La curiethérapie à haut débit de dose (HDR pour High Dose Rate) est une modalité de traitement du cancer qui délivre au volume cible la dose prescrite avec un débit de dose élevé. Malgré les distributions de doses hautement conformes obtenues avec cette modalité de traitement, le traitement lui-même n’est pas exempt d’erreurs. En raison des forts gradients de dose, typique de la curiethérapie, de petites erreurs dans le positionnement de la source peuvent entraîner des conséquences néfastes pour les patients. L’utilisation systématique de systèmes de vérification en temps réel est le seul moyen de savoir quelles doses ont été réellement données à la tumeur et aux organes à risque. Cette thèse présente les démarches effectuées pour créer et valider un système de dosimétrie à scintillateurs plastiques multipoints (mPSD pour Multipoint Plastic Scintillation Detector) capable d’effectuer avec précision des mesures in vivo en curiethérapie HDR. Un prototype a été optimisé, caractérisé et testé dans des conditions typiques de la curiethérapie HDR. Une analyse exhaustive a été réalisée pour obtenir un modèle optimisé du détecteur, capable de maximiser la collection de lumière de scintillation produite par l’interaction des photons ionisants. Il a été constaté que le scintillateur de longueur d’onde plus courte devrait toujours être placé plus près du photodétecteur, alors que le scintillateur émettant dans la longueur d’onde la plus élevée doit être en position distale. Si la configuration, comme mentionnée précédemment, n’est pas utilisée, des effets d’excitation et d’auto-absorption entre les scintillateurs peuvent se produire, et en conséquence, la transmission de la lumière à travers la fibre collectrice n’est pas optimale. Le détecteur a été rendu étanche à la lumière. Son noyau de 1 mm de diamètre permet son utilisation dans la majorité des applicateurs utilisés pour le parcours de la source en curiethérapie HDR avec l’192Ir. Pour la meilleure configuration du détecteur multipoints (3 mm de BCF10, 6 mm de BCF12, 7 mm BCF60), une optimisation numérique a été effectuée pour sélectionner les composants optiques (miroir dichroïque, filtre et tube photomultiplicateur (PMT pour Photomultiplier Tube)) qui correspondent le mieux au profil d’émission recherché. Ceci permet la déconvolution du signal en utilisant une approche multispectrale, en extrayant la dose de chaque élément tout en tenant compte de l’effet de tige Cerenkov. Le système de luminescence optimisé a été installé dans une boîte protectrice pour assurer la stabilité des composantes optiques lors de la manipulation. Les performances dosimétriques du système IViST (In Vivo Source Tracking) ont été évaluées en curiethérapie HDR, sur une plage clinique réaliste allant jusqu’à 10 cm de distance entre la source et les capteurs du mPSD. IViST peut simultanément mesurer la dose, trianguler la position et mesurer le temps d’arrêt de la source. En effectuant 100 000 mesures/s, IViST échantillonne suffisamment de données pour effectuer rapidement des tâches QA / QC clés, telles que l’identification d’un mauvais temps d’arrêt individuel ou des tubes de transfert interchangés. En utilisant 3 capteurs colinéaires et des informations planifiées pour une géométrie d’implant provenant des fichiers DICOM RT, la plateforme peut également trianguler la position de la source en temps réel avec une précision de positionnement de 1 mm jusqu’à 6 cm de la source. Le détecteur ne présentait aucune dépendance angulaire. Un essai clinique est actuellement en cours avec ce système. / High Dose Rate (HDR) brachytherapy is a cancer treatment modality that delivers to the target volume high doses in short amount of time in a few fractions. Despite the highly conformal dose distributions achieved with this treatment modality, the treatment itself is not free from errors. Because of the high dose gradient characteristics of the brachytherapy techniques, small errors in the source positioning can result in harmful consequences for patients. The routine use of a real-time verification system is the only way to know what dose was actually delivered to the tumor and organs at risk. This thesis presents the investigation done to obtain a Multi-point Plastic Scintillation Detector (mPSD) system capable of accurately performing in vivo dosimetry measurements in HDR brachytherapy. A first system’s prototype was optimized, characterized, and tested under typical HDR brachytherapy conditions. An exhaustive analysis was carried out to obtain an optimized mPSD design that maximizes the scintillation light collection produced by the interaction of ionizing photons. We found that the shorter wavelength scintillator should always be placed closer to the photodetector and the longer wavelength scintillator in the distal position for the best overall light-yield collection. If the latter configuration is not used, inter-scintillator excitation and self-absorption effects can occur, and as a consequence, the light transmission through the collecting fiber is not optimal. The detector was made light-tight to avoid environmental light, and its 1 mm