Au Nunavik, Québec, suite à la déglaciation et aux transgressions marines le long des côtes des Baies d’Hudson et d’Ungava, des sédiments fins gélifs se sont déposés dans ces secteurs côtiers. Lors de l’émersion postglaciaire suivant le relèvement isostatique, ces dépôts marins ont été mis en contact avec l’air froid et un pergélisol riche en glace s’est formé. Les infrastructures des communautés Inuites qui se trouvent aussi le long des côtes du Nunavik peuvent donc être construites sur un pergélisol riche en glace et leurs infrastructures sont peut-être vulnérables à la dégradation du pergélisol. Cette vulnérabilité peut affecter le développement durable de ces communautés au niveau de la performance, des coûts d’entretien et de la pérennité de leurs infrastructures nordiques. Afin de répondre aux besoins en ingénierie nordique d’investigation efficace des environnements pergélisolés pour soit éviter les zones vulnérables à la dégradation du pergélisol ou soit concevoir des méthodes de mitigation de cette dégradation, des objectifs ont été fixés dans le cadre de ce projet de recherche au doctorat: 1) de déterminer un modèle géocryologique conceptuel d’une butte de pergélisol riche en glace en zone de pergélisol discontinu au Nunavik à partir de l’interprétation d’une série de cinq essais de pénétration au cône réalisés dans cette butte, 2) en tenant compte de ce modèle conceptuel et à l’aide de la modélisation directe en géophysique, de développer une approche géophysique originale basée sur différentes méthodes géo-électriques pour l’auscultation du pergélisol, 3) de tester cette approche géophysique sur la butte de pergélisol riche en glace précédente, et 4) de développer des connaissances sur la géocryologie des buttes de pergélisol au Nunavik. Le site d’études est localisé dans une vallée profonde près de la communauté Inuite d’Umiujaq sur la côte est de la Baie d’Hudson. Des environnements pergélisolés caractéristiques du Nunavik dont notamment des buttes de pergélisol riche en glace sont facilement accessibles à partir de cette communauté. La méthodologie de recherche comprend l’utilisation de la modélisation directe à partir d’un modèle géocryologique de la butte de pergélisol étudiée pour concevoir l’investigation géophysique par tomographies de polarisation provoquée et diagraphies de résistivité électrique. Des tomographies bidimensionnelles et tridimensionnelles de polarisation provoquée ainsi que des diagraphies de résistivité électrique ont ensuite été réalisées pour caractériser le pergélisol du site d’étude. L’inversion et l’interprétation de ces levés géo-électriques ont permis de définir des modèles unidimensionnels, bidimensionnels et voire même tridimensionnels de résistivité et de chargeabilité électrique du site d’étude. Le modèle géocryologique initial de la butte de pergélisol étudiée a été amélioré en tenant compte des résultats de l’investigation géo-électrique. Le coeur riche en glace de la butte de pergélisol a été délimité avec précision à l’aide de cette approche d’investigation géo-électrique. En conclusion, l’approche d’investigation géo-électrique développée dans le cadre de ce projet de recherche au doctorat pour l’auscultation bidimensionnelle et tridimensionnelle du pergélisol peut être utilisée pour identifier des zones vulnérables à la dégradation du pergélisol avant la construction d’infrastructures nordiques ou au droit de telles infrastructures déjà construites pour évaluer leur vulnérabilité. / In Nunavik (Québec), frost-susceptible marine sediments were deposited along the coasts of Hudson Bay and Ungava Bay after their deglaciation and during the subsequent marine transgression. Following the postglacial emersion due to the isostatic uplift, the marine deposits came in contact with the cold air and ice-rich permafrost formed in these deposits. Therefore, the Inuit communities located along the coasts of Nunavik may be built on ice-rich permafrost and their infrastructures may be vulnerable to permafrost degradation. This vulnerability may impact the sustainable development of these communities affecting the performance, maintenance costs and service life of their infrastructures. In answer to the needs of efficient permafrost investigation in cold regions engineering to avoid zones vulnerable or use mitigation method to permafrost degradation, the main goals of this doctoral research project are: 1) to assess a conceptual geocryological model of an ice-rich permafrost mound in the discontinuous permafrost zone in Nunavik from the interpretation of five cone penetration tests carried out in the mound, 2) taking into account the previous model and using the forward modelling approach in geophysics, to develop an innovative geophysical approach based on different geo-electrical methods for permafrost investigation, 3) to test this geophysical approach for the characterization