La radiothérapie est utilisée pour traiter plus de la moitié des cas de cancer, et les appareils de traitement évoluent beaucoup depuis les dernières années, permettant ainsi d'améliorer les traitements. Cependant, il importe que la mesure de la dose de radiation délivrée par les appareils de traitement soit la plus précise possible afin d'éviter les erreurs lors d'un traitement. Les dosimètres à scintillation possèdent des avantages les mettant au premier plan pour la dosimétrie de faisceaux d'irradiation plus complexes, tel que la dosimétrie de petits champs. À ce jour, le seul dosimètre à scintillation commercial faisant appel à la technologie hyperspectrale permet d'excellentes performances dosimétriques dans plusieurs situations, au dépens d'un processus d'étalonnage long et complexe à réaliser, alors que le temps est un enjeu important à considérer en clinique. De plus, ce type de détecteur ne permet de mesurer la dose qu'en un point précis dans l'espace. Le but du présent projet de recherche est d'améliorer l'utilisation des dosimètres à scintillation, et se divise en deux volets principaux. Premièrement, un algorithme d'étalonnage simplifié a été développé, permettant ainsi un étalonnage beaucoup plus simple et rapide des dosimètres à scintillation nécessitant un étalonnage hyperspectrale. Cet algorithme, appelé NMF-PEAK, est basé sur un algorithme de factorisation non-négative de matrice (*Non-negative Matrix Factorization*, où NMF en anglais) acceptant en entrée une connaissance *a priori* sur les spectres à déterminer lors de l'étalonnage, en plus d'une connaissance a priori sur la quantité de lumière produite par chaque émetteur de lumière pour une séquence d'irradiations bien précise. Deuxièmement, un dosimètre à scintillation multi-tête, appelé l'*Hydra*, a été conçu puis testé expérimentalement. Il permet de mesurer la dose de radiation, en temps réel, à 3 positions simultanément. Les 3 têtes du détecteur se combinent dans une seule fibre optique, et le signal mesuré est donc une superposition du signal provenant des 3 têtes, obligeant ainsi l'utilisation de la méthode hyperspectrale pour étalonner ce type de détecteur. Finalement, l'algorithme d'étalonnage simplifié développé lors du présent projet de recherche a été appliqué afin d'étalonner ce nouveau détecteur multi-têtes, et les performances dosimétriques de ce détecteur sont évaluées pour l'étalonnage simplifié et l'étalonnage standard, en plus d'être comparées aux performances dosimétriques qui auraient été obtenues par le dosimètre à scintillation multi-points en cascade déjà développé dans le passé. / Radiation therapy is used to treat more than half of cancer cases, and the treatment devices have evolved a lot in the last few years, allowing to improve cancer treatments. However, the radiation dose delivered by these devices has to be measured with high accuracy in order to avoid treatment errors. Scintillation dosimeters possess advantages that put them at the forefront for the dosimetry of complex irradiation beams, such as small fields. Up to now, the only commercial dosimeter using a technology based on a hyperspectral approach is capable of high performances in many cases, however its calibration process is long and tedious and time is an important aspect to consider in the clinic. Moreover, this type of detector allows to measure the dose at only one location in space. The goal of the present research project aims at enhancing the use of scintillation dosimeters, and it divides in two principal aspects. First, a simplified calibration algorithm was developed, allowing a calibration that is a lot simpler and faster for dosimeters requiring a hyperspectral calibration. This algorithm, the NMF-PEAK, is based on a Non-negative Matrix Factorization (NMF) algorithm, and takes as an input prior knowledge on the calibration spectra to be determined, as well as a prior knowledge on the amount of light produced by each light-emitting components for a given irradiation sequence. Secondly, a multi-headed scintillation detector, called Hydra, was made and tested experimentally. It allows to measure the radiation dose in real-time at 3 different locations simultaneously. The 3 heads converge to a single optical fiber, and the measured signal is therefore a combination of the signals coming from each of the 3 heads. The hyperspectral approach has to be used in that case. Finally, the simplified calibration algorithm developed during this project was used to calibrate this novel multi-headed detector, and the dosimetric performances were evaluated when using the simplified and the standard calibration processes. They were also compared to the dosimetric performances of the waterfall multi-points scintillation dosimeter previously developed.

