Cette thèse de doctorat porte sur le traitement personnalisé des tumeurs neuroendocrines (TNE) en utilisant la thérapie radiométabolique par ¹⁷⁷Lu-octréotate. Comme la plupart des TNE surexpriment des récepteurs de la somatostatine (RSST)s, les analogues de la somatostatine radiomarqués sont utilisés dans le diagnostic des TNE par imagerie moléculaire, ainsi que pour la radiothérapie interne en utilisant des radionucléides émetteurs bêta (PRRT : peptide receptor radionuclide therapy). Les protocoles actuels de la PRRT impliquent l’administration de 4 cycles d’une activité fixe de ¹⁷⁷Lu-octréotate (p. ex. 7,4 GBq), ce qui donne des doses de radiation absorbée très variables pour les organes critiques et les lésions tumorales. Les faibles taux de toxicité sérieuse rénale et hématopoïétique (< 1 %) après traitement au ¹⁷⁷Lu-octréotate suggèrent que la plupart des patients reçoivent un traitement sous-optimal. La mise en place d’une personnalisation de l’activité administrée en fonction de la dosimétrie individualisée par imagerie moléculaire quantitative pourrait donc permettre de maximiser la réponse chez chaque patient, comparativement au régime empirique, et ce, en augmentant la dose tumorale absorbée sans dépasser les seuils de toxicité aux organes critiques. Les objectifs de cette thèse étaient donc, (i) de simuler un régime de PRRT personnalisée (P-PRRT) à partir d’une cohorte de patients atteints de TNE traités par PRRT empirique, (ii) de rapporter les premiers résultats dosimétriques, d’efficacité et de toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée (NCT02754297) et finalement (iii) d’évaluer l’exactitude et la reproductibilité interobservateurs des protocoles simplifiés de dosimétrie à deux temps (Jour 1 et 3) ou à un temps unique (Jour 3) basés sur la tomographie quantitative par émission de photon (QSPECT : quantitative single-photon emission computed tomography) effectuée après chaque administration de thérapie. Un autre objectif de la dernière étude était la mise à jour de notre protocole personnalisé de prescription de l’activité injectée (AI). (i) Pour répondre au premier objectif, nous nous sommes basés sur une étude rétrospective afin de concevoir un protocole personnalisé de PRRT basé sur les calculs dosimétriques. Par la suite, une simulation de ce protocole a été effectuée rétrospectivement chez des patients atteints de TNE traités par PRRT depuis 2012 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec. Selon notre régime personnalisé de PRRT, la dose rénale absorbée par AI était prédite en fonction de la surface corporelle (SC) et le taux de filtration glomérulaire (TFG) pour le premier cycle de traitement, et par la dosimétrie rénale du cycle précédent (ou la moyenne de la dosimétrie rénale des deux derniers cycles) pour les cycles suivants. En normalisant la dose rénale absorbée administrée pendant les cycles d’induction, notre approche personnalisée a démontré une augmentation moyenne significative de 1,48 fois la dose cumulative maximale absorbée par la tumeur par rapport au régime empirique, augmentant potentiellement le bénéfice thérapeutique sans dépasser le seuil de toxicité rénale. / Cette thèse de doctorat porte sur le traitement personnalisé des tumeurs neuroendocrines (TNE) en utilisant la thérapie radiométabolique par 177Lu-octréotate. Comme la plupart des TNE surexpriment des récepteurs de la somatostatine (RSST)s, les analogues de la somatostatine radiomarqués sont utilisés dans le diagnostic des TNE par imagerie moléculaire, ainsi que pour la radiothérapie interne en utilisant des radionucléides émetteurs bêta (PRRT : peptide receptor radionuclide therapy). Les protocoles actuels de la PRRT impliquent l’administration de 4 cycles d’une activité fixe de 177Lu-octréotate (p. ex. 7,4 GBq), ce qui donne des doses de radiation absorbée très variables pour les organes critiques et les lésions tumorales. Les faibles taux de toxicité sérieuse rénale et hématopoïétique (< 1 %) après traitement au 177Lu-octréotate suggèrent que la plupart des patients reçoivent un traitement sous-optimal. La mise en place d’une personnalisation de l’activité administrée en fonction de la dosimétrie individualisée par imagerie moléculaire quantitative pourrait donc permettre de maximiser la réponse chez chaque patient, comparativement au régime empirique, et ce, en augmentant la dose tumorale absorbée sans dépasser les seuils de toxicité aux organes critiques. Les objectifs de cette thèse étaient donc, (i) de simuler un régime de PRRT personnalisée (P-PRRT) à partir d’une cohorte de patients atteints de TNE traités par PRRT empirique, (ii) de rapporter les premiers résultats dosimétriques, d’efficacité et de toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée (NCT02754297) et finalement (iii) d’évaluer l’exactitude et la reproductibilité interobservateurs des protocoles simplifiés de dosimétrie à deux temps (Jour 1 et 3) ou à un temps unique (Jour 3) basés sur la tomographie quantitative par émission de photon (QSPECT : quantitative single-photon emission computed tomography) effectuée après chaque administration de thérapie. Un autre objectif de la dernière étude était la mise à jour de notre protocole personnalisé de prescription de l’activité injectée (AI). (i) Pour répondre au premier objectif, nous nous sommes basés sur une étude rétrospective afin de concevoir un protocole personnalisé de PRRT basé sur les calculs dosimétriques. Par la suite, une simulation de ce protocole a été effectuée rétrospectivement chez des patients atteints de TNE traités par PRRT depuis 2012 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec. Selon notre régime personnalisé de PRRT, la dose rénale absorbée