of the previous ice-rich permafrost mound, and 4) to contribute to knowledge development on the geocryology of permafrost mounds in Nunavik. The study site is located in a deep valley near the Inuit community of Umiujaq along the east coast of Hudson Bay. Permafrost environments characteristic of Nunavik such as ice-rich permafrost mounds are found in this valley which is accessible from this community. The research methodology consists in using the forward modelling approach in geophysics taking into account the conceptual geocryological model of the studied ice-rich permafrost mound to design the geophysical investigation based of induced polarization tomography and electrical resistivity logging. Two-dimensional and three-dimensional induced polarization tomography and electrical resistivity logging were then performed of the study site. Unidimensional, two-dimensional and three-dimensional models of electrical resistivity and chargeability of the study site were found from the inversion of these geo-electrical surveys. The conceptual geocryological model was then improved by interpretating these geo-electrical models. The ice-rich core of the permafrost mound was accurately delineated using this geophysical approach. In conclusion, the geo-electrical investigation approach developed herein for the two-dimensional and three-dimensional characterization of ice-rich permafrost environments can be used to delineate zones vulnerable to permafrost degradation before the construction of northern infrastructures or along existing infrastructures to assess their vulnerability.

La télédétection des conditions physiques du pergélisol dans trois buttes de pergélisol près d'Umiujaq au Nunavik (Québec) a été réalisée à l'aide de la tomographie électromagnétique forage-forage et surface-forage. Les objectifs de ces travaux géophysiques étaient d'étudier la propagation des ondes électromagnétiques dans un milieu physique partiellement gelé et de déterminer la cryostratigraphie des buttes de pergélisol. Des antennes à géométrie cylindrique de géoradar à ondes courtes de 50, 100 et 200 MHz ont été glissées dans des regards géophysiques secs mis en place préalablement à l'étude ou utilisées en surface. La cryostratigraphie générale des buttes de pergélisol étudiées définie à partir des tomogrammes de vitesse de propagation des ondes électromagnétiques correspond à celle obtenue de forages et de l'échantillonnage de ces buttes. La résolution des tomogrammes est meilleure aux plus hautes fréquences.

L'imagerie mégavoltage à faisceau conique (MVCBCT) est une technique de tomographie qui permet d'obtenir des images 3D d'un patient quelques instants avant son irradiation. Le présent projet se consacre à cette technologie et est bâti en trois étages superposés: d'abord une étude des caractéristiques du système d'imagerie et des images qu'il produit, suivi du développement de méthodes de correction des images permettant un calcul de dose exact, pour terminer avec quelques applications cliniques adhérant au principe de radiothérapie guidée par la dose (DG RT). Les images MVCBCT présentent invariablement un artéfact en creux, caractérisé par une diminution de l'intensité au centre de l'image et causant des erreurs de calcul de dose allant facilement jusqu'à 10%. L'étude du système MVCBCT, réalisée à partir de simulations Monte Carlo, conclut que l'artéfact en creux est majoritairement dû à l'adoucissement radial et au duricissement en pronfondeur du faisceau de photons. Deux méthodes de correction de l' artéfact en creux ont été développées, l'une pour les images de la région ORL (tête et cou), l'autre pour les images pelviennes. L'algorithme de correction d'images ORL met à profit l'information contenue dans l'image CT de planification pour rétablir les densités sur l'image MVCBCT. Le traitement des images pelviennes est quant à lui basé sur des facteurs de correction obtenus à partir de mesures sur différents fantômes anthropomorphiques. Ces deux méthodes permettent de réduire l'incertitude des calculs de dose à partir d'images MVCBCT à ±3%. Enfin, une étude de recalcul de dose pour un nombre de cas d'ORL et de prostate a été menée à l'aide d'images MVCBCT acquises au début de plusieurs fractions du traitement. Cette étude confirme que les patients recoivent la dose prescrite au volume cible, sauf pour une fraction d'un cas de prostate où une erreur de positionnement n'a pas été détectée sur le fait. Il a aussi été révélé que la dose moyenne aux glandes parotides des patients ORL peut augmenter jusqu'à 50% au cours du traitement. D'importantes variations dans la dose par fraction reçue par le rectum et la vessie ont aussi été remarquées pour les cas de prostate. Des stratégies d'adaptation des plans de traitement évitant une replanification totale n'ont pu permettre de rétablir les valeurs dosimétriques originales chez les patients ORL.