Les traitements modernes de radiothérapie administrent la dose nécessaire à l'éradication de la région tumorale par un enchaînement complexe de faisceaux personnalisés selon l'anatomie de chaque patient. La distribution de dose résultante présente donc de forts gradients qui visent à maximiser l'irradiation de la maladie tout en limitant l'exposition des tissus sains. Or, les déformations et mouvements anatomiques que présentent certains patients viennent modifier la géométrie attendue et peuvent réduire la qualité escomptée du traitement. Dans ce contexte, le besoin d'outils permettant la quantification de la dose en présence de déformations est grandissant. Utilisant à profit les qualités uniques démontrées des dosimètres optiques, la thèse présentée vise le développement d'une nouvelle génération de dosimètres pensée pour la dosimétrie déformable. Entre autres, il sera montré que le dosimètre développé permet une mesure simultanée de la dose et de la déformation, ce qui ouvre la voie à la validation expérimentale d'algorithmes de recalage d'images déformables. Les contributions de la thèse se déploient principalement selon trois volets : la caractérisation des défis liés à l'utilisation de différentes sources de signaux radioluminescents, en particulier la radiation Cherenkov et la scintillation ; le développement de techniques de détection adaptées, telles que l'imagerie polarisée, l'imagerie spectrale et la triangulation stéréoscopique ; puis le développement d'un dosimètre déformable utilisant ces signaux pour la mesure simultanée de la dose et de la déformation. D'abord, la directionalité de l'émission Cherenkov a été caractérisée de pair avec l'imagerie polarisée. Le rayonnement Cherenkov est une émission lumineuse directement produite dans l'eau, le milieu de référence, suite à son irradiation. Or, les photons optiques sont émis selon un cône dont l'angle et l'orientation sont déterminés par l'énergie du faisceau et sa direction, lesquels varient grandement dans un fantôme. Ainsi, l'imagerie polarisée a été étudiée comme solution à l'utilisation du signal Cherenkov pour des mesures précises de la dose. En utilisant l'imagerie polarisée, la contribution polarisée du signal a été associée à la directionnalité du rayonnement qui a alors pu être corrigée. Ainsi, des écarts lors de mesures de dose atteignant jusqu'à 60% avec les valeurs attendues ont été réduits à moins de 3% en moyenne. Il a d'ailleurs été montré que l'état de polarisation du signal Cherenkov peut être utilisé pour le discriminer d'un signal de scintillation. Ainsi, les deux premières études présentées au sein de cette thèse montrent que des mesures précises (< 3%) de la dose, directement dans l'eau (le milieu de référence), peuvent être réalisées en utilisant le signal Cherenkov combiné à l'imagerie polarisée. Concernant l'utilisation de caméras pour la mesure de signaux radioluminescents, il a été montré qu'il est possible d'allier la grande résolution spatiale de ces photodétecteurs à une résolution spectrale. Les caméras polychromatiques utilisant un patron de Bayer, par exemple, collectent la lumière avec plusieurs milliers de pixels sur lesquels des filtres colorés sont apposés de sorte à former une mosaïque. Ainsi, ces caméras mesurent la lumière selon un canal rouge, vert et bleu. En utilisant les techniques de dématriçage appropriées, il est possible d'interpoler l'information spectrale manquante à chaque pixel. Ainsi, le formalisme hyperspectral, initialement développé pour des mesures en un point, peut être appliqué à des mesures de plus grande résolution spatiale. Ainsi, il a été montré que l'utilisation d'un kernel bilinéaire pour le dématriçage d'une caméra polychromatique utilisant un filtre de Bayer permet d'isoler les signaux Cherenkov et de scintillation avec une précision de 1%. Enfin, un dosimètre déformable permettant la mesure simultanée de la dose et de la déformation a été développé. Le système comprend un fantôme cylindrique transparent au sein duquel un réseau de 19 scintillateurs a été intégré. Le système comprend également un ensemble de 2 paires de caméras stéréoscopiques qui permet le suivi en 3D de la position des extrémités de chacun des scintillateurs. En conséquence, le système permet le suivi de la déformation avec une exactitude et une précision de respectivement 0.08 mm et 0.3 mm. Le suivi 3D de la position permet aussi la correction des variations de signal qui ne sont pas proportionnelles à la dose, mais plutôt au couplage des fibres avec la caméra. Le dosimètre a