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.

Objectifs : Rapporter le développement et les expérimentations d'un nouveau système robotisé destiné à la curiethérapie prostatique possédant un système de suivi de la prostate et une possibilité de fusion écho-IRM. Matériel et méthodes : Un robot d'implantation d'aiguilles transpérinéales guidé par échographie transrectale avec suivi per-opératoire des mouvements et de la déformation de la prostate a été créé. Les expériences ont été conduites sur 90 cibles réalisées dans 9 fantômes conçus pour être mobiles et déformables. Les expériences ont été ensuite conduites chez 2 cadavres. Le robot a cherché à déposer des billes de verre simulant des grains de curiethérapie aussi près que possible des cibles dans des fantômes évaluables par différentes modalités d'imagerie dont le scanner et dans des prostates de cadavre. Les résultats étaient mesurés en segmentant les cibles et les billes de verre sur des volumes tomodensitométriques des fantômes et des cadavres. Résultats : Le robot était capable d'atteindre les cibles choisies dans les fantômes avec une précision médiane de 2.73 mm, avec un déplacement médian de la prostate de 5.46 mm. La précision était meilleure à la base qu'à l'apex (2.28 mm vs 3.83 mm, p<0.01) et n'était pas significativement différente pour les implantations horizontales et obliques (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Les tests sur cadavre ont montré la faisabilité et l'ergonomie du robot en salle d'opération mais des expérimentations plus poussées sont nécessaires. Conclusion : Ce robot destiné à la curiethérapie prostatique est le premier système utilisant le suivi de la prostate per-opératoire pour guider des aiguilles dans la prostate. Les expériences préliminaires montrent sa capacité à atteindre des cibles malgré les mouvements de la prostate. Les applications pourraient être élargies à la thérapie focale et aux biopsies guidées compte-tenu de sa possibilité à fusionner l'imagerie IRM et l'échographie.

Introduction : Rapporter le développement et les expérimentations d'un nouveau système robotisé destiné à la curiethérapie prostatique possédant un système de suivi de la prostate et une possibilité de fusion écho-IRM. Matériel et méthodes : Un robot d'implantation d'aiguilles transpérinéales guidé par échographie transrectale avec suivi peropératoire des mouvements et de la déformation de la prostate a été crée. Les expériences ont été conduites sur 90 cibles réalisées dans 9 fantômes conçus pour être mobiles et déformables. Les expériences ont été ensuite conduites chez 2 cadavres. Le robot a cherché à déposer des billes de verre simulant des grains de curiethérapie aussi près que possible des cibles dans des fantômes évaluables par différentes modalités d'imagerie dont le scanner et dans des prostates de cadavre. Les résultats étaient mesurés en segmentant les cibles et les billes de verre sur des volumes tomodensitométriques des fantômes et des cadavres. Résultats : Le robot était capable d'atteindre les cibles choisies dans les fantômes avec une précision médiane de 2.73 mm, avec un déplacement médian de la prostate de 5.46 mm. La précision était meilleure à la base qu'à l'apex (2.28 mm vs 3.83 mm, p<0.01) et n'était pas significativement différente pour les implantations horizontales et obliques (2.7 vs 2.82 mm, p=0.18). Les tests sur cadavre ont montré la faisabilité et l'ergonomie du robot en salle d'opération mais des expérimentations plus poussées sont nécessaires. Conclusion : Ce robot destiné à la curiethérapie prostatique est le premier système utilisant le suivi de la prostate intra-opératoire pour guider des aiguilles dans la prostate. Les expériences préliminaires montrent sa capacité à atteindre des cibles malgré les mouvements de la prostate. Les applications pourraient être élargies à la thérapie focale et aux biopsies guidées compte-tenu de sa possibilité à fusionner l'imagerie IRM et l'échographie.