par AI était prédite en fonction de la surface corporelle (SC) et le taux de filtration glomérulaire (TFG) pour le premier cycle de traitement, et par la dosimétrie rénale du cycle précédent (ou la moyenne de la dosimétrie rénale des deux derniers cycles) pour les cycles suivants. En normalisant la dose rénale absorbée administrée pendant les cycles d’induction, notre approche personnalisée a démontré une augmentation moyenne significative de 1,48 fois la dose cumulative maximale absorbée par la tumeur par rapport au régime empirique, augmentant potentiellement le bénéfice thérapeutique sans dépasser le seuil de toxicité rénale. (ii) Sur la base de notre étude rétrospective, et en appliquant le protocole de PRRT personnalisée développé aux patients atteints de TNE métastatique traités depuis avril 2016 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec, nous avons rapporté les premiers résultats dosimétriques sur l’efficacité et la toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée. Notre approche personnalisée a démontré une augmentation significative de la dose tumorale absorbée médiane de 1,26 fois par rapport au régime de PRRT empirique simulé sans augmenter le taux de toxicité sérieuse des organes critiques liée au traitement. Le traitement personnalisé a donné un taux de réponse partielle ou mineure de 59 % avec une stabilité dans 33,3 % des cas. En particulier, la PRRT personnalisée a induit une réponse partielle ou mineure chez 84,6 % des patients atteints de TNE d’origine pancréatique (pTNE). Finalement, le profil de sécurité est similaire à celui du régime empirique alors qu’aucun patient n’a présenté d'insuffisance rénale sévère. (iii) La dosimétrie, obtenue à l’aide de petits volumes d’intérêt pour l'échantillonnage de concentration d’activité pour le rein, la moelle osseuse et la tumeur dominante, est basée sur trois temps (Jour 0, 1 et 3) selon la pratique courante. Toutefois, en raison de la complexité de cette procédure, des méthodes de dosimétrie plus pratiques mais robustes sont nécessaires pour une adoption clinique étendue. Nous avons démontré qu’un protocole simplifié de dosimétrie basé sur des images QSPECT à deux temps fournit des estimations de dose reproductibles et plus précises que les techniques basées sur un seul temps. Nous avons aussi observé une excellente reproductibilité interobservateurs, en particulier pour la dose rénale, en utilisant les deux méthodes les plus précises basées sur trois ou deux temps avec des erreurs moyennes < 1 % et des écarts-types ≤ 5 %. Finalement, nous avons mis à jour notre protocole de P-PRRT : la dose rénale absorbée peut être normalisée en personnalisant l’AI en fonction du produit du TFG avec la SC pour le premier cycle et de la dosimétrie rénale précédente pour les cycles subséquents. En conclusion, nous avons conçu et validé un protocole de personnalisation de la PRRT au 177Lu-octréotate basé sur la dosimétrie, dans lequel la dose absorbée au rein est contrôlée et normalisée. La personnalisation de la PRRT permet d’augmenter de façon significative la dose absorbée à la tumeur, et ainsi la probabilité d’obtenir une meilleure réponse thérapeutique, tout en limitant le risque de toxicité aux organes critiques. Nous proposons également un protocole de dosimétrie simplifiée, basé sur l'imagerie QSPECT en deux temps, en utilisant des petits volumes d’intérêt. Cette méthode donne des résultats de dosimétrie précis, notamment pour les reins et la tumeur, et une reproductibilité interobservateur élevée. / (ii) Sur la base de notre étude rétrospective, et en appliquant le protocole de PRRT personnalisée développé aux patients atteints de TNE métastatique traités depuis avril 2016 à l’Hôpital de l’Hôtel-Dieu de Québec, nous avons rapporté les premiers résultats dosimétriques sur l’efficacité et la toxicité de notre essai prospectif de PRRT personnalisée. Notre approche personnalisée a démontré une augmentation significative de la dose tumorale absorbée médiane de 1,26 fois par rapport au régime de PRRT empirique simulé sans augmenter le taux de toxicité sérieuse des organes critiques liée au traitement. Le traitement personnalisé a donné un taux de réponse partielle ou mineure de 59 % avec une stabilité dans 33,3 % des cas. En particulier, la PRRT personnalisée a induit une réponse partielle ou mineure chez 84,6 % des patients atteints de TNE d’origine pancréatique (pTNE). Finalement, le profil de sécurité est similaire à celui du régime empirique alors qu’aucun patient n’a présenté d'insuffisance rénale sévère. (iii) La dosimétrie, obtenue à l’aide de petits volumes d’intérêt pour l'échantillonnage de concentration d’activité pour le rein, la moelle osseuse et la tumeur dominante, est basée sur trois temps (Jour 0, 1 et 3) selon la pratique courante. Toutefois, en raison de la complexité de cette procédure, des méthodes de dosimétrie plus pratiques mais robustes sont nécessaires pour une adoption clinique étendue. Nous avons démontré qu’un protocole simplifié de dosimétrie basé sur des images QSPECT à deux temps fournit des estimations de dose reproductibles et plus précises que les techniques basées sur un seul temps. Nous avons aussi observé une excellente reproductibilité interobservateurs, en particulier pour la dose rénale, en utilisant les deux méthodes les plus précises basées sur trois ou deux temps avec des erreurs moyennes < 1 % et des écarts-types ≤ 5 %. Finalement, nous avons mis à jour notre protocole de P-PRRT : la dose rénale absorbée peut être normalisée en personnalisant l’AI en fonction du produit du TFG avec la SC pour le premier cycle et de la dosimétrie rénale précédente pour les cycles subséquents. En conclusion, nous avons