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.

Les thérapies radionucléidiques utilisant du $^{177}$Lu sont utilisées pour traiter les patients atteints de tumeurs neuroendocrines dans le cadre de la thérapie radionucléidique par radiopeptides, *peptide receptor radionuclide therapy* (PRRT), et de la thérapie radiopharmaceutique pour le cancer de la prostate, *radioligand therapy* (RLT). La PRRT empirique consiste à injecter 4 cycles de $^{177}$Lu-octreotate de 7.4 GBq afin de limiter la dose absorbée dans les reins sous 23 Gy. Cette méthodologie étant généralement sous-optimisée, une PRRT personnalisée a été proposée. Sur bases d'images acquises en tomographies par émission mono-photonique (TEMs) quantifiées, *quantitative single photon emission computed tomography* (QSPECT), après chaque injection, la dose absorbée par activité injectée est calculée dans les reins. En fonction de celle-ci, l'activité injectée au cycle suivant est personnalisée afin d'atteindre 23 Gy aux reins au bout des quatre injections. La quantification des images nécessite qu'un facteur de calibration soit établi pour le système TEM et qu'une correction du temps mort soit apportée. En raison du nombre important de photons pouvant atteindre la caméra, cet effet indésirable diminue le nombre de photons observés par rapport au nombre réel. Pour le corriger, la constante de temps mort de la caméra a été déterminée et utilisée pour en corriger les images. Néanmoins, l'impact du temps mort sur les images PRRT est encore peu connu et sa correction actuelle ne permet pas de corriger les images ayant un très haut débit de photons. Les premiers objectifs de ce travail consistent à valider la méthode de quantification actuelle et proposer une méthode permettant de quantifier les images tomographies par émission mono-photonique (TEMs) des patients à plus haut débit de photons. Concernant l'efficacité du traitement, une corrélation a été observée entre la réponse précoce et l'effet tardif du traitement mais sa haute variabilité ne permet actuellement pas de l'appliquer de manière prédictive. Pour le deuxième objectif, il s'agit de proposer une méthode semi-automatique capable de segmenter un contour réaliste du fardeau tumoral des patients et qui puisse permettre d'évaluer la réponse tumorale durant la PRRT. L'impact de la correction du temps mort sur le calcul de la dose absorbée aux reins a été évalué sur 166 patients. Des acquisitions de fantômes personnalisés ont été effectuées avec du $^{99m}$Tc et du $^{177}$Lu afin d'évaluer la réponse des caméras à haut débit de photons pour différents paramètres d'acquisition et pour différents modèles. La méthode actuelle de correction de temps mort a été évaluée sur ces acquisitions et pour les QSPECTs de patients. Elle a été comparée à une méthode plus juste physiquement mais plus difficilement applicable en routine clinique. Il a été possible de montrer que la correction du temps mort est nécessaire dans un régime personnalisé pour limiter la sous-estimation de dose absorbée aux reins, parfois supérieure à 20%. En outre, le nombre de photons corrigé avec la méthode actuelle ne diverge pas de plus 2% par rapport à la méthode de référence. Nos résultats sur les fantômes ont montré que la constante de temps mort est non seulement indépendante du radio-isotope utilisé mais qu'elle peut également varier selon les paramètres d'acquisition et des manufacturiers. Ainsi, il nous est possible en modifiant un paramètre d'acquisition de doubler le débit de photons quantifiables pendant une acquisition. 24 méthodes de segmentations ont été appliquées sur 100 QSPECTs provenant des deux premiers cycles PRRT de 50 patients. Pour chaque image, un expert a choisi, et éventuellement modifié, le contour qu'il jugeait le plus réaliste pour ainsi obtenir le contour de référence. Les algorithmes y ont été comparés en termes de Dice, de sensibilité et d'évolution de fraction tumorale. Une méthode de segmentation, le *watershed transform* (WT), a pu être isolée en raison de ses résultats supérieurs aux autres méthodes. Les contours de référence ont été créés 43 fois sur 100 avec ce WT comme segmentation initiale, ce qui peut expliquer sa performance. Néanmoins, il s'agissait aussi de la méthode permettant de segmenter plus de 90% des lésions (y compris celles de faible intensité) et dont la catégorisation de la réponse tumorale était en accord avec celle de l'expert dans 92% des cas. La nécessité de corriger pour le temps mort et la méthodologie employée ont été validées pour un régime personnalisé de PRRT. Pour les patients ayant une rétention très importante du $^{177}$Lu au moment de l'imagerie, une solution a été apportée pour rendre leurs images quantifiables. Celle-ci dépend néanmoins du système SPECT utilisé. Bien que l'effet de temps mort soit généralement considéré comme négligeable dans le calcul de dosimétrie, l'augmentation probable de thérapies personnalisées verra les activités injectées aux patients augmenter et avec elles, le besoin de corriger les images pour les rendre quantifiables. La segmentation proposée se veut