Dans le cadre de procédures médicales ou chirurgicales minimalement invasives, l'assistance aux cliniciens pour la planification et la réalisation de leurs gestes joue un rôle important dans la réussite des interventions. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte des gestes médico-chirurgicaux assistés par ordinateur et s'intéresse plus particulièrement à la modélisation et à la simulation de structures anatomiques de manière précise et réaliste. Une méthode de modélisation est proposée afin d'obtenir des simulations qui prennent en compte à la fois l'environnement naturel d'un organe donné et l'influence des instruments chirugicaux. Le travail de modélisation est appliqué à la simulation de procédures médicales pour le diagnostic et le traitement du cancer de la prostate (biopsies et curiethérapies).<br /><br />Le modèle développé est un modèle physique discret qui permet notamment de simuler le comportement de tissus mous en interaction avec d'autres structures anatomiques. Une formulation basée sur un principe de mémoire de forme locale est proposée et permet de modéliser l'élasticité d'un matériau grâce à une mesure géométrique de la déformation locale.<br />Une modélisation de l'insertion d'aiguilles dans des tissus mous complète le modèle de l'environnement anatomique.<br /><br />Afin de valider le comportement de la méthode de modélisation développée, une démarche expérimentale est proposée pour comparer les simulations obtenues avec d'une part différentes méthodes de modélisation des tissus mous telles que la méthode des éléments finis ou la méthode des masses-ressorts et d'autre part des données réelles provenant de fantômes et d'images médicales. La méthode a ensuite été appliquée à la simulation des deux procédures médicales étudiées afin de modéliser dynamiquement le comportement de la prostate dans son environnement anatomique et médical.

La curiethérapie est une méthode pour traiter les tumeurs cancéreuses qui consiste à placer à leur proximité des sources radioactives dont les rayonnements endommagent les cellules et mènent éventuellement à leur destruction. En curiethérapie conventionnelle, les sources utilisées sont scellées et seuls des rayonnements bêta et gamma s’en échappent. Dans une méthode de curiethérapie récemment commercialisée, la source n’est pas scellée et permet à des radionucléides, situés à quelques nanomètres sous sa surface, de s’échapper par mouvement de recul lors de leur désintégration. Ces radionucléides se diffusent par la suite dans la tumeur tout en poursuivant une chaîne de désintégration au cours de laquelle ils émettent principalement des particules alpha. L’énergie déposée par les particules alpha par unité de masse de tissu tumoral constitue la dose alpha. Les outils numériques de la curiethérapie conventionnelle ne tiennent pas compte de la diffusion des émetteurs et sont de ce fait inaptes à calculer correctement la distribution spatiale de la dose alpha. Le travail présenté ici avait pour but de développer des outils numériques incluant la modélisation de la diffusion, permettant ainsi un calcul adéquat de la distribution de dose. La méthode des volumes fnis a été utilisée pour développer des modèles en une, deux et trois dimensions, en coordonnées cylindriques et cartésiennes. Ces modèles déterminent où et quand se produisent les désintégrations, une information clé dans ce travail qui pourra aussi être utilisée dans des travaux futurs comme donnée d’entrée des outils numériques de la curiethérapie conventionnelle pour calculer les doses bêta et gamma. / Brachytherapy is a method for treating cancerous tumors which consists of placing near them radioactive sources whose radiation damages cells which eventually leads to their destruction. In conventional brachytherapy, the sources are sealed and only beta and gamma radiations escape. In a recently commercialized method of brachytherapy, the source is not sealed and allows radionuclides, located a few nanometers below its surface, to be released by recoil during their decay. These radionuclides then diffuse into the tumor while continuing to follow a decay chain during which they mainly emit alpha particles. The energy deposited by alpha particles per unit mass of tumor tissue constitutes the alpha dose. The numerical tools of conventional brachytherapy do not take into account the diffusion of emitters and are therefore unable to correctly calculate the spatial distribution of the alpha dose. The work presented here aimed at developing numerical tools including diffusion modeling, thus allowing an adequate calculation of the dose distribution. The finite volume method was used to develop models in one, two and three dimensions, in cylindrical and Cartesian coordinates. These models determine where and when radioactive decays occur, a key information in this work having also the potential of being used in future work as an input data for conventional brachytherapy numerical tools to calculate beta and gamma doses.