diameter core allows their usage in most applicator channel used in 192Ir HDR brachytherapy. For the best mPSD design (3 mm of BCF10, 6 mm of BCF12, 7 mm BCF60), a numerical optimization was done to select the optical components (dichroic mirror, filter and Photomultiplier Tube (PMT)) that best match the light emission profile. It allows for signal deconvolution using a multispectral approach, extracting the dose to each element while taking into account the Cerenkov stem effect. The optimized luminescence system was enclosed into a custom-made box to preserve the optical chain stability and easy manipulation. The In Vivo Source Tracking (IViST) system’s dosimetric performance has been evaluated in HDR brachytherapy, covering a range of 10 cm of source movement around the mPSD’s sensors. IViST can simultaneously measure dose, triangulate source position, and measure dwell time. By making 100 000 measurements/s, IViST samples enough data to quickly perform key QA/QC tasks such as identifying wrong individual dwell time or interchanged transfer tubes. By using 3 co-linear sensors and planned information for an implant geometry (from DICOM RT), the platform can also triangulate source position in real-time with 1 mm positional accuracy up to 6 cm from the source. The detector further exhibited no angular dependence. A clinical trial is presently on-going using the IViST system.

La curiethérapie, une forme spécialisée de traitement du cancer, consiste à placer des sources radioactives près ou directement dans la lésion cancéreuse. Un aspect crucial de cette thérapie est le calcul de la dose de radiation. Traditionnellement, ce calcul s'appuie sur un formalisme qui considère l'eau comme milieu de transport, ce qui ne tient pas suffisamment compte des variations dans la composition des tissus du patient et des effets d'atténuation entre sources pour la curiethérapie permanente à faible débit de dose (LDR pour low-dose rate). La méthode Monte Carlo (MC) est la référence pour les calculs de dose avancés en curiethérapie, offrant une solution à ces limites. Cependant, l'application pratique de la méthode MC dans la planification du traitement est limitée par son temps d'exécution relativement lent. Cette thèse explore le potentiel des méthodes d'apprentissage profond (DL pour deep learning) pour surmonter ce défi. Plus précisément, la faisabilité d'utiliser des algorithmes DL pour prédire rapidement et avec précision la distribution de dose volumétrique pour patients de cancer de la prostate traités par la curiethérapie LDR est étudiée. Premièrement, le logiciel TOPAS a été systématiquement validée pour les simulations MC en curiethérapie en comparant les résultats simulés avec les données de référence TG-186 publiées. Le spectre d'énergie d'émission de photons, l'air-kerma strength et la constante de débit de dose de la source générique $^{192}$Ir MBDCA-WG ont été extraits. Pour les calculs de dose, un estimateur de longueur de trajectoire a été validé. Les quatre cas de test du groupe de travail MBDCA-WG AAPM/ESTRO/ABG ont été évalués. Un cas de prostate, un cas palliatif de poumon et un cas de sein ont été simulés. L'air-kerma strength et la constante de débit de dose étaient respectivement à 0,3% et 0,01% des valeurs de référence. Pour tous les cas de test, 96,9% des voxels avaient des différences de dose locales dans une plage de ±1%, tandis que les différences de dose globales concernaient 99,9% des voxels dans une plage de ±0,1%. Les histogrammes dose-volume des cas cliniques étaient cohérents avec les données de référence. TOPAS offre un accès étendu à un code MC de pointe pour les simulations en curiethérapie. Deuxièmement, un modèle DL à source unique entraîné avec des simulations MC comme référence a été proposé pour prédire avec précision les distributions de dose dans le milieu (D$_\textup{M,M}$ pour dose to medium in medium) en curiethérapie prostatique LDR. Des connaissances antérieures ont été incluses dans le réseau sous forme de noyau r$^2$ lié à l'inverse de la dépendance de dose de premier ordre en curiethérapie. Les caractéristiques du modèle montraient une représentation anisotrope tenant compte des organes du patient et de leurs interfaces, de la position de la source et des régions de faible et haute dose. La métrique CTV D$_{90}$ prédite présentait une différence moyenne de -0,1% par rapport au calcul basé sur MC. La prédiction d'un volume D$_\textup{M,M}$ complet de 1,18 M de voxels se réalise en 1,8 ms. Le modèle DL proposé représente donc un algorithme de calcul extrêmement rapide et simplifié, intégrant des connaissances physiques préexistantes pertinentes à la curiethérapie. Ce modèle est conçu pour tenir compte des caractéristiques anisotropes d'une source de curiethérapie et de la composition spécifique des tissus du patient, garantissant une approche précise et adaptée des calculs de dose. Enfin, deux algorithmes DL prédictifs de dose à plusieurs sources ont été validés pour la curiethérapie prostatique LDR. Les données de référence prenaient en compte les effets d'atténuation entre les sources et une définition des matériaux basée