracking. An average error of the selected sensor for this study was 0.17 mm when it was 250 mm from the field generator. EM tracking was also tested when integrated into the check cable of an after loader (Flexitron, Elekta Brachytherapy, Veenendaal, Netherlands). The reconstruction coordinates were taken during retraction of the check cable. A comparison of the reconstructions for different cable speeds was made. From this study, the speed for a linear path reconstruction is recommended at 5 cm/s. The 5-mm shifts were all identified with a reconstruction speed of 10 cm/s. Nevertheless, a maximum speed of 2.5 cm/s was needed to detect 1-mm shifts. Two dosimeters were constructed, one with a plastic scintillating fiber (BCF-60) and one with an inorganic scintillator(ZnSe:O). All dose measurements were made in full scatter conditions and were compared with the TG-43 formalism. Compared to the latter, the organic dosimeter had a difference of 1.7± 0.2 % while the inorganic had a difference of 1.5± 0.7 % over an interval of 8 mm to 60 mm from the source. An error detection study was performed and a comparison was made to determine the gain provided by the EM tracking. A maximum gain of 24.0 % was observed with a lateral displacement of 0.5 mm for the inorganic dosimeter. For longitudinal displacements (0.5 mm), a maximum gain of 17.4 % was shown for this same scintillator. The different results obtained in this project will quantify the performance for the construction of an in vivo dosimeter for HDR brachytherapy. The gains from the addition of EM monitoring to HDR brachytherapy will justify its use in this field.

La curiethérapie, une forme spécialisée de traitement du cancer, consiste à placer des sources radioactives près ou directement dans la lésion cancéreuse. Un aspect crucial de cette thérapie est le calcul de la dose de radiation. Traditionnellement, ce calcul s'appuie sur un formalisme qui considère l'eau comme milieu de transport, ce qui ne tient pas suffisamment compte des variations dans la composition des tissus du patient et des effets d'atténuation entre sources pour la curiethérapie permanente à faible débit de dose (LDR pour low-dose rate). La méthode Monte Carlo (MC) est la référence pour les calculs de dose avancés en curiethérapie, offrant une solution à ces limites. Cependant, l'application pratique de la méthode MC dans la planification du traitement est limitée par son temps d'exécution relativement lent. Cette thèse explore le potentiel des méthodes d'apprentissage profond (DL pour deep learning) pour surmonter ce défi. Plus précisément, la faisabilité d'utiliser des algorithmes DL pour prédire rapidement et avec précision la distribution de dose volumétrique pour patients de cancer de la prostate traités par la curiethérapie LDR est étudiée. Premièrement, le logiciel TOPAS a été systématiquement validée pour les simulations MC en curiethérapie en comparant les résultats simulés avec les données de référence TG-186 publiées. Le spectre d'énergie d'émission de photons, l'air-kerma strength et la constante de débit de dose de la source générique $^{192}$Ir MBDCA-WG ont été extraits. Pour les calculs de dose, un estimateur de longueur de trajectoire a été validé. Les quatre cas de test du groupe de travail MBDCA-WG AAPM/ESTRO/ABG ont été évalués. Un cas de prostate, un cas palliatif de poumon et un cas de sein ont été simulés. L'air-kerma strength et la constante de débit de dose étaient respectivement à 0,3% et 0,01% des valeurs de référence. Pour tous les cas de test, 96,9% des voxels avaient des différences de dose locales dans une plage de ±1%, tandis que les différences de dose globales concernaient 99,9% des voxels dans une plage de ±0,1%. Les histogrammes dose-volume des cas cliniques étaient cohérents avec les données de référence. TOPAS offre un accès étendu à un code MC de pointe pour les simulations en curiethérapie. Deuxièmement, un modèle DL à source unique entraîné avec des simulations MC comme référence a été proposé pour prédire avec précision les distributions de dose dans le milieu (D$_\textup{M,M}$ pour dose to medium in medium) en curiethérapie prostatique LDR. Des connaissances antérieures ont été incluses dans le réseau sous forme de noyau r$^2$ lié à l'inverse de la dépendance de dose de premier ordre en