également permis la mesure de la dose en accord à 1% près avec celle prédite par un logiciel de planification de traitement et un système dosimétrique complémentaire. Ainsi, la thèse a permis le développement d'un premier dosimètre mesurant simultanément la dose et la déformation, permettant une comparaison avec un algorithme de recalage d'image déformable. Ce faisant, l'exploration d'une nouvelle voie d'application de la scintillation a, de plus, mené à l'avancement des connaissances en dosimétrie optique. / Modern radiotherapy treatments deliver the dose to the target through a complex sequence of beams customized to the anatomy of each patient. The resulting dose distribution therefore has strong gradients that aim to maximize disease irradiation while limiting exposure of healthy tissue. However, the anatomical deformations and movements that some patients present modify the expected geometry and may potentially reduce the quality of the treatment. In this context, there is a growing need for tools able of measuring dose in the presence of deformations. Taking advantage of the unique qualities of optical dosimeters, the presented thesis aims at developing a new generation of dosimeters designed for deformable dosimetry. Enabling simultaneous measurements of dose and deformation, this dosimeter could also be used for the validation of deformable image registration algorithms. The contributions of the thesis are threefold: the characterization of the challenges related to the use of different sources of radioluminescent signals, in particular Cherenkov radiation and scintillation; the development of appropriate detection techniques, such as polarized imaging, spectral imaging and stereo triangulation; and then the development of a deformable dosimeter using these signals for the simultaneous measurement of dose and deformation. First, the directionality of Cherenkov emission was characterized using polarized imaging. Cherenkov radiation is a light emission directly produced in water, the reference medium for beam monitoring. Cherenkov photons are emitted in a cone whose angle and orientation are determined by the beam energy and direction, which vary greatly in a phantom. Thus, polarized imaging has been investigated as a solution enabling the use of Cherenkov emission for accurate dose measurements. By using polarization imaging, the polarized contribution of the signal was associated with the directionality of the radiation, which could then be corrected. Thus, deviations in dose measurements previously up to 60% from the expected values were reduced under 3% on average. It has also been shown that the polarization state of the Cherenkov signal can be used to discriminate it from a scintillation signal. Thus, the first two studies presented in this thesis show that accurate measurements, without disturbing the reference medium, can be made using the Cherenkov signal combined with polarization imaging. Concerning the use of cameras for the measurement of radioluminescent signals, it has been shown that it is possible to combine the high spatial resolution of these photodetectors with a spectral resolution. Polychromatic cameras using a Bayer pattern, for example, collect light with several thousand pixels on which colored filters are affixed to form a mosaic. Thus, these cameras measure the light according to a red, green and blue channel. By using appropriate demosaicing techniques, it is possible to interpolate the missing spectral information at each pixel. Thus, the hyperspectral formalism, initially developed for single point measurements, can be applied to higher spatial resolution measurements. Among others, the use of a bilinear kernel for dematrixing a polychromatic camera using a Bayer filter allows to isolate Cherenkov and scintillation signals with an accuracy of 1%. Finally, a deformable dosimeter allowing the simultaneous measurement of dose and deformation has been developed. The system includes a transparent cylindrical phantom in which an array of 19 scintillators has been integrated. The system also includes a set of 2 pairs of stereo cameras that allows the 3D tracking of the position of each scintillator ends. As a result, the system allows the 3D tracking of the deformation with an accuracy and accuracy of 0.08 mm and 0.3 mm respectively. This 3D position tracking also allows the correction of signal variations that are not proportional to the dose, but rather to the coupling of the fibers with the camera. The dosimeter also allowed measurement of the dose in agreement within 1% of the dose predicted by a treatment planning software and a complementary dosimetric system. Thus, the thesis allowed the development of a first dosimeter measuring simultaneously the dose and the deformation, allowing a comparison with a deformable image registration algorithm. In doing so, the exploration of a new application of scintillation has also led to the advancement of knowledge in optical dosimetry