robuste et relativement indépendante de l'utilisateur. Les réponses précoces et tardives au traitement seront évaluées en utilisant cette méthode de sorte à affiner la corrélation déjà existante. Les résultats obtenus dans ce travail permettent d'améliorer la quantification et la segmentation des images acquises avec du $^{177}$Lu. Ceci servira à améliorer la personnalisation des thérapies PRRT et RLT afin d'augmenter l'espérance de vie des patients. / $^{177}$Lu-based radionuclide therapies are commonly used to treat patients afflicted with neuroendocrine tumours, *peptide receptor radionuclide therapy* (PRRT), or by prostate cancer, *radioligand therapy* (RLT). Empiric PRRT relies on four 7.4 GBq $^{177}$Lu-octreotate cycles to limit the kidneys absorbed dose to 23 Gy. Due to the inter-patient variability, a personalised PRRT approach was created to optimise the amount of injected activity based on the renal dosimetry. This is achieved by performing *quantitative single photon emission computed tomography* (QSPECT) imaging after each injection. The kidneys absorbed dose per injected activity is measured and used to personalise the amount of injected activity during the next cycle in order to reach 23 Gy by the end of the treatment. This requires a calibration of the SPECT system, i.e. determining its calibration factor and dead-time constant. This unwanted artefact reduces the observed photon count rate. The system dead-time constant was determined and is currently used to correct PRRT images. However, the dead-time impact on kidney dosimetry is still unknown. Besides, the current methodology is unable to quantify the images of patients emitting a very high photons count rate during the acquisition. The first objective aims at validating the current quantitative methodology and determining the dead-time correction impact on personalised PRRT dosimetry. A prevention methodology should also be brought to quantifiy the images of patients emitting a high photons count rate. Regarding the treatment response, based on the acquired images, a correlation was found between the early and late tumours response. However, due to its high variability it is currently impossible to use this correlation in therapies. The second objective aims at creating a robust semi-automatic segmentation method able to segment a realistic tumoral burden and properly evaluate its response throughout PRRT cycles. The dead time correction impact was evaluated on the absorbed dose of 166 patients. Images of customised phantoms filled with high activities of either $^{99m}$Tc or $^{177}$Lu were acquired on different SPECT systems and for various acquisition parameters. The current dead time correction method was compared with a physically correct but less convenient method on both phantoms and patients images. Results showed that dead-time correction is necessary in personalised PRRT to avoid kidneys absorbed dose underestimations as high as 20%. Additionally, absorbed doses differences between our current methodology and the reference did not exceed 2%. We observed that the dead-time correction factor is independent from the radionuclide but can vary depending on the acquisitions parameters and the manufacturer. Changing the acquisition protocol allowed to double the amount of quantifiable photons rate. 24 segmentation methods were applied on 100 QSPECTs from 50 patients' first two PRRT cycles. An expert chose for each image the most realistic segmentation and eventually modified it to define the reference contour. Segmentations were compared based on Dice, sensitivity and tumours response. The total lesion fraction evolution from cycle 1 to cycle 2 was categorised and compared to the expert's opinion. The *watershed transform* (WT) appeared to be the method segmenting the most realistic tumoral burden. It was the expert's most chosen segmentation before an eventual modification (43/100) which can explain its performance. It was able to segment up to 90% of tumours (even low intensity ones) and its resulting tumoral response was consistent with the one determined by the expert in more than 92% of cases. Our dead-time correction methodology was validated and we proved that its correction is necessary in a personalised PRRT protocol. We also managed to quantify the SPECT images of patients having an important $^{177}$Lu retention. This solution is, however, dependant on the SPECT system. Dead time is generally considered negligible in current therapies. However, with the likely increase of personalised therapies, patients will receive higher amounts of activities and their following QSPECTs will need to be corrected for this artefact. Our tumour segmentation method is robust and limits the impact of the inter-user variability. Early and late responses will be measured based on this algorithm in order to improve their currently weak correlation and reduce the variability. The obtained results will improve the quantification and segmentation of $^{177}$Lu QSPECTs. These will impact the personalisation of PRRT and RLT and hopefully help to improve patients' outcomes.