sur les organes du patient. De plus, les incertitudes aléatoires (associées aux données d'entrée) et épistémiques (associées au modèle) des modèles DL ont été évaluées. Les résultats ont montré que la métrique D$_{90}$ de la prostate prédite présentait une différence de -0,64% et de 0,08% pour les modèles UNet et ResUNet TSE, respectivement. Les deux modèles DL prédisaient un volume de dose de 2,56 M de voxels (128×160×128) en 4 ms. L'incertitude dérivée est quantifiable et interprétable, mettant en évidence les régions où les modèles DL pourraient rencontrer des difficultés pour fournir des estimations précises de dose. L'analyse de l'incertitude est un outil précieux pour une évaluation approfondie, améliorant le processus d'évaluation des modèles de prédiction de dose. De plus, cette analyse fournit des informations critiques sur la performance du modèle, identifiant les domaines d'amélioration potentielle et garantissant une application plus fiable dans un contexte clinique. / Brachytherapy, a specialized form of cancer treatment, involves the placement of radioactive sources near or directly within the cancerous lesion. A critical aspect of this therapy is the calculation of radiation dose. Traditionally, this calculation relies on a water-based formalism, which does not adequately account for variations in patient tissue compositions and interseed effects in low-dose rate (LDR) brachytherapy. The Monte Carlo (MC) method is the gold standard for advanced dose calculations in brachytherapy, offering a solution to these limitations. However, the practical application of the MC method in treatment planning is hindered by its relatively slow execution time. This thesis explores the potential of deep learning (DL) methods to overcome this challenge. Specifically, it investigates the feasibility of using DL algorithms to accurately predict the volumetric dose distribution in LDR prostate brachytherapy patients, aiming to streamline the treatment planning process while maintaining the precision of dose calculations. Firstly, the TOPAS MC toolkit was systematically validated for brachytherapy simulations by comparing simulated results with published TG-186 reference data. The photon emission energy spectrum, the air-kerma strength, and the dose-rate constant of the MBDCA-WG generic $^{192}$Ir source were extracted. For dose calculations, a track-length estimator was implemented. The four Joint AAPM/ESTRO/ABG MBDCA-WG test cases were evaluated. A prostate, a palliative lung, and a breast case were simulated. The air-kerma strength and dose-rate constant were within 0.3% and 0.01% of the reference values, respectively. For all test cases, 96.9% of voxels had local dose differences within ±1%. On the other hand, the global dose difference histograms had 99.9% of voxels within ±0.1%. Dose-volume histograms of clinical cases were consistent with the reference data. Overall, TOPAS provides access to a state-of-the-art MC code for brachytherapy simulations. Secondly, a single-seed DL model trained with MC simulations as the gold standard was built to predict accurate single-seed dose to medium in medium (D$_\textup{M,M}$) distributions in LDR prostate brachytherapy. Existing knowledge was included in the network as an r$^2$ kernel related to the inverse of the first-order dose dependency in brachytherapy. DL model features showed an anisotropic representation that considered the patient organs and their interfaces, the source position, and the low- and high-dose regions. The predicted CTV D$_{90}$ metric had an average difference of -0.1% with respect to the MC-based calculation. The single-seed DL model takes 1.8 ms to predict a complete 3D D$_\textup{M,M}$ volume of 1.18 M voxels. The proposed DL model represents a streamlined and rapid computational engine, incorporating pre-existing physics knowledge pertinent to brachytherapy. This engine is designed to consider the anisotropic characteristics of a brachytherapy source and the specific composition of patient tissues, ensuring an accurate, fast, and tailored approach to dose calculations. Lastly, two multi-seed DL-based predictive dose algorithms were trained for LDR prostate brachytherapy. Ground truth data considered interseed effects and an organ-based material assignment. Additionally, the aleatoric (associated with the input data) and epistemic (associated with the model) uncertainties of the DL models were assessed. Results showed that the predicted prostate D$_{90}$ metric had a difference of -0.64% and 0.08% for the UNet and ResUNet TSE models, respectively. Both DL models predicted a 3D dose volume of 2.56 M voxels (128×160×128) in 4 ms. The derived uncertainty is quantifiable and interpretable, highlighting regions where DL models might face challenges in delivering precise dose estimations. The uncertainty analysis is a valuable tool for a thorough evaluation, enhancing the assessment process of the dose prediction models. This analysis provides critical insights into the model's performance, pinpointing areas for potential improvement and ensuring a more reliable application in clinical settings.

