L’assurance qualité est un sujet clé en radiothérapie. En effet, la complexification des méthodes de traitements ont induit de nombreuses sources d’erreurs potentielles, et la vérification du bon déroulé du traitement est plus que jamais une tâche difficile. Un des objectifs de l’équipe de radiophysique est ainsi d’assurer que la dose délivrée au patient sera aussi conforme que possible à la prescription du médecin.Nombres d’outils ont été mis à disposition de ces équipes pour assurer des contrôles efficaces, réduisant les chances d’erreur. Une des solutions innovantes à l’épreuve dépend de l’utilisation de nouveaux détecteurs bidimensionnels, solidaires de la tête de l’accélérateur et placé en amont du patient, permettant ainsi de collecter des informations sur le flux de photons délivré par l’accélérateur.Ce type de détecteur présente plusieurs avantages. Il ne perturbe que très peu le faisceau de photons et permet donc une utilisation en simultané du traitement du patient. De plus, sa localisation en amont du patient ne permet pas d’ambiguïté sur l’origine des déviations en dose observées, une erreur de positionnement patient ne pouvant pas se confondre à une avarie sur l’accélérateur.Dans ce contexte, le groupe PHYSMED du LPSC, en collaboration avec le CHU de Grenoble développe TraDeRa, un détecteur 2D basé sur une chambre d’ionisation plane pixélisée. Embarquant une électronique de lecture dédiée conçue, il permet l’acquisition de carte de signal décrivant avec une bonne précision le flux de photons en provenance de l’accélérateur en temps réel et sans zone morte.Son portage vers la routine clinique passe en partie par la traduction de la carte de signal fournie par le détecteur en une carte de dose exploitable par les physiciens médicaux. Une des solutions envisagée tient dans le recours à des simulations Monte-Carlo complexes, afin d’associer la réponse du détecteur à un dépôt de dose calculé.La précision sur les différents calculs Monte-Carlo à fournir est très importante, aussi un modèle précis de l’accélérateur clinique nous a paru indispensable. Nous avons donc entrepris la modélisation d’un accélérateur clinique type Clinac 2100 pour le code Monte-Carlo PENELOPE, afin de reproduire le plus fidèlement possible l’accélérateur du CHU de Grenoble. Outre la géométrie complexe du dispositif, la fidélité de la reproduction vient aussi de la connaissance des caractéristiques du faisceau d’électrons utilisé pour produire ces photons. Nous avons élaboré une méthode de détermination de ces paramètres basée sur un ajustement de ces caractéristiques utilisant la comparaison de mesures avec des simulations de référence, présentant des avantages sur le processus essais-erreurs habituellement utilisé. L’objectif était de proposer une méthode applicable à n’importe quel accélérateur du même modèle, en n’exploitant qu’un jeu commun de simulations de référence, et permettre l’ajustement des caractéristiques en un minimum de temps. Cette méthode a fait ses preuves, notamment grâce à son application sur deux autres accélérateurs modèle Clinac 2100 que celui utilisé dans la conception du détecteur.Puis, nous avons modélisé le détecteur et son environnement d’exploitation à l’hôpital dans PENELOPE. Cette simulation nous a donné accès à des propriétés intrinsèques que des mesures réelles ne permettent pas de déterminer. Nous avons ainsi pu étudier la linéarité de sa réponse en dose et en débit de dose, caractériser l’atténuation qu’il oppose au faisceau, ou encore évaluer la diaphonie entre les différentes électrodes de la matrice pixélisée.Nous avons initié le travail de conversion du signal collecté par le détecteur en dose déposée dans le patient. Nous avons associé à la réponse d’électrodes choisies une distribution de dose en trois dimensions dans la cuve à eau. En décomposant un champ quelconque en une somme de réponses élémentaires, nous avons déterminé une procédure de reconstruction du dépôt de dose dans le patient. / Quality assurance is a key topic in radiation therapy. Indeed, the increasing complexity of the treatment methods led to many additional sources of potential errors, and the verification of treatment is more than ever a task that can be difficult. One of the objectives of the radiophysicists lies in the application of quality assurance procedures to ensure that the dose delivered to the patient is consistent with the oncologist’s prescription.Numerous tools are available to ensure controls that are both effective and reliable, reducing the chances of errors. However, zero risk is not achievable, and the use of new treatment techniques can make these errors difficult to detect. One of the innovative solutions studied in recent years depends on the use of new two-dimensional detectors, embedded on the head of the linear accelerator and placed upstream of the patient. These devices thus allow to collect information on the photon flux delivered by the accelerator.This type of detector has several advantages. Their attenuation is very light, and grant the possibility to use them while treating the patient. Moreover, their