Le cancer du col de l’utérus, le quatrième cancer le plus répandu chez la femme, affecte principalement les régions à faible et moyen revenu. Alors que les taux d’incidence et de mortalité sont les plus élevés dans les pays en développement, l’accessibilité aux systèmes de dépistage et traitement y est limitée. La curiethérapie (BT) à haut débit de dose (HDR) fait partie du traitement standard recommandé pour les cancers du col de l’utérus en stade localement avancé IIIB-IVA. Les applicateurs commerciaux pour les traitements de BT combinés intracavitaire et interstitiel (IC/IS) sont très chers et n’offrent que des positions et orientations fixes pour les aiguilles IS. L’applicateur à demi anneaux Montréal (MSR) propose la modification d’un applicateur IC commercial par l’ajout de capuchons Adaptiiv, imprimés 3D à faible coût avec la technologie de photopolymérisation (SLA) en résine stérilisable et biocompatible, permettant l’intégration et l’optimisation d’un maximum de 10 trajectoires IS. Dans cette étude, une nouvelle génération de capuchons réduit le diamètre de l’applicateur MSR d’au plus 8.4 mm et introduit quatre positions d’aiguilles IS additionnelles à l’intérieur du demi anneau (SR), deux positions par SR. Ces capuchons sont imprimés avec la résine BioMed Clear sur l’imprimante SLA Form3B (Formlabs Inc., Massachusetts, États-Unis) et accommodent des angles d’aiguilles IS allant jusqu’à 45°. Les erreurs sur les trajectoires des aiguilles IS de l’applicateur MSR avec les nouveaux capuchons sont évaluées dans un fantôme gynécologique (GYN), développé dans le cadre de ce projet, et comparées dans une analyse statistique aux performances de l’applicateur Venezia (Elekta, Stockholm, Suède). Le fantôme GYN développé comprend une masse implantable en silicone, dont la texture est optimisée avec l’expérience clinique de deux radio-oncologistes spécialisées en BT GYN pour simuler l’insertion d’implants cliniques, pouvant supporter un grand nombre d’aiguilles IS. L’étude sur ce fantôme a démontré que la performance de l’un des capuchons de la nouvelle génération ne présente pas de différence statistiquement et cliniquement significative avec l’applicateur Venezia. Les performances de ce capuchon sont reproductibles dans les différents milieux en silicone et en utilisant différents types d’aiguilles IS. / Cervical cancer, the fourth most common cancer in women, mainly affects low- and middleincome regions. While incidence and mortality rates are highest in developing countries, the accessibility to screening and treatments is limited in those regions. High dose rate (HDR) brachytherapy (BT) is part of the standard of care recommended for locally advanced cervical cancer. Commercial applicators for combined intracavitary-interstitial (IC/IS) BT treatments are very expensive and only offer fixed IS needle positions and orientations. The Montreal split ring (MSR) applicator modifies the CT/MR split-ring IC applicator by the addition of Adaptiiv caps, 3D printed at low cost with stereolithography apparatus (SLA) technology in biocompatible and sterilizable resin in order to allow integration and optimization of up to 10 IS trajectories. In this study, a new generation of caps reduces the diameter of the MSR applicator by at most 8.4 mm and introduces four additional IS needle positions inside the split ring (SR), two positions per SR. These caps are 3D printed using BioMed Clear resin on the Form3B (Formlabs Inc., Massachusetts, USA) SLA printer and accommodate up to 45° IS needle angles. The errors on the IS needle trajectories of the MSR applicator with the new caps are evaluated in a gynecological (GYN) phantom, developed within the framework of this project, and compared in a statistical analysis to the performance of the Venezia applicator (Elekta, Stockholm, Sweden). The developed GYN phantom includes an implantable silicone structure, optimized according to the feedback of two radiation oncologists specialized in GYN BT to simulate clinical implants insertion, which can support a large number of IS needles. The study on this phantom showed that the performance of one of the caps from the new generation does not present a statistically and clinically significant difference with the Venezia applicator. The performance of this cap is reproducible in different silicone media and using different IS needle types.

Les images acquises avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT) fournissent la détermination du numéro atomique effectif et de la densité électronique. L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle d'identifiation de tissu applicable en curiethérapie, le modèle de tissu réduit à trois éléments, basé sur ces quantités et de le comparer avec une méthode existante dans la littérature, le calcul de la distance de Mahalanobis. Les deux modèles sont appliqués à des images DECT du fantôme de calibration Gammex RMI 467 et pour un sous-ensemble de tissus. Les distributions de dose sont calculées avec des simulations numériques Monte Carlo avec une source point ayant le spectre d'énergie de l'iode 125. Le modèle de tissu réduit à trois éléments reproduit les distributions de dose de référence et peut être utilisé comme étant une méthode d'identifiation de tissu valide pour effectuer un calcul de dose à partir d'images DECT. / Clinical Dual-Energy Computed Tomography (DECT) images provide the determination of the effective atomic number and the electronic density. The purpose of this study is to develop a new assessment model of tissues, named the reduced three elements tissue model, for dose calculations from DECT images in brachytherapy and compare it to a known identification method, assignment through the Mahalanobis distance. Both models are applied to DECT scans of the Gammex RMI 467 phantom and for a subset of 10 human tissues. Dose distributions are calculated from Monte Carlo simulations with a point source having the energy spectrum of 125I. The reduced three elements tissue model provides dose equivalence to reference tissues and is equivalent to the calculation of the Mahalanobis distance. The model constructed can be used as a scheme to assess tissues from DECT images for dose calculation.