curiethérapie. Les caractéristiques du modèle montraient une représentation anisotrope tenant compte des organes du patient et de leurs interfaces, de la position de la source et des régions de faible et haute dose. La métrique CTV D$_{90}$ prédite présentait une différence moyenne de -0,1% par rapport au calcul basé sur MC. La prédiction d'un volume D$_\textup{M,M}$ complet de 1,18 M de voxels se réalise en 1,8 ms. Le modèle DL proposé représente donc un algorithme de calcul extrêmement rapide et simplifié, intégrant des connaissances physiques préexistantes pertinentes à la curiethérapie. Ce modèle est conçu pour tenir compte des caractéristiques anisotropes d'une source de curiethérapie et de la composition spécifique des tissus du patient, garantissant une approche précise et adaptée des calculs de dose. Enfin, deux algorithmes DL prédictifs de dose à plusieurs sources ont été validés pour la curiethérapie prostatique LDR. Les données de référence prenaient en compte les effets d'atténuation entre les sources et une définition des matériaux basée sur les organes du patient. De plus, les incertitudes aléatoires (associées aux données d'entrée) et épistémiques (associées au modèle) des modèles DL ont été évaluées. Les résultats ont montré que la métrique D$_{90}$ de la prostate prédite présentait une différence de -0,64% et de 0,08% pour les modèles UNet et ResUNet TSE, respectivement. Les deux modèles DL prédisaient un volume de dose de 2,56 M de voxels (128×160×128) en 4 ms. L'incertitude dérivée est quantifiable et interprétable, mettant en évidence les régions où les modèles DL pourraient rencontrer des difficultés pour fournir des estimations précises de dose. L'analyse de l'incertitude est un outil précieux pour une évaluation approfondie, améliorant le processus d'évaluation des modèles de prédiction de dose. De plus, cette analyse fournit des informations critiques sur la performance du modèle, identifiant les domaines d'amélioration potentielle et garantissant une application plus fiable dans un contexte clinique. / Brachytherapy, a specialized form of cancer treatment, involves the placement of radioactive sources near or directly within the cancerous lesion. A critical aspect of this therapy is the calculation of radiation dose. Traditionally, this calculation relies on a water-based formalism, which does not adequately account for variations in patient tissue compositions and interseed effects in low-dose rate (LDR) brachytherapy. The Monte Carlo (MC) method is the gold standard for advanced dose calculations in brachytherapy, offering a solution to these limitations. However, the practical application of the MC method in treatment planning is hindered by its relatively slow execution time. This thesis explores the potential of deep learning (DL) methods to overcome this challenge. Specifically, it investigates the feasibility of using DL algorithms to accurately predict the volumetric dose distribution in LDR prostate brachytherapy patients, aiming to streamline the treatment planning process while maintaining the precision of dose calculations. Firstly, the TOPAS MC toolkit was systematically validated for brachytherapy simulations by comparing simulated results with published TG-186 reference data. The photon emission energy spectrum, the air-kerma strength, and the dose-rate constant of the MBDCA-WG generic $^{192}$Ir source were extracted. For dose calculations, a track-length estimator was implemented. The four Joint AAPM/ESTRO/ABG MBDCA-WG test cases were evaluated. A prostate, a palliative lung, and a breast case were simulated. The air-kerma strength and dose-rate constant were within 0.3% and 0.01% of the reference values, respectively. For all test cases, 96.9% of voxels had local dose differences within ±1%. On the other hand, the global dose difference histograms had 99.9% of voxels within ±0.1%. Dose-volume histograms of clinical cases were consistent with the reference data. Overall, TOPAS provides access to a state-of-the-art MC code for brachytherapy simulations. Secondly, a single-seed DL model trained with MC simulations as the gold standard was built to predict accurate single-seed dose to medium in medium (D$_\textup{M,M}$) distributions in LDR prostate brachytherapy. Existing knowledge was included in the network as an r$^2$ kernel related to the inverse of the first-order dose dependency in brachytherapy. DL model features showed an anisotropic representation that considered the patient organs and their interfaces, the source position, and the low- and high-dose regions. The predicted CTV D$_{90}$ metric had an average difference of -0.1% with respect to the MC-based calculation. The single-seed DL model takes 1.8 ms to predict a complete 3D D$_\textup{M,M}$ volume of 1.18 M voxels. The proposed DL model represents a streamlined and rapid computational engine, incorporating pre-existing physics knowledge pertinent to brachytherapy. This engine is designed to consider the anisotropic characteristics of a brachytherapy source and the specific composition of patient tissues, ensuring an accurate, fast, and tailored approach to dose calculations. Lastly, two multi-seed DL-based predictive dose algorithms were trained for LDR prostate brachytherapy. Ground truth data considered interseed effects and an organ-based material assignment. Additionally, the aleatoric (associated with the input data) and epistemic (associated with the model) uncertainties of the DL models were assessed. Results showed that the predicted prostate D$_{90}$ metric had a difference of -0.64% and 0.08% for the UNet and ResUNet TSE models, respectively. Both DL models predicted a 3D dose volume of 2.56 M voxels (128×160×128) in 4 ms. The derived uncertainty is quantifiable and interpretable, highlighting regions where DL models might face challenges in delivering precise dose estimations. The uncertainty analysis is a valuable tool for a thorough evaluation, enhancing the assessment process of the dose prediction models. This analysis provides critical insights into the model's performance, pinpointing areas for potential improvement and ensuring a more reliable application in clinical settings.

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.

L’objectif général de cette thèse est d’utiliser les connaissances en physique de la radiation, en programmation informatique et en équipement informatique à la haute pointe de la technologie pour améliorer les traitements du cancer. En particulier, l’élaboration d’un plan de traitement en radiothérapie peut être complexe et dépendant de l’utilisateur. Cette thèse a pour objectif de simplifier la planification de traitement actuelle en curiethérapie de la prostate à haut débit de dose (HDR). Ce projet a débuté à partir d’un algorithme de planification inverse largement utilisé, la planification de traitement inverse par recuit simulé (IPSA). Pour aboutir à un algorithme de planification inverse ultra-rapide et automatisé, trois algorithmes d’optimisation multicritères (MCO) ont été mis en oeuvre. Suite à la génération d’une banque de plans de traitement ayant divers compromis avec les algorithmes MCO, un plan de qualité a été automatiquement sélectionné. Dans la première étude, un algorithme MCO a été introduit pour explorer les frontières de Pareto en curiethérapie HDR. L’algorithme s’inspire de la fonctionnalité MCO intégrée au système Raystation (RaySearch Laboratories, Stockholm, Suède). Pour chaque cas, 300 plans de traitement ont été générés en série pour obtenir une approximation uniforme de la frontière de Pareto. Chaque plan optimal de Pareto a été calculé avec IPSA et chaque nouveau plan a été ajouté à la portion de la frontière de Pareto où la distance entre sa limite supérieure et sa limite inférieure était la plus grande. Dans une étude complémentaire, ou dans la seconde étude, un algorithme MCO basé sur la connaissance (kMCO) a été mis en oeuvre pour réduire le temps de calcul de l’algorithme MCO. Pour ce faire, deux stratégies ont été mises en oeuvre : une prédiction de l’espace des solutions cliniquement acceptables à partir de modèles de régression et d’un calcul parallèle des plans de traitement avec deux processeurs à six coeurs. En conséquence, une banque de plans de traitement de petite taille (14) a été générée et un plan a été sélectionné en tant que plan kMCO. L’efficacité de la planification et de la performance dosimétrique ont été comparées entre les plans approuvés par le médecin et les plans kMCO pour 236 cas. La troisième et dernière étude de cette thèse a été réalisée en coopération avec Cédric Bélanger. Un algorithme MCO (gMCO) basé