location does not give space to ambiguity about the origin of the observed dose deviations. Indeed, a patient positioning error cannot be confused with mechanical misbehavior of the linear accelerator.In this context, the PHYSMED group of the LPSC, in collaboration with the Grenoble Public Hospital, is developing TraDeRa, a detector based on a pixelated planar ionization chamber, embedding dedicated electronics specially designed by the lab. The detector is able to collect a signal map that accurately describes the incoming photon flux, for any clinical field, in real time and without dead zone.The portage of the detector towards clinical routine partially depends on the translation of the signal map supplied by the detector into a reliable dose map that can be used by medical physicists. To begin with, one of the considered solutions is the use of complex Monte Carlo simulations, in order to associate the detector response with a calculated dose deposition in a water tank.The precision to provide on the various Monte-Carlo calculations seemed very important. Therefore, a precise model of the clinical accelerator seemed essential. Thus, we have initiated the modeling of a type Clinac 2100 clinical accelerator for the Monte-Carlo code PENELOPE, in order to reproduce as accurately as possible the accelerator available for our measurements campaign. The knowledge of the primary electron beam characteristics is critical. We have thus developed an original method for adjusting these characteristics based on comparison of measurements with reference simulations. This method has interesting features compared with the usual trial and error process. The objective was to propose a method applicable to any accelerator of the same model, using only a set of reference simulations, thus allowing the faster adjustment (sometimes slightly less accurate than the trial and error method) of the beam characteristics. This method seems to have proved itself worth, and has been used on two other Clinac 2100 accelerators to test its reliability.Next, the full modeling of the detector in PENELOPE coupled and its environment granted us to describe some characteristics intrinsic to conception choices. Thus, we have been able to study the linearity response of the detector in terms of dose and dose rate, characterize the attenuation it opposes to the beam, and evaluate the cross-talk between the different electrodes of the pixelated matrix.In addition, we were able to initiate the work of converting the signal collected by TraDeRa into a dose deposited in the patient. We associated the response of selected electrodes with calculated dose distributions in a water tank model. By decomposing any field into a sum of elementary responses, we have determined a procedure allowing the reconstruction of the dose deposition in the patient.

La Radiothérapie Interne Vectorisée (RIV) consiste à détruire des cibles tumorales en utilisant des vecteurs radiomarqués (radiopharmaceutiques) qui se lient sélectivement à des cellules tumorales. Dans un contexte d'optimisation de la RIV, une meilleure détermination du dépôt d'énergie dans les tissues biologiques est primordiale pour la définition d'une relation dose absorbée - effet biologique et pour l'optimisation des traitement du cancer. Cela nécessite une évaluation quantitative de la distribution de l'activité (avec la technique d'imagerie moléculaire la plus appropriée) et d'effectuer le transport du rayonnement à l'échelle à laquelle se produisent les phénomènes biologiques pertinents. Les méthodologies à appliquer et les problématiques à établir dépendent strictement de l'échelle (cellule, tissu, organe) de l'application considérée, et du type de rayonnement en cause (photons, électrons, particules alpha). Mon travail de recherche a consisté à développer des techniques dosimétriques dédiées (dosimétrie mono-échelle) et innovantes, capables de prendre en compte la particularité de différents scénarios expérimentaux (cellulaire, pré-clinique, RIV clinique). / Targeted Radionuclide Therapy (TRT) consists in killing tumour targets by using radiolabeled vectors (radiopharmaceuticals) that selectively bind to tumour cells. In a context of TRT optimization, a better determination of energy deposition within biologic material is a prerequisite to the definition of the absorbed dose-effect relationship and the improvement of future cancer treatment. This requires being able to quantitatively assess activity distribution (with the most appropriate molecular imaging technique) and perform radiation transport at the scale at which biologically relevant phenomena occur. The methodologies that should be applied and the problematic to be faced strictly depend on the scale (cell, tissue, body) of the application considered, and on the type of radiation involved (photons, electrons, alpha). This research work consisted in developing dedicated dosimetric techniques (single-scale dosimetry) capable of taking into account the peculiarity of different experimental scenarios (cellular, pre-clinical, clinical TRT).