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

Titre de l'écran-titre (visionné le 3 octobre 2023) / Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / La radiothérapie externe est une modalité de traitement utilisée contre le cancer qui vise à distribuer de la dose de radiation à une région atteinte par la maladie. Les dosimètres sont les instruments utilisés pour mesurer de la dose livrée par l'appareil de traitement. Le besoin de valider des distributions de dose en trois dimensions pour des traitements de radiothérapie de haute précision a récemment généré de l'intérêt face aux dosimètres en gel. Le gel polymère est un type de gel permettant une mesure de la dose en 3D. Le principe de ces instruments repose sur les réactions de polymérisations croisées qui sont déclenchées dans la zone irradiée entraînant une diminution, proportionnelle à la dose, du temps de relaxation transversale T₂, obtenu en imagerie par résonance magnétique. Ce projet de maîtrise a pour but de faire la caractérisation et la comparaison de gels dosimétriques fabriqués à base du monomère N-Isopropylacrylamide 97 % (NIPAM). Plusieurs recettes ont été développées dans les précédentes études, mais aucune ne s'entend sur la composition du gel qui optimise ses performances dosimétriques. Dans le but de déterminer une recette optimisée de gel NIPAM, quatre recettes tirées de la littérature ont été comparées. L'analyse repose sur la réponse à la dose, la qualité des images produites, la sensibilité ainsi que le coût de chacun des dosimètres produits. Les résultats ont démontré qu'une plus grande concentration de NIPAM augmente la sensibilité du gel et permet d'obtenir une meilleure qualité d'image. La recette composée de 5% de NIPAM est celle qui offre le meilleur compromis entre la qualité d'image et le coût d'un dosimètre. Ces résultats ont permis l'élaboration d'une recette optimisée dont les performances ont été évaluées. Enfin, un dosimètre fabriqué à partir de cette recette optimisée a été utilisé pour valider un plan de traitement clinique. La carte de dose mesurée avec ce dosimètre est comparée à celle du logiciel de planification de traitement à l'aide d'une analyse Gamma 3 mm/3 % avec un seuil d'analyse de 10 % et 75 % des pixels analysés ont présenté un indice γ inférieur ou égal à 1. / External beam radiation therapy is a treatment modality used against cancer that aims to deliver a dose of radiation to a region of the body. Dosimeters are instruments used to measure the dose delivered by the treatment machines. The need to validate three-dimensional dose distributions for high-precision radiotherapy treatments has recently generated interest in gel dosimeters. Polymer gel is a type of gel that enables measurement of both absolute and spatial dose. Irradiation induces cross-linking polymerization reactions resulting in a decrease, proportionaly to delivered dose, in the transverse relaxation time T₂. The purpose of this master's project is to characterize and compare dosimetric gels made from N-isopropylacrylamide 97% monomer (NIPAM). Several recipes have been developed in previous studies, but none agrees on the composition of the gel that optimizes its dosimetric performance. In order to determine an optimized recipe for NIPAM gel, four recipes taken from the literature were compared. The analysis is based on dose response, image quality, sensitivity, and the cost of a phantom from each recipe. The results showed that a higher concentration of NIPAM increases the sensitivity of the gel and allows a better image quality. The recipe composed of 5% NIPAM is the one that offers the best compromise between image quality and the cost of a dosimeter. These results allowed the development of a optimized recipe whose performance was evaluated. Finally, a dosimeter made from this optimized recipe was used to validate a clinical treatment plan. The dose map measured with this dosimeter is compared to that of the treatment planning software using a 3mm/3% with threashold of 10% Gamma analysis, and 75% of the analyzed pixels showed a gamma index equal to or less than 1.