Le présent mémoire présente les récents travaux de développement d'un algorithme de calcul de dose monte carlo en brachythérapie implémenté sur GPU (bGPUMCD, GPU Monte Carlo Dose for brachytherapy) ainsi que la validation des résultats et de la performance de celui-ci en vue d'une utilisation clinique future pour les cas de curiethérapie HDR et d'une utilisation académique permettant de remplacer l'utilisation de codes Monte Carlo plus lents dans le domaine académique. Les cas de test définis par le Groupe de travail sur les algorithmes de calcul de dose en curiethérapie (WG-DCAB, Working Group on Dose Calculation Algorithms in Brachytherapy)[1] et quatre cas de patients cliniques représentant des sites de traitement représentatifs sont utilisés pour explorer la précision, la vitesse et les limites de l'algorithme dans une multitude de contextes. bGPUMCD est comparé aux résultats de calcul de dose provenant de plusieurs codes Monte Carlo tel que MCNP6 et ALGEBRA[2]. Les résultats obtenus par bGPUMCD sont dans les limites d'incertitudes requises par les recommandations du Rapport du Groupe de Travail No.186 de l'AAPM (TG-186, Report on the Task Group No.43)[3]. Une simulation en situation de Rapport du Groupe de Travail No.43 de l'AAPM (TG-43, Report on the Task Group No.43)[4] a été effectuée pour trois modèles de source et les fonctions 𝑔𝐿(𝑟) et 𝐹 (𝑟, 𝜃) obtenues correspondent avec une erreur de 2 % aux valeurs de référence à l'exception des grands angles. Nous démontrons aussi que bGPUMCD est capable de simuler une dose cliniquement équivalente à un code Monte Carlo de référence en une fraction du temps ; en fonction des différents paramètres pouvant modifier le temps de calcul, bGPUMCD permet d'obtenir un résultat équivalent à la dose de référence avec un temps de calcul se trouvant entre quelques secondes à quelques minutes par rapport à plusieurs heures pour ALGEBRA.

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 cyclooxygénase-2 (COX-2) a été associée à un mauvais pronostic dans plusieurs cancers. L'objectif de cette étude est d'évaluer si la COX-2 est un facteur pronostique dans le cancer glottique. Cette étude a été effectuée sur des tissus de patients ayant participé à un essai clinique qui évaluait l'efficacité de l'alpha-tocophérol pour réduire la survenue de . seconds cancers primaires (SCP) chez des patients avec un cancer de la tête et du cou. Des analyses immunohistochimiques ont été effectuées sur les biopsies pré-traitement de 301 patients avec un cancer glottique de stade précoce traité par radiothérapie. Les rapports d'incidence (RI) et leurs intervalles de confiance à 95% (le) associés à une surexpression de COX-2 sont de 0,94 (le: 0,55-1,62) pour la récidive et de 1,57 (le: 1,01-2,45) pour la mortalité globale. Pour les SCP, les RI sont de 2,63 (IC : 1,32-5,23) pour les premières 3,5 années de suivi et de 0,55 (IC : 0,22-1,32) pour les 3,5 années subséquentes. En conclusion, la surexpresssion de laCOX-2 dans le cancer du larynx glottique est associée à une augmentation de .la mortalité globale et confère une augmentation du risque de SCP durant les 3,5 premières années de suivi. Des études subséquentes sont nécessaires pour expliquer les effets observés au niveau des SCP. L'expression de la COX-2 pourrait s'avérer utile pour prédire le pronostic d'un patient sur une base individuelle.