conçu et validé un protocole de personnalisation de la PRRT au ¹⁷⁷Lu-octréotate basé sur la dosimétrie, dans lequel la dose absorbée au rein est contrôlée et normalisée. La personnalisation de la PRRT permet d’augmenter de façon significative la dose absorbée à la tumeur, et ainsi la probabilité d’obtenir une meilleure réponse thérapeutique, tout en limitant le risque de toxicité aux organes critiques. Nous proposons également un protocole de dosimétrie simplifiée, basé sur l'imagerie QSPECT en deux temps, en utilisant des petits volumes d’intérêt. Cette méthode donne des résultats de dosimétrie précis, notamment pour les reins et la tumeur, et une reproductibilité interobservateur élevée. / (ii) Based on our retrospective study and applying our developed personalized PRRT protocol to the patients with metastatic NET treated since April 2016 at l’Hotel-Dieu de Québec hospital, we reported the preliminary data on dosimetry, efficacy and safety from our prospective PRRT trial. Our personalized approach yielded a significant increase in the median absorbed tumor dose (1.26 fold) compared with the simulated empirical PRRT regimen, without increasing the rate of serious treatment-related toxicity for critical organs. The personalized treatment gave a partial or minor response rate of 59 % and stability in 33.3 % of cases. In particular, the personalized PRRT regime resulted in a partial or minor response in 84.6 % of patients with NET of pancreatic origin (pNET). Finally, the safety profile was similar to that of the empirical regimen whereas, no patient has had severe renal impairment. (iii) According to the current practice, the dosimetry, obtained using small volumes of interest activity for concentration sampling in the kidney, bone marrow and the dominant tumor, is based on three time points (day 0, 1 and 3). However, due to the complexity of this procedure, more practical yet robust dosimetry methods are required for extended clinical use. We have observed that a simplified dosimetry protocol based on two-time point QSPECT scanning on Day 1 and 3 after PRRT treatment provides reproducible and more accurate dose estimates than the techniques relying on a single time point for noninitial or all cycles. We also observed an excellent inter-observer reproducibility, in particular for the renal absorbed dose using the two most precise dosimetry methods based on three or two time points with mean relative errors < 1 % and standard deviations ≤ 5 %. In addition, we have updated our P-PRRT protocol. In particular, renal absorbed radiation dose over a four-cycle induction PRRT course can be standardized by personalizing IA based on the product of estimated GFR with BSA for the first cycle, and on prior renal dosimetry for the subsequent cycles. In conclusion, we have designed and validated a personalized PRRT protocol with ¹⁷⁷Lu-octreotate based on dosimetry, in which the absorbed dose to the kidney is controlled and standardized. The personalization of PRRT can significantly increase the dose absorbed to the tumor, and thus the probability of obtaining a better therapeutic response, while limiting the risk of toxicity to critical organs. We also proposed a simplified dosimetry protocol, based on two time-points QSPECT scans, using small volumes of interest. This method gives accurate dosimetry results, especially for the kidneys and the tumors, and high interobserver reproducibility. / This doctoral thesis is focused on the personalized treatment of neuroendocrine tumours (NET) using ¹⁷⁷Lu-octreotate radiometabolic therapy. Since NETs overexpress somatostatin receptors (SSRT)s, radiolabeled somatostatin analogues are used in the diagnosis of NETs by molecular imaging, and for internal radiotherapy using beta-emitting radionuclides (PRRT: peptide receptor radionuclide therapy). The existing protocols for PRRT involve the administration of 4 cycles of a fixed activity of ¹⁷⁷Lu-octreotate (i.e., 7.4 GBq), which gives highly variable absorbed radiation doses to critical organs and tumor lesions. The low incidence of serious renal and hematopoietic toxicities (< 1 %) of ¹⁷⁷Luoctreotate suggests that the majority of patients are undertreated. The personalization of the administered activity according to the individualized dosimetry obtained from quantitative molecular imaging could make possible to maximize the response in each patient, compared to the empirical regime, without exceeding the thresholds of toxicity to the critical organs. The objectives of this thesis were, therefore (i) to simulate a personalized PRRT (P-PRRT) regime in a cohort of patients with NET treated with empiric PRRT, (ii) to report the preliminary data on dosimetry, efficacy and safety from our prospective PRRT trial and (iii) to assess the accuracy and the inter-observer reproducibility of simplified two time points (Day 1 and 3) or one time point (Day 3) dosimetry protocols based on quantitative single-photon emission computed tomography (QSPECT) performed after each PRRT cycle. Another objective of the last study concerned the update of our P-PRRT protocol. (i) We first reviewed retrospective data on patients with NETs treated with PRRT since 2012 at l’Hôtel-Dieu de Québec hospital. According to our P-PRRT regimen, the renal absorbed dose per injected activity (IA) was predicted by the body surface (BSA) and the glomerular filtration rate (GFR) for the first induction cycle, and by the renal dosimetry of the previous cycle (or the average renal dosimetry of the last two cycles) for the following cycles. By normalizing the absorbed renal dose administered during the induction cycles, our personalized approach resulted in an average 1.48-fold increase in the maximum cumulative tumour absorbed dose compared with the empiric regimen, potentially increasing the therapeutic benefit without exceeding the threshold of renal toxicity.