Cette thèse porte sur le développement d'un détecteur hybride alliant la scintillation à la radiation Čerenkov pour une utilisation en radiothérapie. Bien que les dosimètres à scintillation aient déjà fait leurs preuves pour une mesure de dose précise dans des conditions d'irradiation complexes et variées, la radiation Čerenkov a pour l'instant peu d'applications en raison de ses multiples dépendances. Cette émission lumineuse résulte du passage de particules chargées ayant une vitesse supérieure à la lumière dans un milieu diélectrique et peut être observée lors de l'irradiation des dosimètres à scintillation plastiques. Alors que l'approche conventionnelle en dosimétrie à scintillation consiste à traiter ce signal comme un bruit en raison de sa dépendance angulaire, plusieurs recherches visaient à utiliser sa dépendance à l'énergie des électrons pour effectuer une mesure de dose. L'approche préconisée dans cette thèse est différente puisque le but est de mettre à profit cette émission intrinsèque en utilisant sa dépendance angulaire pour effectuer une mesure de l'angle incident des particules ionisantes utilisées en radiothérapie. Le projet couvre donc l'ensemble des théories nécessaires à la compréhension des multiples phénomènes physiques en jeu ainsi que les étapes de la conception, la caractérisation, la mise en application et la validation du détecteur. En ce qui concerne la conception, les hypothèses de départ se basent sur l'analyse des mécanismes derrière la production et la transmission des photons optiques Čerenkov dans une fibre optique. Par la suite, une étude des différents composants disponibles et configurations possibles afin de produire un premier prototype fonctionnel est présentée. Le choix du photodétecteur nécessaire à la mesure de l'intensité des différents signaux lumineux est également accompagné d'une étude comparative afin de sélectionner celui dont les caractéristiques sont optimales pour la réalisation du projet. Ensuite, les différents travaux expérimentaux démontrent la mise en application du prototype composé d'un dosimètre à scintillation et d'un détecteur Čerenkov. Ils valident ainsi le principe de fonctionnement du détecteur hybride par la réalisation de mesures simultanées de la dose et de l'angle d'irradiation, mais couvrent également la caractérisation angulaire et dosimétrique du prototype. Enfin, des travaux de simulations Monte Carlo valident les différentes observations faites en plus d'aider à la compréhension des liens existants entre les multiples dépendances de la radiation Čerenkov et la précision du détecteur. Une dernière section est finalement consacrée à l'optimisation du détecteur en vue d'améliorer sa conception. Celle-ci présente des pistes de solutions aux diverses limitations du prototype développé. La thèse fournit ainsi les bases nécessaires afin de guider le détecteur vers une application clinique. / This thesis focuses on the development of a hybrid detector combining scintillation with Čerenkov radiation for radiotherapy applications. Although scintillation dosimeters have already proven themselves for accurate dose measurements under complex irradiation conditions, Čerenkov radiation has, to this day, few applications due to its multiple dependencies. This light emission results from charged particles travelling through a dielectric medium with a speed greater than the velocity of light in that medium. Therefore, Čerenkov light can be observed during the irradiation of plastic scintillation dosimeters. While the conventional approach in scintillation dosimetry is to treat this signal as noise or stem effect due to its angular and field size dependencies, some researches have focussed on its electron energy spectrum dependency to achieve dose measurements. The general direction of this thesis is different since the goal is to take advantage of this intrinsic light emission by using its angular dependency to measure the incident angle of ionizing particles used in radiotherapy. The project therefore covers the theories necessary to understand the multiple physical phenomena involved as well as the stages of design, characterization, implementation and validation of the detector. Regarding the design, the initial assumptions are based on the analysis of the mechanisms behind the production, capture and transmission of Čerenkov photons in an optical fiber. Thereafter, a study of the various components available and possible configurations in order to produce a fully functional prototype is presented. The choice of the photodetector required for measuring the intensity of the various light signals is also accompanied by a comparative study in order to select the one whose characteristics are optimal for the realization of the project. Then, various experimental measurements demonstrate the implementation of the prototype composed of a scintillation dosimeter and a Čerenkov detector. This work thus validate the operating principle of the hybrid detector by carrying out simultaneous measurements of the dose and the angle of irradiation, but also cover the angular and dosimetric characterization of the prototype. Finally, Monte Carlo simulations validate various observations made. In addition, they ease the understanding of the links between the multiple Čerenkov radiation dependencies and the precision of the detector. A last section is dedicated to the optimization of the detector in order to improve its design. This section presents possible solutions to various limitations of the prototype developed. The thesis thus provides the necessary bases to guide the detector towards clinical applications.