Titre de l'écran-titre (visionné le 11 janvier 2024) / L'objectif de ce projet de maîtrise était d'évaluer la précision et la faisabilité de la dosimétrie basée sur la tomographie par faisceau conique (CBCT) dans la replanification des traitements en radiothérapie pour des patients atteints de cancers de la tête et du cou (ORL). Une étude rétrospective a été menée sur 20 patients replanifiés pour comparer la distribution de dose basée sur CBCT à celle du TDM. Les résultats montrent que la CBCT offre une précision similaire au TDM, avec une différence maximale de 2.2% pour le D98% au niveau du volume cible prévisionnel (PTV). Des algorithmes d'auto-segmentation et de recalage déformable (ANACONDA de RayStation et Limbus basé sur l'apprentissage profond) ont également été évalués pour leur performance en segmentation. Les résultats ont montré une haute similarité entre les auto-contours et les contours manuels, bien que certaines structures, comme l'œsophage et le larynx, nécessitent une vérification systématique. Nous avons également mis en évidence l'importance de la replanification en montrant des variations significatives en termes de couverture de dose dans différentes régions d'intérêt. Un seuil d'action basé sur la variation de D98% a été proposé pour guider la replanification. Ce seuil, ayant une spécificité de 0.9 mais une sensibilité de 0.684, nécessite une validation supplémentaire. Ce travail souligne l'importance de la replanification dans le traitement en radiothérapie et propose la CBCT comme une alternative viable pour la surveillance et l'ajustement du traitement.

La qualité de l'anode, particulièrement du point de vue de la résistivité électrique, est primordiale pour l'industrie de l'aluminium. Plus la résistivité électrique est faible, moins l'énergie serait perdue lors de l’opération. Le but du présent projet est donc d'évaluer la qualité de l'anode de ce point de vue. L’anode est composée de trois phases; particules de coke, matrice liant (pitch) et des porosités ou des fissures. La résistivité électrique de l'anode est fortement affectée par la taille (la distribution de taille) et la forme (la distribution de forme) de ces phases. Par conséquent, il est essentiel de comprendre les mécanismes de conduction de l'anode et de mettre en évidence l'effet de la microstructure de l'anode sur sa résistivité électrique. Dans la présente étude, nous avons essayé de créer une carte de résistivité électrique (ou conductivité) de l'anode et de la corréler avec la répartition de différentes phases. La possibilité d'utiliser de la tomographie par résistance électriques (ERT) a été évaluée en tant qu’une méthode pour cartographier la distribution de la résistivité électrique. La carte est une image de la distribution de la résistance électrique en 2-D des tranches d’anode. ERT est un processus d'estimation de la résistivité à partir des mesures de tension sur un domaine d'intérêt. Le procédé ERT consiste à mettre une série d’électrodes sur la surface de la pièce, puis injecter le courant dans une paire d’électrode et mesurer la tension des autres électrodes. Le processus continue jusqu'à ce que chaque électrode soit considérée une fois comme électrode d'injection. Alors que les tensions mesurées fournissent une matrice des mesures, le potentiel électrique à l'intérieur du matériau est calculé en utilisant la méthode des éléments finis (FEM). En comparant les tensions mesurées et calculées et en minimisant l'erreur des algorithmes de reconstruction, l'image de la conductivité est obtenue. Les images électriques par ERT ont été comparées avec des images obtenues par la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie de la Fluorescence de Rayons X (XRF). La comparaison a montré une certaine corrélation entre la répartition des phases dans l'anode de carbone et sa carte de la distribution de la résistance électrique. / The quality of anode especially from electrical resistivity aspect is important to the aluminum industry. The higher the current can pass through the anode by the means of lower electrical resistivity, the lower the energy would be lost. The purpose of present project is to evaluate the quality of anode from the electrical properties point of view. Anode consists of three phases; coke particles, binder matrix (pitch) and porosities or cracks. The electrical resistivity of anode is highly affected by the size (size distribution) and shape (shape distribution) of these phases. Therefore, it is essential to understand the conduction mechanisms of anode and to reveal the effect of anode microstructure on its electrical resistivity. In the present study, we attempted to create a map of electrical resistivity (or conductivity) of anode regarding the distribution of the phases. Feasibility of using Electrical Resistance Tomography (ERT) was assessed as a method for mapping the electrical resistivity distribution in carbon anode. The map is a computed image of the distribution of electrical resistance in 2-D slice through a conducting region. ERT is a process of estimating from voltage measurements at the domain of interest. ERT method involves with putting electrodes at the boundary, injecting the current to each pair and measuring the voltage from the remaining ones until each electrode once considered as the injecting electrode. While the measured voltages provide a matrix of measurements, the electrical potential inside the material would be calculated using the Finite Element Method (FEM). By comparing the measured and calculated voltages and minimizing the error and utilizing reconstruction algorithms, the conductivity image of the desired surface will be obtained. In the final analysis, the electrical images by ERT were evaluated using SEM microscope and XRF analysis. The comparison suggested a good correlation between the electrical images and the distribution of the phases in carbon anode.