Dans le cadre du projet européen ENVISION (2010-2014) et en collaboration avec l'équipe CAS-PHABIO de l'IPNL, cette thèse constitue une contribution méthodologique et technique dans le domaine de la dosimétrie et de l'imagerie de contrôle par émission des positons (TEP) pour les organes en mouvement. Les méthodes actuelles utilisent le recalage déformable d'images CT pour estimer le mouvement des organes internes. Le recalage déformable permet d'estimer le déplacement de chaque voxel d'une image à une autre. La dose radio-thérapeutique ainsi que l'activité TEP sont accumulées sur des voxels. Ces approches ont des difficultés quand il s'agit de prendre en compte la variation de densité à l'intérieur des organes et l'aspect non-répétitif du mouvement respiratoire. Les travaux antérieurs de l'équipe ont permis de développer un premier modèle biomécanique complet du système respiratoire qui, corrélé avec des signaux externes, pourrait prendre en compte la variabilité du mouvement respiratoire. Cette thèse présente une approche qui permet d'intégrer un tel modèle biomécanique dans un système de planification de traitement pour l'hadronthérapie. Dans cette thèse, nous avons choisi d'investiguer de près l'utilisation des maillages tétraédriques déformables dans la dosimétrie et la reconstruction d'images TEP afin d'estimer les avantages et inconvénients de ce type de géométrie. En conclusion, notre approche peut être utilisée avec n'importe quel modèle de déformation basé sur une géométrie tétraédrique et dont le mouvement est décrit par le déplacement des nœuds des maillages et donc contrairement aux méthodes basés images, notre approche n'est pas nécessairement dépendante de l'existence des images internes à tout moment. Dans le futur, les méthodes développées dans cette thèse pourraient être utilisées avec un modèle biomécanique complet du système respiratoire afin de quantifier, par exemple, les effets de la variabilité de la respiration sur le dépôt de dose / Respiratory-induced organ motion is a technical challenge to nuclear imaging and to charged particle therapy dose calculations for lung cancer treatment in particular. Internal organ tissue displacements and deformations induced by breathing need to be taken into account when calculating Monte Carlo dose distributions as well as when performing tomographic reconstructions for PET imaging. Current techniques based on Deformable Image Registration (DIR) cannot fully take into account the density variations of the tissues nor the fact that respiratory motion is not reproducible. As part of the ENVISION (2010-2014) European project, in collaboration with the CAS-PHABIO team from IPNL (the Nuclear Physics Institute from Lyon), this PhD project presents a methodological contribution to physical dose calculations and PET-based treatment verification for hadron therapy in the case of moving tumours. Contrary to DIR-based methods where motion is described by relative voxel displacement, each organ is represented as a deformable grid of tetrahedra where internal motion is described by mesh vertex transformations calculated using continuum mechanics. First, this PhD project proposes a new method to calculate four dimensional dose distribution over tetrahedral meshes, which are deformed using biomechanical modeling based on Finite Element Analysis (FEA). The second part of the PhD is focused on motion compensation for PET image reconstruction using deformable tetrahedral meshes

Le mélanome uvéal est la tumeur primaire intraoculaire la plus fréquente chez l'adulte. L'un des traitements le plus souvent utilisé afin d'obtenir un contrôle local de la tumeur s'appelle la curiethérapie par plaque. Malgré un faible taux de récidive locale avec cette technique, la grande majorité des patients développeront des complications oculaires secondaires à la radiation cinq ans après le diagnostic initial. Le manque de modèles ex vivo ou in vitro de mélanome uvéal rend difficile la validation de plaques de curiethérapie personnalisées et le calcul des différents profils de dose par les algorithmes Monte-Carlo. Un fantôme dosimétrique bio-imprimé représentant