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Cette thèse porte sur le développement de modèles mathématiques qui permettent de prédire des métriques quantifiant la dose pour la planification de radiothérapie externe. La planification de traitement en radiothérapie externe est un processus complexe et itératif. Le planificateur spécifie des objectifs à atteindre et l'optimisation du plan de traitement est faite par ordinateur. Chaque patient ayant une anatomie propre, il peut être difficile de savoir si le plan de traitement est optimal c.à.d. où les objectifs de couverture en dose du volume cible sont remplis tout en minimisant la dose aux organes sains pour diminuer la possibilité d'effets secondaires néfastes. Afin de pallier cette problématique, plusieurs types de contrôles de qualité (CQ) en planification de traitement ont été développés. Plus précisément, le projet proposé utilise l'analyse de frontières stochastiques, une méthode mathématique conçue pour l'économétrie, afin de déterminer la dose minimale atteignable aux organes à risque. La planification de traitement en radiothérapie externe, les techniques utilisées ainsi que les principaux défis sont d'abord présentés dans le cadre de cette thèse. Une revue des principaux types de contrôles de qualité des plans de traitement est par la suite présentée afin de mettre en contexte le projet doctoral. Les principaux principes mathématiques employés tels que l'analyse de frontières stochastiques et la gestion de données manquantes sont par la suite abordés. Finalement, l'analyse de frontières stochastiques appliquée à la prédiction de paramètres dosimétriques en planification de traitement est présentée. Son approche fréquentiste est utilisée pour la prédiction dosimétrique pour le rectum et la vessie pour le cancer de la prostate traité par VMAT. Sept paramètres géométriques ont été extraits afin de caractériser la relation entre les organes à risque et le volume cible. Au total, 37 paramètres dosimétriques ont été prédits pour les deux organes à risque. Le modèle développé a été testé sur une cohorte de 30 patients avec une dose de prescription de 60-70 Gy où 77% (23 sur 30) des DVH prédits pour le rectum et la vessie présentent une déviation de 5% ou moins avec le DVH planifié. De plus, l'analyse de frontières stochastiques bayésienne, en plus d'un modèle de gestion de données manquantes, sont utilisés pour la prédiction dosimétrique de six organes à risque pour le cancer du poumon traité par SBRT. Au total, 16 indices dosimétriques ont été prédits pour l'arbre bronchique principal, le cœur, l'œsophage, le PRV de la moelle, les vaisseaux ainsi que la paroi thoracique. Le modèle prédictif est testé sur une cohorte de 50 patients. La différence moyenne entre la dose prédite et planifiée pour le se situe à 1.5 ± 1.9 Gy et 4.9 ± 5.3 Gy pour le D0.35cc du PRV de la moelle et le D0.035cc de l'arbre bronchique principal respectivement. L'analyse de frontières stochastiques est ainsi démontrée comme une solide base pour un CQ en planification de traitement en radiothérapie externe. / This thesis is on the development of mathematical models predicting dosimetric metrics for treatment planning in external beam radiation therapy (EBRT). EBRT treatment planning is complex and iterative. Planner sets plan objectives to attain during the computerized plan optimization process. Because of specific patient anatomical variation, it is difficult to determine if a plan is optimal regarding the target coverage and the sparing of the organs-at-risk. Several quality control such as knowledge-based planning and multicriteria optimization were developed in order to address this problematic. This thesis focus on the use of an econometric method, Stochastic Frontier Analysis, to predict minimum achievable dose to organs-at-risk for several treatment sites. EBRT treatment planning, techniques and challenges are first discussed. A review of the most common quality controls is made in order to assess the importance of the project presented in this thesis. Mathematical considerations such as the theoretical foundation of stochastic frontier analysis and missing data management are also discussed. Stochastic frontier analysis is used to develop predictive models of dose distribution in treatment planning. Frequentist stochastic frontier analysis is used to predict dosimetric metrics for the rectum and the bladder for prostate cancer treated by VMAT. Seven geometric parameters are extracted to characterize the relationship between the organs-at-risk with the planning volume. In total, 37 dosimetric parameters are tested. The developped model is tested using validation cohort (30 patients with prescribed dose between 60 and 70 Gy) where 77% (23 out of 30) of the predicted DVHs present a 5% or less dose deterioration with the planned DVH. Bayesian stochastic frontier analysis with a missing data management is then presented for the prediction of dosimetric parameters for 6 organs-at-risk for lung cancer treated by SBRT. 16 DVH metrics were predicted for the main bronchus, heart, esophagus, spinal cord PRV, great vessels and chest wall. The predictive model is tested on a test group of 50 patients. The mean difference between the observed and predicted values ranges between 1.5 ± 1.9 Gy and 4.9 ± 5.3 Gy for the spinal cord PRV D0.35cc and the main bronchus D0.035cc respectively. Stochastic frontier analysis is considered to be a new and valid method used in order to develop a quality control for EBRT treatment planning.