L’objectif de ce projet est de créer un programme logiciel permettant de corriger le rayonnement diffusé dans une acquisition tomodensitométrique à géométrie conique. Pour ce faire, une simulation Monte Carlo est utilisée pour estimer le rayonnement diffusé, ce qui consiste à reproduire numériquement un examen en tomodensitométrie. Ce projet a été divisé en deux sections : la validation de la physique pour ce programme spécifique et le développement logiciel du programme. La validation consistait à reproduire les résultats obtenus avec Geant4 avec GPUMCD. Geant4, la plateforme de référence, et GPUMCD, la plateforme à l’étude, sont deux librairies logicielles pour la simulation numérique du transport de particules à travers la matière utilisant les calculs Monte Carlo. Les éléments étudiés sont les sections efficaces, les matériaux, l’algorithme de diffusion Rayleigh et l’algorithme de diffusion Compton. Bien que quelques erreurs persistent dans la physique de GPUMCD, une nette amélioration des résultats entre GPUMCD et Geant4 a été obtenue. La différence entre les deux simulations qui était supérieure à 100% pour une géométrie complexe est passée sous la barre du 10%. De plus, il a été possible d’identifier quelques autres causes telles qu’une différence dans la définition des modèles physiques, et ce, plus précisément dans l’algorithme de diffusion Compton. En ce qui concerne la seconde partie du projet, bien que la correction n’a pu être effectuée pour une reconstruction, tous les éléments ont été implémentés pour estimer le rayonnement diffusé pour une géométrie de patient provenant de données cliniques d’une reconstruction tomodensitométrique. Les paramètres et les stratégies étudiés dans le but d’optimiser le temps de calculs tout en conservant la justesse des résultats sont : le traçage de rayons, le lissage gaussien du rayonnement diffusé, la réduction du nombre de pixels sur le détecteur, l’interpolation des projections, la symétrie et la réduction de nombre de voxels dans le patient. De plus, en considérant une correction de haute qualité, soit 2% d’erreur et moins par stratégie implémentée, on obtient un temps de simulation de moins de 2 minutes sur une GPU Nvidia Titan X. Pour une simulation dite de basse qualité, soit 5% d’erreur et moins par stratégie implémentée, on obtient un temps d’exécution de moins de 15 s par simulation. Cela correspond à des temps cliniquement acceptables si le patient doit attendre sur la table. / The goal of this project is to develop an application to correct the scattered radiation in a cone beam computed tomography scan (CBCT). A Monte Carlo simulation is used to estimate the scattered radiation which is a numerical replication of a CBCT acquisition. This project has been divided into two sections : the validation of the physics for this specific application and the development of the application. The validation consisted in reproducing the results obtained with Geant4 in GPUMCD. Geant4 is the reference platform and GPUMCD is the platform studied. Both are Monte Carlo simulators of the passage of particles through matter.The elements studied are the cross sections, the materials, the Rayleigh scattering algorithm and the Compton scattering algorithm. Although some errors are still present, a great improvement of the results between GPUMCD and Geant4 was obtained. The difference between the two simulations was greater than 100 % for complex geometries and dropped below 10% after corrections of the physics. In addition, it was possible to identify some other problems such as a theoretical difference in the Compton scattering algorithms. Regarding the second part of the project, although the correction could not be implemented in a reconstruction, all elements are present to estimate the scattered radiation for an actual CBCT reconstruction. The parameters and strategies studied in order to optimize the computation time while maintaining the accuracy of the results are : ray tracing, Gaussian smoothing of scattered radiation, reduction of the number of pixels on the detector, interpolation of between the simulated projections, symmetry and reduction of number of voxels in the patient. In addition, considering a correction of high quality is 2 % error and less per implemented strategy, a simulation time of less than 2 minutes is obtained. For a low quality simulation (5% error and less per parameter), a simulation time of less than 15 seconds per simulation was obtained. Those are clinically acceptable simulation times.