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.

Mon projet de maîtrise visait le développement d'un dosimètre à fibre scintillante pour la curiethérapie. Ce dosimètre permettrait de faire face plus aisément aux cas complexes d'irradiation, de plus en plus fréquents en raison de l'arrivée de nouvelles modalités de traitement. Le dosimètre à fibre scintillante al' avantage de posséder un petit volume sensible, d'être équivalent à l'eau et d'être peu coûteùx. Ce mémoire présente donc le processus de conception d'un nouveau type de dosimètre. Des mesures effectuées à l'aide de l'équipement de traitement du centre de radio-oncologie de l'Hôtel-Dieu de Québec montrent en effet la capacité d'effectuer des mesures de profil et de rendement en profondeur pour un faisceau de photons. Des mesures de dose in vivo pour un traitement de curiethérapie sont aussi présentées.

Un détecteur optique à fibre scintillante pour la curiethérapie fut développé au cours de ce projet afin de simplifier les problèmes rencontrés par un physicien faisant face à des cas complexes d'irradiation. Les caractéristiques recherchées sont une grande résolution spatiale et un bon volume sensible possédant des propriétés radiologiques comparables à celles de l'eau. Le détecteur optique à fibre scintillante permet d'effectuer la mesure de profils de dose de faisceaux de photons avec une précision supérieure à 1 %. Le détecteur optique a permis d'obtenir des mesures de rendement en profondeur comparables à celles d'une chambre à ionisation. Ceux-ci représentent une différence de dose maximale de 0,5 % ou de 0,5 cGy entre la chambre à ionisation et le détecteur optique. La reproductibilité de mesure de l'appareil permet en plus de l'utiliser en dosimétrie absolue pour réaliser la mesure de débits de dose de faisceaux de radiation.

La curiethérapie à haut débit de dose est un traitement anti-cancer utilisé pour différents sites tels les cancers gynécologiques, la prostate, le sein, la tête et le cou. La technique consiste à déposer de la dose de radiation près ou à l'intérieur de la tumeur. Différentes étapes composent ce traitement et des erreurs peuvent s'introduire dans chacune d'entres elles. Par le passé, plusieurs études ont utilisé la dosimétrie in vivo pour détecter et éliminer certaines erreurs de la chaîne. Cette pratique n'est pas uniformisée, puisqu'aucune solution commerciale n'existe sur le marché actuellement. En plus de la dosimétrie, des systèmes de suivi élecromagnétique ont aussi prouvé qu'ils pouvaient être utilisés pour la détection d'erreurs avant le traitement. Ce projet de doctorat explore des erreurs possibles dans la chaîne de traitement et propose le suivi électromagnétique comme étant une solution pour éviter celles-ci. Dans cette thèse, la fabrication d'un dosimètre et l'utilisation du suivi électromagnétique dans le cadre de la curiethérapie à haut débit de dose y sont traitées. Tout d'abord, une étude rétrospective a été complétée pour faire ressortir les performances requises d'un dosimètre in vivo utilisé pendant des traitements du cancer de la prostate. Les positions d'arrêts et les temps d'arrêts de tous les patients ont été extraits des fichiers de chaque traitement. Un dosimètre virtuel a été positionné dans un des cathéters de traitement pour chacun des patients. Une comparaison des temps d'arrêts et des positions d'arrêt sa été complétée pour l'identification des cathéters. Il a été démontré qu'une précision de 1 mm sur la distance source-dosimètre serait idéale. Pour la cohorte de patient utilisée, les temps d'arrêts sont de meilleurs discriminants que les positions d'arrêts. Une précision temporelle de 0,1 s serait idéale. Par la suite, une sélection du capteur électromagnétique pour la construction d'un dosimètre intégrant le suivi électromagnétique de sa position a été réalisée. La dépendance angulaire et la distance