Ce mémoire porte sur l’étude d’un algorithme Monte Carlo en curiethérapie à bas débit de dose sur processeur graphique. Avec le développement de cette plate-forme de calcul, l’application de la méthode Monte Carlo fait un pas en avant quant à son utilisation clinique dans un département de radio-oncologie. Le travail se déroule en deux parties. Premièrement, le développement d’un algorithme Monte Carlo sur processeur graphique, bGPUMCD, est poursuivi dans le but d’en améliorer les performances. Deuxièmement, une source de curiethérapie à bas débit de dose, la SelectSeed de Nucletron, est simulée et étalonnée pour être en accord avec les données du rapport du Task Group 43 de l’American Association of Physicists in Medicine. Avec cette source, quatre cas cliniques sont ensuite simulés pour montrer la concordance des résultats avec un autre algorithme Monte Carlo bien établi et évaluer les temps de calcul pour une éventuelle utilisation clinique de l’algorithme.

Jusqu'à ce jour, très peu de travaux empiriques ont évalué les aspects psychologiques associés au cancer de la prostate. Cette étude transversale vise donc à comparer la prévalence des difficultés psychologiques (i.e., anxiété et dépression), psychophysiologiques (i.e., insomnie, fatigue) et des difficultés sexuelles en fonction de trois modalités de traitement pour le cancer de la prostate (radiothérapie, curiethérapie et prostatectomie radicale) et du temps écoulé depuis le diagnostic. L'échantillon est composé de 861 hommes ayant complété une batterie de questionnaires. Les résultats démontrent que les difficultés sexuelles constituent le problème le plus fréquent suivies de l'insomnie et de l'anxiété. De plus, les symptômes psychologiques et psychophysiologiques restent relativement stables dans le temps alors que les symptômes physiques tendent à se résorber. Enfin, les patients ayant reçu de la radiothérapie ont un risque plus élevé de souffrir d'humeur dépressive, de détresse psychologique globale et de fatigue comparativement aux patients n'ayant pas reçu ce traitement.

La curiethérapie à haut débit de dose utilisant un projecteur de source d’Ir-192 peut être utilisée efficacement dans le traitement d’une tumeur gynécologique maligne. Le traitement peut être interstitiel ou endocavitaire, dépendamment des caractéristiques de la tumeur et de l’anatomie de la patiente. En clinique, la dosimétrie est faite par l’application du formalisme TG-43. Le but de cette étude est d’évaluer à l’aide de simulations Monte Carlo (MC) l’impact dosimétrique lors d’un traitement interstitiel de la présence d’un applicateur et de poches d’air dans le volume cible en plus des hétérogénéités tissulaires. Les effets du blindage et du diamètre de l’applicateur dans un traitement endocavitaire ainsi que l’effet de la voxelisation ont aussi été évalués. Dans tous les cas, la dosimétrie a été réalisée à l’aide de la suite logicielle MC Geant4. Les résultats ont démontré que, dans certaines situations, les simulations MC mènent à des corrections significatives de la dose. / High dose rate brachytherapy using an Ir-192 remote afterloader can be successfully used in the management of gynecologic malignancies. Treatment can be either interstitial or endocavitary depending of the tumor caracteritics and patient’s anatomy. Clinically, the dosimetry is made through the application of the TG-43 formalism. The purpose of this study is to assess with Monte Carlo (MC) method and for an interstitial treatment dosimetric effects of the presence of the applicator and air pockets in clinical target volume and organs at risk along with tissue heterogeneities. As a related work, assessment of the effects of shielding and applicator diameters on the dose distribution of intracavitary treatment and voxelisation effects of the applicator in an interstitial treatment has been performed. In all cases, dosimetry has been achieved with the Geant4 MC toolkit. Results have shown that, in some situations, MC simulations lead to significant dose corrections.