Malgré de récentes avancées, les traitements par radiothérapie (RT) demeurent insatisfaisants : la tolérance des tissus sains aux rayonnements limite la délivrance de fortes doses (potentiellement curatives) à la tumeur. Pour remédier à ce problème, de nouvelles approches basées sur des modes de dépôt de dose innovants sont aujourd’hui à l’étude. Parmi ces approches, la technique synchrotron “Minibeam Radiation Therapy” (MBRT) a démontré sa capacité à élever la résistance des tissus sains aux rayonnements, ainsi qu’à induire un important retard de croissance tumorale. La MBRT combine des faisceaux submillimétriques à un fractionnement spatial de la dose. Dans ce contexte, l’alliance de la balistique plus avantageuse des particules chargées (et leur sélectivité biologique) à la préservation des tissus sains observée en MBRT permettrait de préserver d’avantage les tissus sains. Cette stratégie innovante a été explorée durant ce travail de thèse. Deux voies ont notamment été étudiées: la MBRT par faisceaux de protons (pMBRT), et d’ions très lourds. Premièrement, la preuve de concept expérimentale de la pMBRT a été réalisée dans un centre clinique (Institut Curie, Centre de Protonthérapie d’Orsay). De plus, l'évaluation de potentielles optimisations de la pMBRT, à la fois en terme de configuration d’irradiation et de génération des minifaisceaux, a été menée dans une étude Monte Carlo (MC). Dans la seconde partie de ce travail, un nouvel usage potentiel des ions très lourds (néon et plus lourds) en radiothérapie a été évalué dans une étude MC. Les combiner à un fractionnement spatial permettrait de tirer profit de leur efficacité dans le traitement de tumeurs radiorésistantes (hypoxiques), un des principaux défis de la RT, tout en minimisant leurs effets secondaires. Les résultats obtenus au terme de ce travail sont favorables à une exploration approfondie de ces deux approches innovantes. Les données dosimétriques compilées dans ce manuscrit serviront à guider prochaines les expérimentations biologiques. / Despite recent breakthroughs, radiotherapy (RT) treatments remain unsatisfactory : the tolerance of normal tissues to radiations still limits the possibility of delivering high (potentially curative) doses in the tumour. To overcome these difficulties, new RT approaches using distinct dose delivery methods are being explored. Among them, the synchrotron minibeam radiation therapy (MBRT) technique has been shown to lead to a remarkable normal tissue resistance to very high doses, and a significant tumour growth delay. MBRT allies sub-millimetric beams to a spatial fractionation of the dose. The combination of the more selective energy deposition of charged particles (and their biological selectivity) to the well-established normal tissue sparing of MBRT could lead to a further gain in normal tissue sparing. This innovative strategy was explored in this Ph.D. thesis. In particular, two new avenues were studied: proton MBRT (pMBRT) and very heavy ion MBRT. First, the experimental proof of concept of pMBRT was performed at a clinical facility (Institut Curie, Orsay, France). In addition, pMBRT setup and minibeam generation were optimised by means of Monte Carlo (MC) simulations. In the second part of this work, a potential renewed use of very heavy ions (neon and heavier) for therapy was evaluated in a MC study. Combining such ions to a spatial fractionation could allow profiting from their high efficiency in the treatment of hypoxic radioresistant tumours, one of the main challenges in RT, while reducing at maximum their side effects. The promising results obtained in this thesis support further explorations of these two novel avenues. The dosimetry knowledge acquired will serve to guide the biological experiments.