l'œil humain contenant une tumeur uvéale de forme définie serait un modèle in vitro optimal pour l'évaluation de différents profils de dose dans le développement de plaques de curiethérapie personnalisées. Dans cette étude, la viabilité et la prolifération des cellules cancéreuses du mélanome uvéal ainsi que des fibroblastes et mélanocytes choroïdiens en culture dans un environnement tridimensionnel, soit une matrice extracellulaire commerciale (Matrigel®) ou un hydrogel imprimable, ont d'abord été mesurées par microscopie en contraste de phase ou en fluorescence. Ensuite, l'expression de marqueurs de prolifération, d'hypoxie et de dommages à l'ADN a été déterminée dans les cellules cancéreuses du mélanome uvéal cultivées en monocouche ou enrobées dans le Matrigel®, dans l'optique future d'étudier ces marqueurs lors de l'irradiation du modèle bio-imprimé de tumeur uvéale avec une plaque personnalisée. L'évaluation chirurgicale de prototypes de plaques de curiethérapie non radioactives a été faite afin de comparer les différentes itérations entre elles et aux plaques conventionnelles. Enfin, les caractéristiques à améliorer pour le développement d'un modèle biologique contenant une tumeur uvéale ont été discutées et les aspects techniques problématiques des premières plaques imprimées ont été identifiés afin d'optimiser les prochains prototypes de plaques personnalisées. Mes travaux représentent un avancement des connaissances sur les modèles in vitro 3D du mélanome uvéal et le traitement de cette tumeur oculaire par curiethérapie par plaque. Mon mémoire pourra servir de base aux projets subséquents visant soit i) à élucider l'impact des interactions des cellules cancéreuses avec leur microenvironnement sur la résistance thérapeutique de ce cancer ou ii) à tester de nouvelles stratégies thérapeutiques sur un modèle bio-imprimé de mélanome uvéal primaire. / Uveal melanoma is the most common primary intraocular tumor in adults. One of the treatments most often used to achieve local tumor control is called plaque brachytherapy. Despite a low local recurrence rate with this technique, most patients will develop ocular complications secondary to radiation five years after the initial diagnosis. The lack of ex vivo or in vitro models of uveal melanoma makes it difficult to validate personalized brachytherapy plates and to calculate the different dose profiles by Monte-Carlo algorithms. A bioprinted dosimetry phantom representing the human eye containing a defined uveal tumor would be an optimal in vitro model for the evaluation of different dose profiles in the development of personalized brachytherapy plates. In this study, the viability and proliferation of uveal melanoma cells, as well as choroidal fibroblasts and melanocytes in culture in a three-dimensional environment, either a commercial extracellular matrix (Matrigel®) or a printable hydrogel, were first measured by phase contrast or fluorescence microscopy. Then, the expression of markers of proliferation, hypoxia and DNA damage was determined in uveal melanoma cells cultured as monolayer or embedded in Matrigel®, in the future perspective of studying these markers after the irradiation of the bioprinted uveal tumor model using a personalized plate. The surgical evaluation of prototypes of non-radioactive brachytherapy plates was done in order to compare the different iterations with each other and with conventional plates. Finally, the characteristics to be improved for the development of a biological model containing an uveal tumor were discussed, and the problematic technical aspects of the printed plates were identified in order to optimize the next prototypes of personalized plates. My work represents an advancement of knowledge on in vitro 3D models of uveal melanoma and the treatment of this ocular tumor by plaque brachytherapy. My master's thesis could serve as a basis for subsequent projects aiming either i) to elucidate the impact of interactions of cancer cells with their microenvironment on the therapeutic resistance of this cancer or ii) to test new therapeutic strategies on a bioprinted model of primary uveal melanoma.