sur l’utilisation d’un environnement de développement compatible avec les cartes graphiques a été mis en oeuvre pour accélérer davantage le calcul. De plus, un algorithme d’optimisation quasi-Newton a été implémenté pour remplacer le recuit simulé dans la première et la deuxième étude. De cette manière, un millier de plans de traitement avec divers compromis et équivalents à ceux générés par IPSA ont été calculés en parallèle. Parmi la banque de plans de traitement généré par l’agorithme gMCO, un plan a été sélectionné (plan gMCO). Le temps de planification et les résultats dosimétriques ont été comparés entre les plans approuvés par le médecin et les plans gMCO pour 457 cas. Une comparaison à grande échelle avec les plans approuvés par les radio-oncologues montre que notre dernier algorithme MCO (gMCO) peut améliorer l’efficacité de la planification du traitement (de quelques minutes à 9:4 s) ainsi que la qualité dosimétrique des plans de traitements (des plans passant de 92:6% à 99:8% selon les critères dosimétriques du groupe de traitement oncologique par radiation (RTOG)). Avec trois algorithmes MCO mis en oeuvre, cette thèse représente un effort soutenu pour développer un algorithme de planification inverse ultra-rapide, automatique et robuste en curiethérapie HDR. / The overall purpose of this thesis is to use the knowledge of radiation physics, computer programming and computing hardware to improve cancer treatments. In particular, designing a treatment plan in radiation therapy can be complex and user-dependent, and this thesis aims to simplify current treatment planning in high dose rate (HDR) prostate brachytherapy. This project was started from a widely used inverse planning algorithm, Inverse Planning Simulated Annealing (IPSA). In order to eventually lead to an ultra-fast and automatic inverse planning algorithm, three multi-criteria optimization (MCO) algorithms were implemented. With MCO algorithms, a desirable plan was selected after computing a set of treatment plans with various trade-offs. In the first study, an MCO algorithm was introduced to explore the Pareto surfaces in HDR brachytherapy. The algorithm was inspired by the MCO feature integrated in the Raystation system (RaySearch Laboratories, Stockholm, Sweden). For each case, 300 treatment plans were serially generated to obtain a uniform approximation of the Pareto surface. Each Pareto optimal plan was computed with IPSA, and each new plan was added to the Pareto surface portion where the distance between its upper boundary and its lower boundary was the largest. In a companion study, or the second study, a knowledge-based MCO (kMCO) algorithm was implemented to shorten the computation time of the MCO algorithm. To achieve this, two strategies were implemented: a prediction of clinical relevant solution space with previous knowledge, and a parallel computation of treatment plans with two six-core CPUs. As a result, a small size (14) plan dataset was created, and one plan was selected as the kMCO plan. The planning efficiency and the dosimetric performance were compared between the physician-approved plans and the kMCO plans for 236 cases. The third and final study of this thesis was conducted in cooperation with Cédric Bélanger. A graphics processing units (GPU) based MCO (gMCO) algorithm was implemented to further speed up the computation. Furthermore, a quasi-Newton optimization engine was implemented to replace simulated annealing in the first and the second study. In this way, one thousand IPSA equivalent treatment plans with various trade-offs were computed in parallel. One plan was selected as the gMCO plan from the calculated plan dataset. The planning time and the dosimetric results were compared between the physician-approved plans and the gMCO plans for 457 cases. A large-scale comparison against the physician-approved plans shows that our latest MCO algorithm (gMCO) can result in an improved treatment planning efficiency (from minutes to 9:4 s) as well as an improved treatment plan dosimetric quality (Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) acceptance rate from 92.6% to 99.8%). With three implemented MCO algorithms, this thesis represents a sustained effort to develop an ultra-fast, automatic and robust inverse planning algorithm in HDR brachytherapy.