capteur-scintillateur ont aussi été étudiées. Parmi les capteurs disponibles, celui possédant le plus petit effet sur la réponse du scintillateur a été utilisé. La reconstruction d'un prototype d'un applicateur blindé pour les cancers gynécologiques a été faite à l'aide du suivi électromagnétique (EM). L'erreur moyenne du capteur sélectionné pour cette étude était de 0,17 mm lorsqu'il se trouvait à 250 mm du générateur de champ. Aucune différence significative sur la mesure n'a été observée à proximité du blindage de cet applicateur. Le suivi EM a aussi été testé lorsqu'il était intégré dans un câble de vérification d'un projecteur de source (Flexitron, Elekta Brachytherapy, Veenendaal, Pays-Bas). Les coordonnées de reconstructions ont été prises lors de la rétraction du câble de vérification. Une comparaison des reconstructions avec différentes vitesses de rétraction du câble a été faite. Les décalages de 5 mm ont tous été identifiés avec une vitesse de reconstruction de 10 cm/s. Néanmoins, il faut une vitesse maximale de 2,5 cm/s pour détecter les décalages de 1 mm. Deux dosimètres avec suivi EM ont été construits, soit un avec une fibre scintillante de plastique(BCF-60) et l'autre avec un scintillateur inorganique (ZnSe:O). Les dosimètres construits ont été calibrés. Les mesures de dose ont été faites en respectant les conditions de diffusion complète et ont été comparées avec le formalisme du TG-43. Par rapport à ce dernier, le dosimètre organique avait une différence de 1,7± 0,2 % alors que l'inorganique possédait une différence de 1,5± 0,7 %pour des distances source-dosimètre allant de 8 mm à 60 mm. Une étude de détection d'erreur a été accomplie. Un gain maximal de 24,0 % est observé pour les déplacements latéraux de 0,5 mm pour le dosimètre inorganique lorsque le suivi EM est utilisé, tandis qu'un gain maximal pour les déplacements longitudinaux (0,5 mm) de 17,4 % a été montré pour ce même scintillateur. Les différents résultats de ce projet quantifient les gains ainsi que les perpectives que l'ajout du suivi EM apportent à la curiethérapie HDR et justifient son introduction dans ce domaine. / High-dose-rate (HDR) brachytherapy is a cancer treatment used for various sites such as gynecological, prostate, breast, head and neck cancers. The technique consists in delivering a dose of radiation by having one or multiple sources in close proximity or with in a tumor. This is a multi-step process and errors can happen at any step during its execution. Several studies have used in vivo dosimetry to detect and avoid possible errors. This practice is not standardized, as no commercial solution currently exists on the market. In addition to dosimetry, electromagnetic (EM) tracking systems have also proven to be useful for the detection of some pre-treatment errors. This thesis explores errors that can occur during the treatment process and suggests a solution based on electromagnetic tracking. The construction of a dosimeter and the use of an EM tracking will be studied in the context of high-dose-rate (HDR) brachytherapy. First, a retrospective study was completed to highlight the required performance of an in vivo dosimeter during prostate cancer treatments. Dwell positions and dwell times for all patients were extracted from each treatment file. A virtual dosimeter was positioned in one of the treatment catheters for each patient. A comparison of each dwell times and dwell positions was completed for the identification of catheters. It has been shown that an accuracy of 1 mm would be ideal on the source-dosimeter distance. For the studied patient cohort, dwell times are better discriminators than dwell positions. This study showed that it is important to avoid placing the dosimeter near the center of the implant. Then, a selection of components for the construction of the dosimeter was performed. Among the available sensors, the