Le passage de particules chargées dans un milieu ayant une vitesse excédant celle de la lumière dans ce même milieu entraîne l’émission de photons. Ce phénomène, nommé effet Cherenkov, peut être utilisé afin de déterminer la dose déposée dans un fantôme d’eau par un accélérateur linéaire utilisé en radiothérapie externe. Toutefois, les photons Cherenkov sont toujours émis de façon anisotrope et rendent le calcul de la dose complexe en raison de l’absence de linéarité entre l’intensité collectée et la dose déposée. Une alternative proposée par certains consiste à ajouter un fluorophore à l’eau afin d’absorber une portion de la lumière Cherenkov anisotrope et la réémettre de façon isotrope par fluorescence. Afin d’évaluer l’efficacité de cette méthode, la présente étude vise à déterminer les proportions de chaque processus d’émission lors de l’irradiation d’une solution aqueuse de quinine et quantifier l’absorption de photons Cherenkov par le fluorophore. Cela devait permettre de mieux comprendre les mécanismes menant à une amélioration de la mesure de dose lors de l’ajout du fluorophore. Pour ce faire, diverses concentrations de solution aqueuse de quinine ont été irradiées à l’aide d’un accélérateur linéaire et le spectre émis a été recueilli à l’aide d’un spectromètre. Afin de déterminer la quantité de photons produits initialement dans le solvant par effet Cherenkov, une solution témoin constituée uniquement d’eau distillée a été irradiée sous les mêmes conditions. De plus, à l’aide de l’intensité lumineuse mesurée par une caméra CCD, une comparaison de la mesure de la dose déposée a été réalisée entre l’eau et la solution de quinine. Finalement, ces mesures de dose expérimentales ont été comparées avec les doses prédites par un système de planification de traitement afin de quantifier l’amélioration observable lors de l’ajout du fluorophore. / Particles traveling through a medium at a speed exceeding light speed in that same medium gives rise to a phenomenon of photon emission. This phenomenon, called the Cherenkov effect, can be used to determine the dose deposition in a water phantom from a linear accelerator used in external radiotherapy. However, Cherenkov effect produces an anisotropic emission which makes the calculation of the dose complex as the relation between the dose deposition and the intensity of the signal collected is not linear. An alternative recently proposed consist of adding a fluorescent agent to the water with the hypothesis that it can absorb the Cherenkov emission and reemit it as an isotropic fluorescent light. To evaluate the efficiency of this method, the present study aims to determine the contribution of each excitation source producing the total light signal measured in the visible range during the irradiation of an aqueous quinine solution. Moreover, it aims to quantify the Cherenkov light absorption by the fluorophore in the UV region. To achieve this, various concentrations of aqueous quinine solutions were irradiated with a linear accelerator and the spectra where collected with a spectrometer. To determine the initial Cherenkov light production in the solvent, a control sample of distilled water was irradiated under the same conditions as the fluorophore solutions. Furthermore, using the light signal collected by a CCD camera, a comparison between the dose deposition along the beam path was performed between the quinine solution and the pure Cherenkov light. It was then possible to compare the percent depth dose obtained with both solution with a treatment planning system dose calculation to determine how quinine improves measurements.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette thèse porte sur le développement d’outils de contrôle de qualité pour les traitements de radiothérapie externe. Le but principal vise à incorporer les principes de tomographie à la dosimétrie par scintillateurs plastiques pour concevoir des appareils de haute résolution spatiale et faciles d’utilisation, tout en étant justes et précis. Dans un premier temps, la réponse de longues fibres scintillantes placées dans un champ de radiation est étudiée, et un détecteur de fluence est développé pour la validation en temps réel des traitements de radiothérapie. En utilisant l’information des deux extrémités de chaque fibre simultanément, la position de l’interaction du champ ainsi que l’intégrale de la fluence traversant la fibre peuvent être mesurées, permettant la détection d’erreurs de lames d’au moins 2 mm à l’isocentre. Le modèle théorique de réponse précédemment développé est ensuite appliqué à la reconstruction tomographique d’une distribution de dose mesurée à l’aide d’une matrice rotative de longues fibres scintillantes parallèles. Le dosimètre 2D obtenu parvient à reconstruire la dose calculée par le système de planification de traitement avec un écart maximal de 2% dans les régions de bas gradient de dose. Le concept de dosimétrie