Depuis les dix dernières années, l’innovation des traitements d’oncologie a fait une utilisation croissante de la nanotechnologie. De nouveaux traitements à base de nanoparticules (NPs) sont notamment rendus au stade de l’essai clinique. Possédant des caractéristiques physico-chimiques particulières, les NPs peuvent être utilisées afin de bonifier l’effet thérapeutique des traitements actuels. Par exemple, l’amélioration de la curiethérapie (c.-à-d. radiothérapie interne) nécessite le développement de nouvelles procédures permettant de diminuer la taille des implants, et ce, tout en augmentant l’homogénéité de la dose déposée dans les tumeurs. Des études théoriques et expérimentales ont démontré que l’injection de NPs d’or à proximité des implants traditionnels de curiethérapie de faible débit de dose (par ex. 125I, 103Pd) permettrait d’augmenter significativement leur efficacité thérapeutique. L'interaction entre l’or et les photons émis par les implants de curiethérapie (c.-à-d. l’effet de radiosensibilisation) génère des rayonnements divers (photoélectrons, électrons Auger, rayons X caractéristiques) qui augmentent significativement la dose administrée. Dans le cadre de cette thèse, l’approche proposée était de développer des NPs d’or radioactives comme nouveau traitement de curiethérapie contre le cancer de la prostate. L’aspect novateur et unique était de synthétiser une particule coeurcoquille (Pd@Au) en utilisant l’isotope actuellement employé en curiethérapie de la prostate: le palladium-103 (103Pd, 20 keV). Dans ce cas-ci, la présence d’atomes d’or permet de produire l’effet de radiosensibilisation et d’augmenter la dose déposée. La preuve de concept a été démontrée par la synthèse et la caractérisation des NPs 103Pd@Au-PEG NPs. Ensuite, une étude longitudinale in vivo impliquant l’injection des NPs dans un modèle xénogreffe de tumeurs de la prostate chez la souris a été effectuée. L’efficacité thérapeutique induite par les NPs a été démontrée par le retard de la croissance tumorale des souris injectées par rapport aux souris non injectées (contrôles). Enfin, une étude de cartographie de la dose générée par les NPs à l’échelle cellulaire et tumorale a permis de comprendre davantage les mécanismes thérapeutiques liés aux NPs radioactives. En résumé, l’ensemble des travaux présentés dans cette thèse font office de précurseurs relativement au domaine de la nanocuriethérapie, et pourraient ouvrir la voie à une nouvelle génération de NPs pour la radiothérapie. / The last decade saw the emergence of new innovative oncology treatments based on nanotechnology. New treatments using nanoparticles (NPs) are now translated to clinical trials. NPs possess unique physical and chemical properties that can be advantageously used to improve the therapeutic effect of current treatments. For instance, therapeutic efficiency enhancement related to internal radiotherapy (i.e., brachytherapy), requires the development of new procedures leading to a decrease of the implant size, while increasing the dose homogeneity and distribution in tumors. Several theoretical and experimental studies based on low-dose brachytherapy seeds (e.g., 125I and 103Pd) combined with gold nanoparticles (Au NPs) showed very promising results in terms of dose enhancement. Gold is a radiosensitizer that enhances the efficiency of radiotherapy by increasing the energy deposition in the surrounding tissues. Dose enhancement is caused by the photoelectric products (photoelectrons, Auger electrons, characteristic X-rays) that are generated after the irradiation of Au NPs. In this thesis, the proposed approach was to develop radioactive Au NPs as a new brachytherapy treatment for prostate cancer. The unique and innovative aspect of this strategy was to synthesize core-shell NPs based on the radioisotope palladium-103 (103Pd, 20 keV), which is currently used in low-dose rate prostate cancer brachytherapy. In this concept, the administrated dose is increased via the radiosensitization effect that is generated through the interactions of low-energy photons with the gold atoms. The proof-ofconcept of this approach was first demonstrated by the synthesis and characterization of the core-shell NPs (103Pd@Au-PEG NPs). Then, a longitudinal in vivo study following the injection of NPs in a prostate cancer xenograft murine model was performed. The therapeutic efficiency was confirmed by the tumor growth delay of the treated group as compared to the control group (untreated). Finally, a mapping study of the dose distribution generated by the NPs at the cellular and tumor levels provided new insights about the therapeutic mechanisms related to radioactive NPs. In summary, the studies presented in this thesis are precursors works in the field of nanobrachytherapy, and could pave the way for a new generation of NPs for radiotherapy.