Cette thèse a pour sujet l’amélioration du traitement contre le cancer par radiothérapie externe à l’aide d’images prises par l’imageur portal. Actuellement, la dose totale d’un traitement curatif en radiothérapie externe est fractionnée sur plusieurs semaines. Au cours de celles-ci, le patient peut présenter des modifications anatomiques dues à de multiples facteurs (comme la perte de poids ou la modification du volume tumoral), ce qui peut compromettre la qualité du traitement planifié. La finalité de ce projet est d’améliorer les traitements de radiothérapie externe en utilisant une technique capable de déterminer si l’anatomie du patient traité est toujours conforme à sa planification. Ce principe est appelé radiothérapie adaptative. L’imageur portal est un détecteur, fixé sur le portique du côté opposé à la source de rayonnement et derrière la table de traitement, ce qui lui permet de mesurer le signal sortant de l’accélérateur, avec ou sans le patient sur la table de traitement. Le but de ce travail a été de développer une méthode, adaptée en fonction de la localisation du site anatomique traité, permettant de vérifier que le patient est anatomiquement conforme à son imagerie de référence, et dans le cas contraire, de chercher l’impact dosimétrique des changements observés pour, au besoin, mettre en place des mesures correctives. Pour chacun des sites anatomiques, des images de dose de sortie sont acquises à chaque fraction de traitement, ainsi que l’acquisition d’imagerie volumétrique par faisceau conique au début et à la fin du traitement. Une analyse gamma est réalisée pour chaque image en prenant comme référence celle de la première fraction et de nombreux paramètres sont extraits de ces analyses: le γ moyen, l’écart-type, le TOP 1% (la valeur moyenne des 1% des plus hautes valeurs de γ), pourcentage de points avec γ supérieur à 1 et, la plus grande surface de pixels connectés avec une valeur gamma> 1. Les analyses ont été effectuées avec une tolérance en dose et en distance classique de 3% / 3 mm et avec un seuil de 10 % du maximum. Des logiciels d’extraction d’image et d’analyse ont été développés premièrement pour faciliter le suivi et à terme, pour inclure le procédé dans une routine clinique automatisé. Chaque site ayant sa propre problématique, ils ont tous été abordés indépendamment des uns des autres. Les contraintes de chaque localisation ainsi que toutes les possibilités d’amélioration des traitements ont été étudiées afin de proposer une solution envisageable dans les conditions cliniques actuelles d’un centre de radiothérapie. Ainsi, chacune des solutions proposées pour améliorer le traitement des patients, que ce soit dans les chapitres 3 et 4ou encore dans l’annexe 1 sur le poumon, est basée sur les besoins réels, cliniquement parlant. Cette méthode, rapide à mettre en place et très simple d’utilisation, a su prouver qu’elle était susceptible d’améliorer les traitements des trois sites anatomiques étudiés. / This thesis project aims to improve cancer treatments by external radiotherapy using images from the electronic portal imaging device (EPID). The portal imager is a detector, attached to the gantry on the opposite side of the radiation source and behind the treatment table when a patient is treated. This enables the collection of the signal from the accelerator, with or without the patient on the treatment table. Currently, the total dose of a curative treatment by external radiotherapy is delivered over several weeks. During these weeks, the patients may have anatomical changes due to multiple factors (such as weight loss or changes in tumor volume), which may compromise the accuracy of the delivered dose as compared to the planned treatment. The aim of this research project is to develop a new adaptive radiotherapy methodology allowing to determine at each stage of the treatment whether the patient’s anatomy is still consistent with the initial planning and to estimate the dosimetric impact when changes were observed. EPID dose images were acquired at each treatment fraction for the three different anatomical site under study (head and neck, prostate and lung), together with cone beam volumetric imaging acquisition taken at least twice during treatment, at the second and last fractions. An image extraction and analysis software was first developed to facilitate monitoring and eventually to include the process in an automated clinical routine. A gamma analysis was thus performed for each image, with the one from the first fraction set as reference and several parameters were extracted from these analyzes: average γ-value, standard deviation, Top 1% from maximum γ, the percentage of points with a γ value larger than 1 and the largest connected pixel area with a gamma value > 1. Analyses were made with 3%/3mm as passing criteria and with a threshold of 10% for the low value cut-off. Since each targeted anatomical site has its own characteristics, they were all assessed independently. Taking into account the constraints of each anatomic site, the specificity and the sensitivity values that we have determined, confirmed the performance of the method to detect anatomical changes. Moreover, the γ-analysis threshold correlated well with morphological changes having a relevant dosimetric impact. In conclusion, such analyses of daily EPID images allow to identify patients at risk of deviation from the planned treatment and can support an early replanning decision. Our method is very quick to implement and very easy to use, and should be a powerful tool to improve the treatment of cancers, particularly those of the three anatomical sites studied