tomographique, ou tomodosimétrie, est ensuite appliqué à la mesure de dose en trois dimensions en utilisant des plans de fibres cylindriques et concentriques. En simulant la rotation de ces plans autour de leur axe central et en interpolant en trois dimensions les doses 2D obtenues, le dosimètre 3D parvient à reconstruire la dose de départ à un écart d’au plus 1% en dehors des zones de haut gradient de dose. Finalement, les principes de reconstruction itérative démontrés pour les longues fibres scintillantes sont appliqués à un volume de scintillateurs imagé à l’aide d’une caméra plénoptique. En re-projetant les projections acquises par les pixels de la caméra dans le volume de scintillateurs, le dosimètre 3D parvient à reconstruire en temps réel la dose à un écart d’au plus 3% dans les régions de faible gradient de dose. Cette étude conclut que le mariage de la tomographie et de la dosimétrie permet l’apparition d’une nouvelle génération d’appareils de contrôle de qualité alliant à la fois résolution spatiale et facilité d’utilisation. / This thesis deals with the development of tools for the quality assurance of external beam radiotherapy. The main goal is to incorporate tomography processes to plastic scintillator dosimetry in order to conceive high resolution, precise, accurate and easy-to-use quality assurance devices. First, a long scintillating fiber response to an incoming radiation field is studied, and a fluence monitoring device is developed for the real-time validation of radiotherapy treatments. Using the light signal emitted from both sides of each fiber, both the interaction position of the incoming field and the fluence integral across the fiber can be measured, allowing for the detection of leaf errors of at least 2 mm at isocentre. The theoretical response model previously developed is then applied to the tomographic reconstruction of dose distributions measured using a rotating matrix of long scintillating fibers. The dose reconstructed using this 2D dosimeter is in agreement with the calculations from the treatment planning software up to a maximum difference of 2% in the low dose gradient regions. The concept of tomographic dosimetry, or tomodosimetry, is then applied to 3D dose measurements using concentric, cylindrical planes of fibers. By simulating the rotation of these planes around the dosimeter central axis and by interpolating in three dimensions the obtained 2D doses, the 3D dosimeter is able to reconstruct the initial input dose with a deviation of maximum 1% outside of high dose gradient regions. Finally, the iterative reconstruction principles demonstrated for long scintillating fibers are applied to a scintillator volume imaged using a plenoptic camera. By re-projecting the projections acquired by the camera sensor pixels inside the scintillator volume, the 3D dosimeter is able to reconstruct the dose in real time with a maximal deviation of 3% in the low dose gradient regions. This study concludes that the union of tomography and dosimetry enables the development of a new generation of quality assurance devices, combining both spatial resolution and user-friendliness.

La thèse présentée porte sur l’investigation d’un nouveau matériau luminescent pour une application en dosimétrie à scintillation, un matériau développé pour la première fois il y a environ une vingtaine d’années : les points quantiques colloïdaux (cQDs). Ces derniers sont des nanocristaux de semi-conducteurs possédant des propriétés uniques, découlant entre autres du confinement tridimensionnel de leurs porteurs de charge. Les cQDs constituent un matériau d’intérêt pour la dosimétrie à scintillation d’abord grâce à leur luminescence dont l’intensité est bonifiée par rapport à celle de leur équivalent macroscopique. Plusieurs autres propriétés des cQDs les rendent intéressants pour le développement d’un dosimètre à scintillation. Ils possèdent un large spectre d’absorption et un étroit spectre d’émission, dont la position du maximum d’absorption (émission) est dépendante de la taille et de la composition des cQDs. De plus, il existe de multiples supports physiques dans lesquels peuvent être insérés les cQDs, des supports comme divers solvants ou plastiques. Peu de travaux ont été menés sur la caractérisation de cQDs comme scintillateurs, spécialement dans le contexte d’une application en dosimétrie à scintillation pour la radio-oncologie. Une panoplie d’avenues nécessitaient donc d’être explorées pour établir un portrait des cQDs comme matériau luminescent pour des applications en dosimétrie. Plusieurs formes physiques dans lesquelles étaient inclus les cQDs ont été testées : de la poudre, des liquides et des plastiques. La majeure partie de la thèse traite de la caractérisation de cQDs comme scintillateur, mais une portion de la thèse porte aussi sur le développement d’instrumentation spécifique à la mesure aux accélérateurs linéaires. Celui-ci a été motivé par le fait que