La tomodensitométrie avec faisceau conique (CBCT) est actuellement utilisée en radiothérapie externe pour visualiser le patient dans la salle de traitement. Le mouvement respiratoire des patients y est encore difficilement pris en compte et des avancées sur le sujet pourraient améliorer la précision des traitements. En ce sens, l’obtention d’une séquence imageant les mouvements dans la région d’intérêt serait souhaitable. Ce mémoire présente le développement d’un algorithme de reconstruction 4D pour CBCT qui tente de répondre à certains besoins cliniques, soit l’obtention d’une qualité d’image suffisante, une facilité de mise en place clinique et une rapidité de calcul. L’algorithme 4D développé se base sur l’algorithme itératif convexe avec sous-ensembles ordonnés et régularisation de variation totale. Cette méthode a été choisie pour sa rapidité d’exécution, procurée par l’utilisation de sous-ensembles et la parallélisation des calculs sur carte graphique, et pour sa capacité à diminuer les artéfacts de rayons, communs en imagerie 4D, procurée par la régularisation de variation totale. La méthode développée pour obtenir une image 4D à partir d’acquisitions CBCT standards a fait appel à l’algorithme Amsterdam Shroud pour déduire le mouvement respiratoire de l’ensemble de projections CBCT. Elle a été validée sur un fantôme numérique et sur des acquisitions cliniques. Les résultats obtenus démontrent le potentiel de l’algorithme, puisqu’une image de résolution spatiale et temporelle satisfaisante a été reconstruite en moins de 5 minutes. Un tel temps de calcul se compare avantageusement à d’autres méthodes disponibles et ouvre la porte à une visualisation rapide du mouvement respiratoire en salle de traitement. / Cone beam computed tomography (CBCT) is currently used to visualize patients directly in the treatment room. However, the respiratory movement is still hardly taken into account and new developments could improve the precision of treatment. To this end, obtaining a film imaging movements in the region of interest would be beneficial. This master’s thesis presents the development of a reconstruction algorithm for 4D CBCT which seeks to respond to particular clinical needs, namely sufficient image quality, clinical implementation simplicity and high computational speed. The developed 4D algorithm is based on the ordered subsets convex iterative algorithm combined with the total variation minimization regularization technique. This method was chosen for its fast execution time, enabled by the use of subsets and the parallelization on GPU, and for its capability to reduce streaking artifacts, common on 4D imaging, enabled by the total variation regularization. The method developed to reconstruct a 4D image from standard CBCT scans employed the Amsterdam Shroud algorithm to deduce respiratory movement of a CBCT projections’ set. Its validation was performed on a numerical phantom and on clinical datasets. Results demonstrate the potential of the algorithm, since an image with sufficient spatial and temporal resolution was reconstructed in less than 5 minutes. Such computational times can be compared favorably with other available methods and could allow for online applications.