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / Le contrôle tumoral en radiothérapie nécessite une exposition des cellules cancéreuses au rayonnement ionisant tout en limitant l'exposition des cellules saines pour minimiser les effets secondaires indésirables. Pour atteindre cet objectif, des techniques sophistiquées telles que l'IMRT, le VMAT, le SRS et le SBRT ont été développées, utilisant plusieurs champs d'irradiation de forme variable et de petites tailles. Le succès de ces techniques repose sur la caractérisation des petits champs, pour lesquels il n'existe pas encore de norme établie quant au type de dosimètre à utiliser. En effet, aucun des dosimètres couramment utilisés en radiothérapie ne permet de mesurer la dose avec une précision inférieure à 2 % pour ces champs de petite taille. De façon générale, ce sont les détecteurs ayant une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection qui performent le mieux pour la dosimétrie des petits champs. Cette thèse vise donc à développer une nouvelle génération de calorimètres multi-point spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie possédant à la fois une équivalence dosimétrique à l'eau ainsi qu'un petit volume de détection. Ces calorimètres utilisent une fibre optique à réseaux de Bragg comme thermomètre, permettant des mesures de haute résolution pour les petits champs de traitement. Cette thèse se divise en 4 volets distincts, soit la caractérisation et la maximisation du changement de longueur d'onde de Bragg produit par la radiation ; la caractérisation des mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg induit par la radiation ; la correction de la dépendance aux variations de température ambiante et finalement, la conception d'un dosimètre multi-point utilisant une fibre optique à réseaux de Bragg ayant une résolution spatiale adaptée à la dosimétrie standard et à la dosimétrie des petits champs. D'abord, la caractérisation a permis de déterminer que, pour une fibre à réseau de Bragg recouverte de polymère, la longueur d'onde de Bragg varie linéairement avec la dose et cette variation est indépendante du débit de dose (2.8-11.6 Gy/min) et de l'énergie du faisceau de photons ou d'électrons (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Les facteurs permettant de maximiser cette variation de longueur d'onde et de diminuer le bruit de mesure ont ensuite été identifiés. Le type de revêtement a été identifiée comme étant un paramètre important pour maximiser le signal, plus particulièrement ses propriété thermiques (coefficient d'expansion thermique, capacité thermique massique), son module de Young et sa solidité d'adhésion ainsi que le type de colle maximisant cette dernière. La taille du revêtement et de la fibre optique contribuent également à l'optimisation du détecteur. L'optimisation des paramètres de réseaux ont également permis de minimiser le bruit de mesure. En ce qui concerne les mécanismes menant à un changement de longueur d'onde de Bragg, il a d'abord été déterminé que la réponse du détecteur est indépendante du dopage du cœur de la fibre et provient du revêtement de polymère puisque sans ce dernier, aucun signal n'est mesuré. Il a ensuite été démontré que le détecteur développé est un calorimètre et non un détecteur de défauts radio-induits, contrairement aux dosimètres à réseaux de Bragg généralement utilisés dans le secteur de l'énergie nucléaire. Cette démonstration est réalisée en validant un modèle théorique basé sur la théorie des calorimètres et en confirmant le comportement thermique suite à une irradiation à l'aide de simulations thermiques. Quatre techniques ont été comparées afin de corriger la dépendance aux variations de température ambiante, dont la technique standard utilisée en calorimétrie ainsi qu'une nouvelle technique de gradient de température interpolé pour effectuer une dosimétrie multi-point. Cette dernière technique se révèle la plus performante tout en permettant une correction de température en temps réel, réduisant les erreurs de mesure de 200% à environ 10% pour une irradiation de 20 Gy. Deux prototypes ont été développés : un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie standard et un ayant une résolution spatiale optimisée pour la dosimétrie des petits champs. Le premier détecteur est composé de vingt (20) réseaux d'environ 4 mm de long répartis sur 20 cm fixé à une plaque de PMMA de 5.5 x 107.5 x 205 mm³ permettant d'obtenir une erreur statistique de 0.03 pm sur les points de données limitant ainsi la dose détectable à 0.4 Gy. Le second détecteur se compose d'un fibre optique de 80 µm contenant trente (30) réseaux d'environ 1 mm de long fixés à l'intérieur d'un cylindre de PMMA de 0.63 cm de diamètre sur une longueur de 30 cm permettant d'obtenir la même erreur statistique et la même dose détectable que précédemment. Ce dernier prototype a également permis de mesurer un profil de dose d'un faisceau de 2 x 2 cm² ayant une énergie de 6 MV avec une différence relative moyenne de 1.8% (en excluant la région de pénombre) pour une irradiation de 12.37 Gy. Ainsi la thèse présente le premier calorimètre multi-point à réseaux de Bragg spécifiquement adapté à la dosimétrie des petits champs en radiothérapie. Ce type de détecteur pourrait s'avérer extrêmement bénéfique pour la dosimétrie des petits champs, et présenter également un fort potentiel pour des applications en IRM-LINAC et en radiothérapie FLASH, compte tenu de la grande résistance des fibres de silice aux radiations. / Radiotherapy relies on precise control of tumor exposure to ionizing radiation while limiting the dose to healthy tissues to minimize undesirable side effects. Sophisticated techniques such as IMRT, VMAT, SRS, and SBRT have been developed, utilizing multiple small and variableshaped radiation fields. The success of these techniques depends on the characterization of small fields, for which no standard dosimeter has been established. Commonly used dosimeters in radiotherapy do not provide dose measurements with accuracy below 2% for small fields. Generally, dosimeters with near water-equivalence and small detection volumes perform best for small-field dosimetry. This thesis focuses on developing a new generation of multi-point calorimeters specifically adapted to the dosimetry of small fields in radiotherapy, possessing both water dosimetric equivalence and a small detection volume. These calorimeters use fiber Bragg gratings as thermometers, enabling high-resolution dose measurements for small fields radiotherapy treatments. The thesis comprises four distinct aspects : characterizing and maximizing the Bragg wavelength change induced by radiation ; understanding the mechanisms causing the Bragg wavelength shift ; compensating for ambient temperature variations ; and designing a multipoint dosimeter using gratings with a suitable spatial resolution for standard and small field dosimetry. The characterization revealed that the Bragg wavelength of a polymer-embedded fiber Bragg grating varies linearly with the dose and this variation is independent of the dose rate (2.8-11.6 Gy/min) and the beam energy (6 MV, 18 MV, 6 MeV, 9 MeV, 12 MeV, 18 MeV). Factors optimizing this wavelength variation and reducing measurement noise were identified. The type of coating, particularly its thermal properties (thermal expansion