l’accélérateur linéaire a un rapport cyclique de 0,144%, faisant en sorte que la majorité de l’intégration continue de signal lumineux collecte du bruit. Un prototype de circuit intégrateur synchronisé a donc été développé, ce qui a permis de faire un gain sur le rapport signal sur bruit du signal mesuré. Concernant la caractérisation des cQDs, la première étude présentée rapporte les résultats d’une comparaison de la résistance à la radiation ionisante de cQDs à coquille simple et de cQDs à coquilles multiples, ce dernier étant le type utilisé pour le projet de thèse. Il a été montré que les cQDs à coquilles multiples ont une meilleure résistance à la radiation que les cQDs à coquille simple grâce à leur meilleure passivation de surface. De plus, la répétition de multiples irradiations entrecoupées de pauses a fait ressortir deux effets antagonistes pour chaque type de cQDs concernant la récupération, ou non, de leur efficacité de scintillation. Les cQDs à coquille simple ont présenté une accélération de la dégradation de leur scintillation entre les pauses alors que les cQDs à coquilles multiples ont présenté un recouvrement systématique de leur intensité de scintillation. Ensuite, une étude portant sur les dispersions liquides de cQDs est présentée. On en retire que l’efficacité de scintillation dépend de la nature du solvant dans lequel sont dispersés les cQDs. L’alkylbenzène, le meilleur solvant, permet notamment d’obtenir une intensité de scintillation constituant le dixième de celle du scintillateur commercial Ultima Gold, et ce, malgré que la concentration de cQDs soit cinq ordres de grandeur plus faible que celle du fluorophore dans Ultima Gold. La dernière étude présentée porte sur la poursuite de la caractérisation des formes poudreuse et liquide de cQDs comme dosimètres. Des mesures rapportant la linéarité du signal en fonction de la dose déposée ont été menées pour des faisceaux de photons et d’électrons. D’autres mesures ont permis de caractériser la dépendance du signal en fonction de l’énergie du faisceau. Il a été montré que les dispersions liquides ont la dépendance la moins marquée, ayant une variation maximale de 15% à 220 kVp par rapport au signal à 6 MV pour la dispersion dans l’alkylbenzène. Cette variation se trouve même à être plus petite que celle observée pour la fibre scintillante BCF-60 et pour Ultima Gold. Quelques résultats préliminaires sont finalement rapportés concernant les scintillateurs plastiques de cQDs. Entre autres, il a été observé, aux énergies kV, que la dépendance en énergie du signal suit une tendance similaire à celle du BCF-60, mais dont l’amplitude de variation est moindre. En conclusion, chacune des formes de cQDs testées possède des particularités qui pourraient mettre de l’avant son utilisation en dosimétrie à scintillation. Ces dernières sont relatées en détail dans la conclusion de la thèse. / This thesis presents the investigation of a new luminescent material as the sensible volume of scintillating dosimeters, a material which has been developed in the past twenty years: colloidal quantum dots (cQDs). These nanocrystals are composed of semiconductors and have unique properties, which are in part due to the three-dimensional quantum confinement of their charge carriers. cQDs constitute a material of interest for scintillation dosimetry since they have a more important light emission than their bulk counterpart. Moreover, they have a wide absorption and a narrow emission spectrum, for which their maximum absorption (emission) is tuneable with the cQD size and composition. The cQDs can be incorporated to many physical supports like liquids or plastics. Few studies have characterized cQDs as scintillators for an application in radiation oncology dosimetry. Thus, many research paths had to be explored to establish the portrait of cQDs as a luminescent material for applications in dosimetry. cQDs under multiple physical forms were tested: powder, liquids and plastics. Even though the major part of the thesis deals with the characterization of cQDs, work has been done on improving the light signal collection. This part of the project was motivated by the low duty cycle of the linear accelerator (0.144%), which results in a continuous light acquisition including a lot of noise. Thus, a prototype of an integrated synchronized circuit was developed and lead to a better signal to noise ratio of the light signal collected, evaluated to be up to 8 times better. The first study on the cQD characterization reports the comparison results of the resistance to ionizing radiation of core/shell (CS) and multishell (MS) cQDs, the type that is used throughout the thesis. MS cQDs have proven to have a better radiation resistance than CS cQDs due to their better surface passivation. Moreover, repeated irradiations separated with pauses put forward an opposite trend concerning the effect of the pauses on the recovery of the scintillation