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 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.

Le rêve ultime du radiothérapeute a toujours été d’avoir à disposition des technologies capables de délivrer avec une parfaite précision des doses élevées aux volumes tumoraux sans irradier les tissus sains avoisinants. Ce rêve ne deviendra jamais réalité, mais tous les efforts des physiciens, médecins et industriels doivent être combinés pour que la réalité s’approche le plus possible de cette utopie. Depuis le début des années 60 et l’avènement des accélérateurs linéaires d’électrons montés sur des unités de traitement, la technologie en thérapie par photons a évolué énormément. Aujourd’hui, les traitements les plus à la pointe incluent la radiothérapie par modulation d’intensité (« Intensity-Modulated Radiation Therapy » ou IMRT) avec l’aide d’outils d’imagerie hautement sophistiqués. L’IMRT est une technique complexe qui requiert un excellent contrôle de la précision dans toutes les étapes du processus du traitement. Ces étapes peuvent être résumées en trois catégories qui sont 1) l’étalonnage et la stabilité de l’unité de traitement, 2) le positionnement et la qualité des données associées au patient et 3) la précision du calcul de dose effectué lors de la planification du traitement. Pour améliorer l’incertitude globale d’un traitement donné, des efforts de recherche sont nécessaires dans les trois catégories. Cette thèse se concentre sur le processus de calcul de dose. Durant les dernières décennies, la complexité et la précision des algorithmes de dose ont augmenté fortement grâce aux énormes progrès de l’informatique. Malgré cela, l’immense majorité des algorithmes utilisent des méthodes analytiques impliquant des approximations importantes au niveau de la physique de transport des particules. Il est cependant possible de concevoir des algorithmes qui évitent ces approximations en se basant sur des méthodes dites de Monte Carlo (MC) qui simulent fidèlement la réalité physique et qui sont considérées aujourd’hui comme les plus précises de calcul de la dose dans les tissus humains. Malheureusement, jusqu’à récemment, la vitesse des simulations MC était trop lente pour être compatible avec les contraintes de temps liées à la routine clinique. Mais les progrès continus en puissance de calcul combinés avec l’introduction de simplifications pertinentes dans les codes MC permettent d’envisager l’introduction d’algorithmes MC en routine clinique, ce qui est déjà le cas pour plusieurs systèmes de planification de traitement commerciaux. L’objectif de cette thèse était d’évaluer la valeur ajoutée du MC comparé à des algorithmes analytiques modernes pour des traitements IMRT complexes de tumeurs entourées de nombreuses inhomogénéités de densité. Ces évaluations ont été effectuées pour deux techniques de traitement IMRT : « step-and-shoot » et tomothérapie hélicoïdale. Pour l’IMRT « step-and-shoot » délivrée par une unité de traitement Elekta SL25, des simulations MC avec BEAMnrc ont été comparées avec un algorithme commercialisé récemment par la firme Varian appelé « Anisotropic Analytical Algorithm » (AAA). Pour la tomothérapie, une étude similaire a été accomplie mais pour le code utilisé dans le système fourni par « Tomotherapy Incorporated » et basé sur un algorithme de type convolution/superposition utilisant l’approximation « collapsed-cone ». Durant cette seconde étude, la modélisation MC au moyen du code MC PENELOPE était un aspect très important étant donné que c’est la première fois qu’un code MC complet pour la tomothérapie était construit avec tous les détails techniques de la machine fournis par le constructeur. De plus, le modèle MC, appelé TomoPen, a été conçu en vue d’une introduction future dans le système clinique. La vitesse de la simulation était donc une contrainte importante. La stratégie utilisée pour la simulation et adoptée dans TomoPen consiste principalement à simplifier drastiquement le transport des photons dans le collimateur multilames et permet de calculer des distributions de dose dans une tumeur bilatérale de la sphère tête et cou en à peu près 10 heures sur un processeur de 2 GHz, sans perte de précision significative. En utilisant le groupe d’ordinateurs fourni avec chaque unité de traitement de tomothérapie, ce temps de simulation peut être réduit d’un facteur 32, correspondant au nombre de processeurs. Durant cette thèse, la correspondance entre algorithmes analytiques et MC était en général satisfaisante pour la majorité des cas cliniques et expérimentaux étudiés. Cependant, des différences ont pu être observées pour des situations critiques, comme des petites tumeurs pulmonaires ou des tumeurs ethmoïdes. Même si ces déviations n’étaient pas « dramatiques », elles ont pu démontrer clairement le potentiel des algorithmes MC dans la pratique clinique afin d’améliorer la qualité globale et la précision des traitements.