La curiethérapie électronique, également appelée radiothérapie de contact, est une technique de traitement du cancer utilisant des rayons X de faible énergie (≤ 50 keV) générés par des tubes à rayons X miniaturisés et positionnés au contact des tissus à irradier. La miniaturisation des générateurs à rayons X a conduit au développement de nouveaux systèmes de traitement, dont le plus répandu dans le monde et le seul utilisé en France est le système INTRABEAM® commercialisé par la société Zeiss. Au-delà du bénéfice médical, les avantages potentiels de la curiethérapie électronique sont une diminution drastique de l'inconfort du patient combinée à un moindre coût de traitement. Ainsi, dans le cadre du cancer du sein qui correspond à l’application principale de l’INTRABEAM, cette technique remplace la trentaine de séances de radiothérapie externe classiquement prescrite suite à l’exérèse du volume tumoral par une seule et unique séance délivrée en 20 à 50 minutes au bloc opératoire directement après l’acte chirurgical alors que la patiente est encore sous anesthésie. Cette radiothérapie peropératoire (RTPO) associe au mini générateur de rayons X des applicateurs qui, en sénologie, correspondent à des sphères de différents diamètres conçues pour épouser au mieux la cavité tumorale résultant de l’exérèse. La dose délivrée en RTPO est classiquement de l'ordre de 20 Gy en surface du lit tumoral et diminue rapidement avec la profondeur afin de préserver les tissus sains voisins (< 1 Gy après quelques cm). En France, le 1er traitement par RTPO a eu lieu à Nantes fin 2011. Aujourd’hui, une dizaine de centres hospitaliers français propose des traitements par RTPO au moyen de la technique INTRABEAM®. Très rapidement, plusieurs physiciens médicaux ont exprimé au laboratoire français de métrologie de la dose (LNHB), leur besoin de raccordement dosimétrique à une référence indépendante du constructeur. Ce besoin a été réaffirmé par la Haute Autorité de Santé (HAS) dans un rapport sur l’évaluation de la RTPO dans le cancer du sein, édité en avril 2016. Le présent travail vise à renforcer la sécurité d’emploi d’appareils de RTPO par rayons X de basse énergie (< 50 keV). Cependant, afin de répondre aux physiciens médicaux français et du fait de contraintes temporelles, l’étude est ici limitée au système INTRABEAM associé au seul applicateur sphérique de 4 cm de diamètre. Le travail a été articulé autour de trois axes. Le premier a concerné l’établissement et le transfert d’une référence primaire en termes de dose absorbée dans l’eau à 1 cm de profondeur. La méthodologie a été développée et ensuite appliquée pour le système INTRABEAM® associé à un applicateur sphérique de 4 cm, pour lequel, la référence primaire a été réalisée. Le deuxième axe a eu pour objet la détermination de la distribution spatiale de dose autour de la source considérée par l’utilisation de gels dosimétriques et par calcul de type Monte Carlo. L’hydrogel à base de Fricke, utilisé ici, est lu par imagerie par résonance magnétique à l’hôpital d’Orsay. Ce gel a été étalonné en dose pour des photons d’énergie inférieure à 50 keV puis utilisé pour déterminer les profils de doses autour de la source INTRABEAM® associée à l’applicateur sphérique de 4 cm de diamètre dans les plans axial et transverse incluant le centre de la source INTRABEAM®. Quant au dernier axe, il s’est agi de confronter des données dosimétriques fournies par la société Zeiss, concernant l’INTRABEAM® en utilisation à l’hôpital St-Louis à Paris, à celles obtenues au cours de la présente étude pour le même système. Des différences significatives ont été trouvées entre les doses délivrées par Zeiss et celles obtenues dans la présente étude. Une étude indépendante menée par le PTB pour une autre configuration de source INTRABEAM® a conduit à des observations comparables. L’approche adoptée par Zeiss a ainsi été investiguée dans le présent travail et une cause de divergence a été proposée. / Electronic Brachytherapy (eBT), also called contact radiotherapy, is a cancer treatment technique using low energy X-Rays (≤ 50 keV) generated by X-Ray tubes which are placed in close contact with the treated lesions. The latest evolutions of miniaturized X-Ray tubes led to the development of new treatment systems, such as the INTRABEAM® system of the ZEISS Company which is the most available eBT system and the only one currently used in France. Beside its medical benefit, the potential major advantages of treatment by eBT are the drastic decrease in patient discomfort and treatment cost. In the case of breast cancer treatment with such technique, the treatment is given in a single session that lasts 20 to 50 minutes where a high dose, in the order of 20 Gy, is delivered to the tumor bed surface in contact with