efficiency. CS cQDs presented an accelerated degradation of their light production efficiency while MS cQDs showed a systematic scintillation efficiency recovery. In the second study, measurements were conducted in order to characterize the cQD liquid dispersions. It was observed that the cQD dispersion scintillation efficiency was dependent on the nature of the solvent. The alkylbenzene dispersion, offering the best light production, wasshown to reach a tenth of the light emission intensity of the commercial scintillator Ultima Gold. This observation is remarkable since the cQD concentration is five orders of magnitude lower than the fluorophore concentration in Ultima Gold. The last study presents the continuing characterization of the cQD powder and the cQD liquid dispersions as dosimeters. It is reported that their scintillation output is linear with dose when the cQDs are irradiated with various photon and electron beam energies. The light output dependence on beam energy was also quantified and it was shown that the cQD liquid dispersions have the least important dependence. Indeed, the alkylbenzene dispersion has a maximal signal variation from 6 MV of 15% observed at 220 kVp, a variation lower than what was reported for the scintillating fiber BCF-60 and Ultima Gold. Preliminary results are also presented for the cQD plastic scintillators. At kV energies, it was observed that the energy dependence of the scintillation output followed a similar trend than that of the BCF-60’s but had a lower variation amplitude. To conclude, each of the cQD forms has a potential in being used for scintillation dosimetry considering their proper particularities. These particularities are discussed in detail in the conclusion of the thesis.

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.

L'objectif de cette thèse est d'améliorer les traitements du cancer du poumon en radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) réalisés grâce à un logiciel maison (Ballista) et à un logiciel commercial (Pinnacle3 de Philips). Dans un premier temps, nous avons constaté que de mélanger les basses et hautes énergies dans un même plan permettait d'obtenir une meilleure épargne des tissus périphériques tout en conservant la couverture du volume cible et l'épargne des organes sensibles. Ensuite, le système Ballista a été mis à profit pour explorer les limites d'augmentation de la dose à la tumeur pour des plans d'IMRT simples. En explorant des configuration d'angles non coplanaires, la dose à la maladie macroscopique a pu être augmentée à des niveaux supérieurs à 78 Gy dans un nombre important de cas, sans augmentation excessive de la dose aux organes à risque. Finalement, nous avons utilisé des images de perfusion pulmonaire acquises par tomographie par émission monophotonique (TEM) pour caractériser spatialement et quantitativement la fonction pulmonaire et obtenir des plans qui évitent les régions les plus saines. Nous avons cherché à identifier une méthode simple et avantageuse pour générer ces plans. Toutes les méthodes tentées ont permis d'obtenir un gain incrémentiel sur l'épargne des régions fonctionnelles. Nous n'avons cependant pas pu trouver de corrélation possible entre l'épargne fonctionnelle obtenue et divers paramètres géométriques spécifiques à chaque patient. Le grand résultat de cette thèse a été la création d'un cadre d'applications pour un système de planification 5D, combinant ainsi les trois dimensions de l'espace, la dimension temporelle (mouvements intrafraction et interfraction) et la dimension de l'information fonctionnelle. On pourrait ainsi imaginer un logiciel permettant d'optimiser les angles d'incidence des faisceaux en tenant compte de la distribution spatiale de la fonctionnalité (autant tumorale que celle des tissus normaux), avec une définition de volume cible tenant compte du déplacement intrafraction des structures internes et avec un niveau de modulation suffisant pour obtenir une conformité accrue.

La radiothérapie par modulation d’intensité est une technique avancée de traitement du cancer qui utilise de nombreux faisceaux de photons dont les intensités sont modulées. Avec cette méthode, des compromis entre la couverture de la zone à traiter et la sauvegarde des organes à risque sont nécessaires et dépendent du planificateur. Pour accélérer, uniformiser et accroître la qualité des planifications futures, le présent mémoire propose des métriques basées sur la géométrie spécifique des patients. Pour ce faire, une étude rétrospective a été conduite. Certains indices dosimétriques d’intérêt ont été mis en relation avec des paramètres géométriques simples. Un modèle de frontières stochastiques a été adapté pour déterminer les frontières inférieures des distributions par une méthode de maximisation de la vraisemblance. La validité de la méthode a été testée. L’impact de l’implantation en clinique d’une métrique simple en ORL a finalement été évalué.