coefficient, specific heat capacity), Young's modulus, and adhesive strength play a critical role in maximizing the signal. Additionally, optimizing the fiber and coating sizes contributes to detector optimization. The optimization of gratings parameters also allowed the minimization of measurement noise. Regarding the mechanisms leading to a Bragg wavelength shift, it was first determined that the detector's response is independent of the fiber core doping and originates from the polymer coating since no signal is measured without it. The developed detector was confirmed to be a calorimeter, rather than a radiation-induced defect detector like conventional fiber Bragg gratings dosimeters used in the nuclear industry. This was demonstrated by validating a theoretical model based on calorimeter theory and confirming the thermal behavior through thermal simulations after irradiation. Four temperature compensation techniques were compared to correct ambient temperature variations, including standard calorimetric techniques and a new interpolated temperature gradient technique for multi-point dosimetry. The interpolated technique proved most effective, providing real-time temperature correction and reducing measurement errors from 200% to approximately 10% for a 20 Gy irradiation. Two prototypes were developed : one with spatial resolution optimized for standard dosimetry and the other with spatial resolution optimized for small-field dosimetry. The first detector consists of twenty (20) gratings, each approximately 4 mm long, distributed over 20 cm and attached to a PMMA plate measuring 5.5 x 107.5 x 205 mm³ , achieving a statistical error of 0.03 pm on data points, limiting the detectable dose to 0.4 Gy. The second detector comprises a 80 µm optical fiber containing thirty (30) gratings, each approximately 1 mm long, fixed inside a PMMA cylinder measuring 0.63 cm in diameter and 30 cm in length, allowing for the same statistical error and detectable dose as the previous one. This latter prototype also enabled the measurement of a dose profile for a 2 x 2 cm² beam with a 6 MV energy, showing a mean relative difference of 1.8% (excluding the penumbra region) for an irradiation of 12.37 Gy.

Ces travaux portent sur l'optimisation de la planification en radiothérapie prostatique et ORL. De façon à améliorer le calcul dosimétrique, la méthode de calcul de dose dite « Pencil beam » a d'abord été modifiée en considérant un système de coordonnées sphériques, en améliorant le mode de correction des hétérogénéités et en accélérant le calcul en effectuant les opérations de convolution grâce à la transformée de Fourier rapide. L'approche proposée a été comparée aux méthodes classiques en utilisant différents fantômes numériques. Cette évaluation a démontré la précision de la méthode proposée ainsi que l'accélération des calculs d'un facteur 40 par la méthode utilisant la transformée de Fourier, au prix toutefois d'une dégradation de la précision des résultats. Dans un second temps, l'incorporation de critères biologiques lors de l'optimisation du plan de traitement a été mise en œuvre à travers l'équivalent convexe du modèle NTCP (probabilité de toxicité des tissus sains) et son optimisation. L'évaluation de cette approche a été réalisée sur les données de dix patients traités pour un cancer de la prostate et a montré que la méthode proposée produit des planifications cliniquement satisfaisantes avec de meilleurs résultats en termes de toxicité prédite. Une méthode de compensation des incertitudes géométriques survenant lors du traitement a aussi été proposée, reposant sur une décomposition en séries de Taylor et un filtre de Butterworth. Son évaluation a montré son efficacité en termes de réduction des oscillations de haute fréquence ainsi que de présence de points chauds et froids. Enfin, dans un contexte de radiothérapie adaptative en ORL, une étude permettant d'identifier le scénario optimal de replanification, c'est-à-dire le nombre et les moments des replanifications, a été menée. Les critères de comparaison considérés reposaient sur le calcul de la dose cumulée reçue notamment par les parotides lors du traitement complet. L'efficacité des replanifications a ainsi été démontrée, avec par exemple une diminution du risque de toxicité de 9% pour le scénario optimal. Les perspectives de ce travail concernent la combinaison de ces méthodes dans un processus complet de planification pour évaluer leur impact dans un contexte clinique. / This work focuses on the optimization of planning in prostate and head-and-neck radiation therapy. In order to improve the dose calculation, the Pencil Beam method was firstly modified by considering a spherical coordinate system, by improving the heterogeneities correction method and by accelerating the calculation by performing the convolution operations using the Fast Fourier Transform. The proposed approach was compared to conventional methods using different numerical phantoms. This evaluation demonstrated the accuracy of the proposed method and the acceleration of the calculations by a factor 40 by the method using the Fast Fourier Transform, but at the cost of deterioration in the accuracy of the results. In a second step, the incorporation of biological criteria in the optimization of the treatment plan has been implemented through an equivalent convex NTCP constraints and its optimization. The evaluation of this approach has been performed on the data of ten patients treated for prostate cancer and has shown that the proposed method produces clinically satisfactory plans with better results in terms of predicted toxicity. A method to compensate geometric uncertainties occurring during treatment has also been proposed, based on the expansion in series of Taylor and a Butterworth filter. Its evaluation has shown its effectiveness in reducing high-frequency oscillations as well as the presence of hot and cold spots. Finally, in the context of adaptive radiotherapy in head and neck, a study was conducted to identify the optimal scenario of replannings, i.e. the number and timing of replannings. The comparison criteria were based on the calculation of the cumulative dose received by the parotid during the whole treatment. The effectiveness of the replanning has been demonstrated, for example with a decreased risk of toxicity 9% for the optimal scenario. The perspectives of this work relate to the combination of these methods in a comprehensive planning process to assess their clinical impact.