spherical applicators associated to the X-Ray source. The delivered dose decreases rapidly with depth (< 1 Gy after a few centimeters) enabling to preserve neighboring healthy tissues. In France, the first IORT treatment performed was in Nantes in 2011. Today, ten medical centers offer IORT treatment using the INTRABEAM® system. Consequently, several medical physicists addressed to the French national metrology laboratory for ionizing radiation (LNHB) their need for a dosimetric traceability with a reference independent from the manufacturer. This need was reaffirmed by the French Authority for Health (HAS), in their report on the evaluation of the IORT for breast cancer treatment published in April 2016. This thesis work is a contribution to the metrological work initiated by LNHB for enhancing the safety of employing IORT by eBT systems. It was limited, within the thesis period, to the INTRABEAM® system associated with a 4 cm diameter spherical applicator. The thesis work was oriented towards three main objectives. The first one concerned the establishment and the transfer of a primary dosimetric standard, in terms of absorbed dose to water at 1 cm depth in water. The methodology was developed and applied on the INTRABEAM® system with 4 cm spherical applicator, for which, the dosimetric reference was established. The second objective was to use a dosimetric gel and the Monte Carlo method to assess the 3D spatial distribution of the relative absorbed dose delivered by such a system. The dosimetric gel system used was a Fricke-based hydrogel read by Magnetic Resonance Imaging at Service Hospitalier Frédéric Joliot in Orsay (SHFJ). The gel reading was calibrated, in terms of absorbed dose for low energy X-Rays (< 50 keV), and then used to define the relative dose distributions of the INTRABEAM® X-Ray source associated with the 4 cm spherical applicator in the axial and transverse planes of the X-Ray source probe tip. The last objective was to compare the dosimetric data delivered by Zeiss, for the INTRABEAM® system used at St. Louis hospital in Paris, by the ones obtained in the current study for the same system. Significant discrepancies were found from this comparison between the doses delivered by Zeiss and those obtained in the current study. Discrepancies were also observed in a separate work conducted by the PTB under a different INTRABEAM® configuration. Some reasons of these discrepancies are outlined and discussed in this study.

Les algorithmes cliniques de dosimétrie en curiethérapie se basent principalement sur les recommandations du « Task Groupe 43 » de l'association américaine des physiciens en médecine. Ces algorithmes sont des méthodes approximatives de calcul de dose et négligent des phénomènes physiques importants qui affectent les distributions de dose. Tout d'abord, l'hétérogénéité des tissus est systématiquement négligée en remplaçant les tissus humains par de l'eau. Ainsi l'effet de la composition chimique et de la densité des tissus ne peut pas être pris en compte pour les calculs dosimétriques. Les méthodes de dosimétrie clinique négligent aussi l'impact de la présence des sources ou des applicateurs sur les distributions de dose. Le but de ce projet est d'étudier l'origine des hétérogénéités et de quantifier leurs impacts sur la dosimétrie et sur l'évaluation radiobiologique des traitements de curiethérapie par implant permanent. Pour cela, une plateforme de calcul dosimétrique est conçue en utilisant les méthodes Monte Carlo. Cette plateforme est capable de considérer et de reproduire la géométrie des implants en détails, sur la base du protocole DICOM-RT. Ainsi, la première partie de cette thèse sera entamée par une étude de l'atténuation intersource et son lien avec la conception des sources de curiethérapie. Nous allons ensuite étudier l'effet de l'hétérogénéité des tissus sur les distributions de dose et démontrerons la grande sensibilité de la curiethérapie du sein à la composition des tissus. La première partie de cette thèse sera complétée par une proposition de différents protocoles de segmentation des tissus du sein qui pourraient être utilisés en curiethérapie à basse énergie. Dans la deuxième partie de ce projet nous étudierons l'effet des hétérogénéités du milieu et de la dose sur l'évaluation radiobiologique en curiethérapie. Nous verrons comment l'efficacité radiobiologique est sous- ou sur-estimée quand la distribution de dose n'est pas considérée de façon appropriée. Finalement nous allons tenter d'apporter un élément de réponse au débat sur la valeur du paramètre de la radiosensibilité pour le cancer de la prostate. Nous démontrerons que l'estimation de a/ft pour le cancer de la prostate change dépendamment du niveau d'hétérogénéité considéré dans les calculs dosimétriques.