Thèse de doctorat--Delft--University of technology, 2008. / Notes bibliogr.

Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2007. / Bibliogr.: f. 110. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

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Thèse doctorat : Images et Systèmes : Villeurbanne, INSA : 2007. / Thèse rédigée en anglais. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 81-93.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Physique nucléaire : Lyon 1 : 2002. / Titre provenant de l'écran titre. 151 réf. bibliogr.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La radiothérapie est une approche thérapeutique permettant de délivrer une dose de radiation à une région tumorale. Cependant, cette méthode de traitement peut également affecter les tissus sains environnants, provoquant des effets secondaires indésirables chez les patients. Pour minimiser ces effets secondaires, il est nécessaire de valider les doses de radiation des tissus sains tout en assurant une couverture optimale de la dose à la tumeur. Les dosimètres utilisés pour effectuer ces validations ont en majorité des propriétés qui ne sont pas similaires à celles du milieu de référence en radiothérapie, l'eau. Ainsi, la dose mesurée par le scintillateur doit être ajustée à celle qui serait mesurée dans l'eau sans la présence du dosimètre, ce qui implique que des facteurs de correction doivent être calculés et utilisés pour la validation de la dose. Quoique minimes, les erreurs engendrées par ces coefficients ne sont pas nulles et pourraient avoir un impact sur les incertitudes reliées à la mesure de dose. Dans ce contexte, le besoin d'un dosimètre équivalent à l'eau en milieu clinique est grandissant. En revanche, la plupart des scintillateurs liquides et plastiques équivalents à l'eau contiennent des solvants qui peuvent être néfastes pour la santé des personnes qui doivent les utiliser. Dès lors, en milieu clinique, des mesures de sécurité additionnelles doivent être prises afin de maintenir un environnement sans danger pour le personnel et les patients. Un scintillateur composé en majorité d'eau aurait alors l'avantage d'une meilleure équivalence à l'eau tout en minimisant les effets néfastes sur la santé des utilisateurs et leur environnement. C'est dans ce contexte que le mémoire présenté vise à caractériser de nouveaux types de scintillateurs à base d'eau afin d'explorer leur potentiel et leurs performances pour la mesure de la dose en radiothérapie. La caractérisation de scintillateurs liquides à base d'eau s'avère être l'objectif général présenté dans ce mémoire. Quatre scintillateurs ayant respectivement des concentrations en eau de 0%, 40%, 60% et 80% ont été étudiés. La caractérisation des propriétés physiques de ces scintillateurs a permis d'explorer trois aspects : la dépendance de l'efficacité de scintillation selon la concentration d'eau, la comparaison de l'efficacité de scintillation avec un scintillateur de référence ainsi que l'analyse spectrale des scintillateurs. La caractérisation des propriétés dosimétriques des scintillateurs a permis d'analyser la linéarité de la réponse selon la dose, la dépendance du signal au débit de dose ainsi que la variation de la réponse selon le type et la qualité de faisceau. En troisième lieu, l'aspect volumétrique du scintillateur liquide à base d'eau a été étudié par l'évaluation des distributions de dose à haute énergie. L'évaluation de l'efficacité de scintillation a permis de quantifier la diminution du signal émis avec l'augmentation de la concentration d'eau pour une même dose déposée au scintillateur. Une efficacité de scintillation relative moyenne de 25% a été obtenue pour le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% comparativement au scintillateur n'ayant pas d'eau dans son mélange. En second lieu, il a été possible d'observer que les scintillateurs liquides ayant majoritairement de l'eau comme solvant ont une réponse linéairement proportionnelle à la dose délivrée. Leur réponse ne varie pas selon le débit de dose. Le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% possède la plus faible dépendance selon l'énergie et le type de faisceau, avec une dépendance d'au maximum 4% pour toute la gamme d'énergies en photons, du kilo- au méga-voltage, et d'au maximum 5% pour la gamme d'énergie en électrons explorée. Finalement, il a été possible de valider que les scintillateurs liquides à base d'eau offrent des résultats similaires aux scintillateurs standards lors de mesures de distributions de dose en deux dimensions. Des différences négligeables sont observées entre le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% et le scintillateur de référence, le Ultima Gold. / Radiotherapy is a therapeutic approach that involves delivering a dose of radiation to a tumor region. However, this treatment method can also affect surrounding healthy tissues, causing undesirable side effects in patients. To minimize these side effects, it is necessary to validate the radiation doses in healthy tissues while ensuring optimal dose coverage for the tumor. The dosimeters used to perform these validations mostly have properties that are not similar to those of the reference medium in radiotherapy, water. Thus, the dose measured by the scintillator must be adjusted to the one deposited in water without the presence of the dosimeter. This requires correction factors to be calculated and used for dose validation. Although these errors are minimal, they are not negligeable and could have an impact on the uncertainties related to dose measurement. In this context, there is a growing need for a water-equivalent dosimeter in a clinical environment. However, most of the water-equivalent liquid and plastic scintillators contain solvants that can be harmful to the health of people who use them. Therefore, additional safety measures must be taken in a clinical setting to maintain a safe environment for staff and patients. A scintillator composed mostly of water would have the advantage of better water equivalence while minimizing harmful effects on the health of users and their environment. It is in this context that this presented work aims to characterize these new types of water-based scintillators to explore their potential and performance for dose measurement in radiotherapy. The general objective presented in this thesis is the characterization of water-based liquid scintillators. Four scintillators with water concentrations of 0%, 40%, 60%, and 80% were studied. The characterization of the physical properties of these scintillators allowed exploration of three aspects : the dependence of scintillation efficiency on water concentration, comparison of scintillation efficiency with a reference scintillator, and spectral analysis of the scintillators. The characterization of the dosimetric properties of the scintillators allowed analysis of the linearity of the response to dose, the dependence of the signal on dose rate, and the variation in response according to beam type and quality. Finally, the volumetric aspect of the water-based liquid scintillator was studied by evaluating high-energy dose distributions. The evaluation of the scintillation efficiency allowed to quantify the decrease in emitted signal with increasing water concentration for the same deposited dose in the scintillator. An average relative scintillation efficiency of 25% was obtained for the scintillator with an 80% water concentration compared to the scintillator without water in its mixture. Secondly, it was possible to observe that liquid scintillators predominantly composed of water as a solvent exhibit a linearly proportional response to the delivered dose. Their response does not vary with dose rate. The scintillator with an 80% water concentration has the lowest energy and beam type dependence, with a maximum dependence of 4% across the entire range of photon energies from kilo- to mega-volts, and a maximum dependence of 5% within the explored electron energy range. Finally, it was possible to validate that water-based liquid scintillators offer similar results to standard scintillators in two-dimensional dose distribution measurements. Negligible differences are observed between the scintillator with an 80% water concentration and the reference scintillator, Ultima Gold.