Le mélanome uvéal est le type de cancer de l'œil le plus répandu chez l'adulte. Il s'agit du mélanome le plus commun après le cancer de la peau. La curiethérapie en est le traitement privilégié : elle consiste à irradier la tumeur à l'aide de sources radioactives disposées dans un support lui-même maintenu en place à l'aide d'une plaque épisclérale (PE). Leur conception a été élaborée par l'Association Américaine des Physiciens en Médecine (AAPM) et la Société Américaine de Curiethérapie (SAC) il y a plusieurs décennies. Cette conception permet de traiter adéquatement la plupart des formes et tailles des mélanomes uvéaux. Néanmoins, le traitement peine à traiter toutes les formes et engendre fréquemment des effets secondaires indésirables. Ce projet vise à développer une nouvelle conception des PE personnalisées pouvant répondre à une majorité de mélanomes uvéaux en minimisant les effets secondaires. La fabrication additive, qui consiste à fabriquer des objets couche par couche, a été utilisée afin de produire ces nouvelles plaques pouvant être personnalisables. Ce projet vise à produire des PE issues de la fabrication additive en polyétheréthercétone (PEEK) et de quantifier leur conformité géométrique. Pour ce faire, la tomodensitométrie par rayons X (TDM-X) a été employée. Cette technique d'imagerie permet d'évaluer de manière précise et complète le niveau de conformité géométrique des PE. Ainsi, dans ce projet, des plaques épisclérales de 10 mm, 14 mm et 22 mm ont été imprimées en PEEK, en adaptant leur conception à la fabrication additive. Une analyse de conformité géométrique utilisant la TDM-X et comparant les résultats avec les modèles 3D des plans de conception a permis de quantifier la conformité géométrique à une hauteur de 0,13 mm en moyenne. En somme, ce projet de maîtrise pave la voie à un traitement de curiethérapie pour traiter le cancer de l'œil à l'aide de PE conçues sur mesure pour le patient.

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.

L’utilisation de marges personnalisées dans le traitement du cancer du poumon en radiothérapie : analyse des mouvements physiologiques et des impacts dosimétriques OBJECTIFS : Le but de cette étude est d’analyser les mouvements physiologiques et leurs impacts dosimétriques lors de la planification de traitements en radiothérapie par tomodensitométrie thoracique (TDM). MÉTHODES : Il s’agit d’une étude de 15 patients. Des plans de radiothérapie conforme tridimensionnelle (3D-CRT) ont été utilisés. Un plan de référence a été fait et comparé à des plans utilisant des marges personnalisées (obtenue par 5 TDM). Des analyses volumétriques et dosimétriques ont été faites. RÉSULTATS : Les volumes obtenus progressent rapidement avec la fusion de TDM. Lorsqu’une couverture semblable est obtenue, le volume cible est moindre et l’irradiation pulmonaire est discrètement réduite. CONCLUSION : Malgré les avantages d’une marge personnalisée, elle ne produit qu’un avantage clinique limité. Toutes les techniques augmentant le volume total pour inclure les mouvements devraient en venir à des conclusions semblables. / Individualized margins in radiotherapy planning of lung cancer: analysis of physiological movements and their dosimetric impacts OBJECTIVE: This study is an analysis of physiological movements and their dosimetric impacts when a single thoracic CT-scan is used for treatment planning purposes in radiation oncology. METHODS: This is a study of 15 patients. Three-dimensional conformal radiation therapy was (3D-CRT) was used. A reference clinical plan was constructed and compared with plans using individualized margins (obtained by using five CT-scans). Volumetric and dosimetric analyses were made for each. RESULTS: The total volume occupied by GTV progressed quickly with the fusion of CT-scans. For a similar coverage, target volume was smaller and lung irradiation was slightly decreased. CONCLUSIONS: Even if the individualized margin was used, it produced a limited clinical advantage. All techniques that increase total volume with an aim to include more movements should come to similar conclusions.

Le mouvement induit par la respiration dans la région thoraco-abdominale a été évalué à l'aide de séries d'images de tomodensitométrie en quatre dimensions (4DCT) pour un échantillon de 40 patients présentant principalement des tumeurs pulmonaires et gastro-intestinales. L'observation du déplacement des structures par rapport à leur position d'équilibre respective a révélé un déplacement en phase en supérieur-inférieur. L'amplitude est plus importante pour le diaphragme et les reins. Il n'y a pas de différences significatives entre les tumeurs pulmonaires et les autres sites étudiés. La méthodologie de planification dosimétrique actuelle (3D-CRT ou IMRT) s'est révélée adéquate en moyenne pour une population de 10 cas de tumeurs pulmonaires ayant une grande amplitude de déplacement. L'utilisation de la phase de mi-ventilation ne modifie pas significativement la couverture de dose, mais diminue les variable dosimétriques du poumon. La moyenne des phases du 4DCT n'apporte pas d'avantages par rapport à la méthodologie actuelle. / Respiration-induced motion in the thoracoabdominal region was studied with fourdimensional computed tomography (4DCT) for 40 patients mainly with lung and gastrointestinal tumours. Relative distance to mean amplitude position of internal structures showed an inphase motion in superior-inferior direction. Diaphragm and kidneys displayed in average the greatest amplitude. There were no significant amplitude differences between lung and other locations motion. The actual treatment planning method (3D-CRT or IMRT) turned out to be, in average, adequate for ten lung cases with large motion. The use of mid-ventilation phase for treatment planning does not change significantly dose coverage but lower lung dosimetric parameters. The use of 4DCT average showed not benefits over the actual procedure.