one with the smallest impact on the scintillator response was chosen for the work quantifying the gain of EM tracking. The angular dependence and the sensor-scintillator distance were also studied. The reconstruction of a shielded applicator prototype for gynecological cancer was made using EM tracking. An average error of the selected sensor for this study was 0.17 mm when it was 250 mm from the field generator. EM tracking was also tested when integrated into the check cable of an after loader (Flexitron, Elekta Brachytherapy, Veenendaal, Netherlands). The reconstruction coordinates were taken during retraction of the check cable. A comparison of the reconstructions for different cable speeds was made. From this study, the speed for a linear path reconstruction is recommended at 5 cm/s. The 5-mm shifts were all identified with a reconstruction speed of 10 cm/s. Nevertheless, a maximum speed of 2.5 cm/s was needed to detect 1-mm shifts. Two dosimeters were constructed, one with a plastic scintillating fiber (BCF-60) and one with an inorganic scintillator(ZnSe:O). All dose measurements were made in full scatter conditions and were compared with the TG-43 formalism. Compared to the latter, the organic dosimeter had a difference of 1.7± 0.2 % while the inorganic had a difference of 1.5± 0.7 % over an interval of 8 mm to 60 mm from the source. An error detection study was performed and a comparison was made to determine the gain provided by the EM tracking. A maximum gain of 24.0 % was observed with a lateral displacement of 0.5 mm for the inorganic dosimeter. For longitudinal displacements (0.5 mm), a maximum gain of 17.4 % was shown for this same scintillator. The different results obtained in this project will quantify the performance for the construction of an in vivo dosimeter for HDR brachytherapy. The gains from the addition of EM monitoring to HDR brachytherapy will justify its use in this field.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / La radiochirurgie stéréotaxique est un mode de traitement délivrant la dose de prescription en une seule fraction. Pour ce faire des petits champs et des arcs non coplanaires sont utilisés de manière à diminuer la dose aux tissus sains. Afin de s'assurer que la dose planifiée est bien conforme à celle donnée lors du traitement, des mesures de contrôles de qualité s'imposent. Or, il n'existe pas encore de détecteur idéal permettant de connaître précisément la dose dans ces conditions de traitement. Afin de palier à cette lacune, nous avons développé un détecteur à fibre scintillante possédant des caractéristiques favorables pour la radiochirurgie stéréotaxique telle qu'une grande résolution spatiale, l'équivalence à l'eau et l'indépendance angulaire et énergétique. Pour ce faire, des mesures de facteurs de sortie brute (soit, plus rigoureusement, la multiplication du facteur collimateur avec le facteur fantôme) et de profils furent effectuées avec les collimateurs coniques utilisés en radiochirurgie stéréotaxique. Les films Gafchromic EBT2, la diode de radiochirurgie non blindée SFD, la diode blindée 60008, la micro-chambre à ionisation A16 (des détecteurs présents sur le marché) ainsi que le détecteur à fibre scintillante furent utilisés lors des mesures, de façon à comparer la réponse des différents dosimètres pour mettre à jour leurs forces et leurs faiblesses. Par la suite, un prototype composé de 49 détecteurs à fibre scintillante disposés en croix a été développé et construit afin de prendre des mesures de distributions de dose en deux dimensions. Finalement, une mesure d'un plan de traitement complet a été effectuée avec la fibre scintillante, la diode de radiochirurgie non blindée SFD et la micro-chambre à ionisation A16 afin d'évaluer la précision avec laquelle il était possible de faire une mesure de dose lors d'un contrôle de qualité avec ces différents détecteurs.