La présente thèse s’inscrit dans le domaine de la physique médicale et, plus précisément, de l’imagerie médicale tridimensionnelle (3D) et de la dosimétrie 3D pour la radiothérapie. L’objectif global du travail était de concevoir et évaluer un nouvel algorithme de reconstruction itératif rapide pour la tomodensitométrie (TDM) à faisceau conique, une modalité consistant à créer des images 3D des densités du sujet imagé à partir de mesures d’atténuation partielle d’un faisceau de radiation incidente. Cet algorithme a été implanté sur matériel graphique (GPU), une plate-forme de calcul hautement parallèle, menant à la conception de stratégies d’optimisation originales. En premier lieu, un nouvel algorithme itératif statistique régularisé, dénommé OSC-TV, a été conçu et implanté sur GPU. Il a été évalué sur des ensembles de projections synthétiques et cliniques de TDM à rayons X à faisceau conique. L’algorithme proposé a démontré une qualité d’image supérieure à celle de méthodes semblables pour des acquisitions basse-dose, ainsi que des temps de reconstruction compatibles avec les activités cliniques. L’impact principal de ce travail est la capacité d’offrir au patient une réduction de dose de radiation ionisante de deux à quatre fois par rapport aux protocoles d’acquisition usuels. En second lieu, cet algorithme a été testé sur des données expérimentales en tomographie optique à faisceau conique, donnant lieu à l’une des premières études de ce genre. La résolution spatiale des images 3D résultantes a été améliorée et le bruit a été réduit. L’on a aussi démontré l’importance de considérer le spectre de la source lumineuse afin d’assurer la justesse de l’estimation des densités. Le principal impact de l’étude est la démonstration de la supériorité de la reconstruction itérative pour des données affectées par les aberrations propres à la tomographie optique à faisceau conique, résultant potentiellement en l’amélioration de la dosimétrie 3D par gel radiochromique en radiothérapie. En troisième lieu, différentes approches de gestion de la matrice-système de type exact à rayons fins ont été évaluées pour la TDM à faisceau conique. Le pré-calcul et le stockage complet de la matrice-système dans la mémoire vive du GPU s’est montré comme l’approche la plus rapide, mais la moins flexible en termes de géométries représentables, en raison de la taille limitée de la mémoire vive. Le traçage de rayons à la volée est apparu très flexible, offrant aussi des temps de reconstruction raisonnables. En somme, les trois études ont permis de mettre en place et d’évaluer la méthode de reconstruction proposée pour deux modalités de tomographie, ainsi que de comparer différentes façons de gérer la matrice-système. / This thesis relates to the field of medical physics, in particular, three-dimensional (3D) imaging and 3D dosimetry for radiotherapy. The global purpose of the work was to design and evaluate a new fast iterative reconstruction algorithm for cone beam computed tomography (CT), an imaging technique used to create 3D maps of subject densities based on measurements of partial attenuation of a radiation beam. This algorithm was implemented for graphics processing units (GPU), a highly parallel computing platform, resulting in original optimization strategies. First, a new iterative regularized statistical method, dubbed OSC-TV, was designed and implemented for the GPU. It was evaluated on synthetic and clinical X ray cone beam CT data. The proposed algorithm yielded improved image quality in comparison with similar methods for low-dose acquisitions, as well as reconstruction times compatible with the clinical workflow. The main impact of this work is the capacity to reduce ionizing radiation dose to the patient by a factor of two to four, when compared to standard imaging protocols. Second, this algorithm was evaluated on experimental data from a cone beam optical tomography device, yielding one of the first studies of this kind. The spatial resolution of the resulting 3D images was improved, while the noise was reduced. The spectral properties of the light source were shown to be a key factor to take into consideration to ensure accurate density quantification. The main impact of the study was the demonstration of the superiority of iterative reconstruction for data affected by aberrations proper to cone beam optical tomography, resulting in a potential to improve 3D radiochromic gel dosimetry in radiotherapy. Third, different methods to handle an exact thin-ray system matrix were evaluated for the cone beam CT geometry. Using a GPU implementation, a fully pre-computed and stored system matrix yielded the fastest reconstructions, while being less flexible in terms of possible CT geometries, due to limited GPU memory capacity. On-the-fly ray-tracing was shown to be most flexible, while still yielding reasonable reconstruction times. Overall, the three studies resulted in the design and evaluation of the proposed reconstruction method for two tomographic modalities, as well as a comparison of the system matrix handling methods.