La dosimétrie est la branche de la physique médicale chargée de mesurer la dose. Une variété de dosimètres ont été créés au cours des 100 dernières aimées afin de pouvoir mesurer avec précision la dose donnée aux patients subissant un traitement médical avec des rayonnements ionisants. Le plus important de ces dosimètres est sans conteste la chambre à ionisation, qui collecte la charge produite lors de l'ionisation de l'air par le passage de radiation. Cependant, les avancées technologiques récentes en radiothérapie externe, telles la modulation d'intensité qui utilise une superposition de petits champs, poussent les chambres à ionisation dans leurs derniers retranchements et motivent le développement de technologies alternatives. Une technologie d'intérêt est le scintillateur en plastique qui émet des photons optiques en réponse à une stimulation aux rayons X. Ce projet de recherche concerne le développement d'un prototype de dosimètre matriciel utilisant des fibres optiques scintillantes. Plusieurs aspects de conception du système seront abordés tels que : la conception mécanique et le blindage radiatif, la conception optique. Ce mémoire se termine avec des mesures de dose réalisées avec un accélérateur linéaire médical à l'Hôtel-Dieu de Québec.

La radiochirurgie stéréotaxique consiste à irradier une petite zone cérébrale à l'aide d'un champ de radiation de très petite dimension. Contrairement à la radiothérapie externe conventionnelle, les tissus sains sont épargnés par l'amélioration géométrique de la conformité de dose plutôt que par fractionnement du traitement. L'utilisation de collimateurs très atténuant et d'un système de stéréotaxie permettent d'obtenir la conformité de dose et la précision spatiale nécessaires pour ce type de traitement. Par contre, de telles conditions d'irradiation engendrent l'addition de défis dosimétriques supplémentaires. À ce jour, aucun dosimètre ne possède toutes les propriétés nécessaires pour la mesure de dose en petits champs, que ce soit au niveau du volume sensible trop important, de la non équivalence à l'eau, de la dépendance angulaire ou sur le débit de dose. Nous proposons les détecteurs à scintillateur plastique à titre de référence pour la dosimétrie en petits champs, car ils possèdent plusieurs avantages très attrayants vis-à-vis la radiochirurgie stéréotaxique. Deux détecteurs ont donc été développés ayant des volumes sensibles cylindriques de 0.5 et 1.0 mm de diamètre ainsi qu'une longueur de 1.0 mm. Ceux-ci ont été comparés à plusieurs dosimètres commerciaux de radiochirurgie, soit la chambre à ionisation A-16, la diode SFD, la diode blindée 60008, la diode non blindée 60012 et la chambre à ionisation liquide (MicroLion). Pour ce faire, des facteurs de cône ont été mesurés sur un appareil CyberKnife. Pour évaluer la performance de chacun des détecteurs par rapport à l'eau, ces mesures ont été comparées à deux études Monte Carlo indépendantes. Finalement, des profils de dose ont été mesurés avec les deux détecteurs développés, une diode 60012 et des Gafchromics EBT2 pour vérifier si les propriétés des différents détecteurs créent des erreurs significatives sur ce type de mesure.

Parmi les techniques de détection de rayonnement, les détecteurs optiques occupent une place importante et apportent des réponses aux exigences des expériences de physique et d'astrophysique. Je traiterai plus particulièrement dans mon exposé des techniques de détection basées sur l'émission Čerenkov ou la scintillation dans les matériaux inorganiques transparents, en les illustrant par les recherches, développements et réalisations. Les aspects de science des matériaux, d'optique, en particulier les problèmes causés par les radiations, les techniques expérimentales utilisées, les développements réalisés en matière de simulation numérique et de modélisation, et bien entendu les expériences de physique en cours ou projetées seront abordés. Je terminerai par quelques perspectives d'utilisation des cristaux scintillants dans les calorimètres hadroniques du futur.