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles / La radiothérapie est une approche thérapeutique permettant de délivrer une dose de radiation à une région tumorale. Cependant, cette méthode de traitement peut également affecter les tissus sains environnants, provoquant des effets secondaires indésirables chez les patients. Pour minimiser ces effets secondaires, il est nécessaire de valider les doses de radiation des tissus sains tout en assurant une couverture optimale de la dose à la tumeur. Les dosimètres utilisés pour effectuer ces validations ont en majorité des propriétés qui ne sont pas similaires à celles du milieu de référence en radiothérapie, l'eau. Ainsi, la dose mesurée par le scintillateur doit être ajustée à celle qui serait mesurée dans l'eau sans la présence du dosimètre, ce qui implique que des facteurs de correction doivent être calculés et utilisés pour la validation de la dose. Quoique minimes, les erreurs engendrées par ces coefficients ne sont pas nulles et pourraient avoir un impact sur les incertitudes reliées à la mesure de dose. Dans ce contexte, le besoin d'un dosimètre équivalent à l'eau en milieu clinique est grandissant. En revanche, la plupart des scintillateurs liquides et plastiques équivalents à l'eau contiennent des solvants qui peuvent être néfastes pour la santé des personnes qui doivent les utiliser. Dès lors, en milieu clinique, des mesures de sécurité additionnelles doivent être prises afin de maintenir un environnement sans danger pour le personnel et les patients. Un scintillateur composé en majorité d'eau aurait alors l'avantage d'une meilleure équivalence à l'eau tout en minimisant les effets néfastes sur la santé des utilisateurs et leur environnement. C'est dans ce contexte que le mémoire présenté vise à caractériser de nouveaux types de scintillateurs à base d'eau afin d'explorer leur potentiel et leurs performances pour la mesure de la dose en radiothérapie. La caractérisation de scintillateurs liquides à base d'eau s'avère être l'objectif général présenté dans ce mémoire. Quatre scintillateurs ayant respectivement des concentrations en eau de 0%, 40%, 60% et 80% ont été étudiés. La caractérisation des propriétés physiques de ces scintillateurs a permis d'explorer trois aspects : la dépendance de l'efficacité de scintillation selon la concentration d'eau, la comparaison de l'efficacité de scintillation avec un scintillateur de référence ainsi que l'analyse spectrale des scintillateurs. La caractérisation des propriétés dosimétriques des scintillateurs a permis d'analyser la linéarité de la réponse selon la dose, la dépendance du signal au débit de dose ainsi que la variation de la réponse selon le type et la qualité de faisceau. En troisième lieu, l'aspect volumétrique du scintillateur liquide à base d'eau a été étudié par l'évaluation des distributions de dose à haute énergie. L'évaluation de l'efficacité de scintillation a permis de quantifier la diminution du signal émis avec l'augmentation de la concentration d'eau pour une même dose déposée au scintillateur. Une efficacité de scintillation relative moyenne de 25% a été obtenue pour le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% comparativement au scintillateur n'ayant pas d'eau dans son mélange. En second lieu, il a été possible d'observer que les scintillateurs liquides ayant majoritairement de l'eau comme solvant ont une réponse linéairement proportionnelle à la dose délivrée. Leur réponse ne varie pas selon le débit de dose. Le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% possède la plus faible dépendance selon l'énergie et le type de faisceau, avec une dépendance d'au maximum 4% pour toute la gamme d'énergies en photons, du kilo- au méga-voltage, et d'au maximum 5% pour la gamme d'énergie en électrons explorée. Finalement, il a été possible de valider que les scintillateurs liquides à base d'eau offrent des résultats similaires aux scintillateurs standards lors de mesures de distributions de dose en deux dimensions. Des différences négligeables sont observées entre le scintillateur ayant une concentration en eau de 80% et le scintillateur de référence, le Ultima Gold. / Radiotherapy is a therapeutic approach that involves delivering a dose of radiation to a tumor region. However, this treatment method can also affect surrounding healthy tissues, causing undesirable side effects in patients. To minimize these side effects, it is necessary to validate the radiation doses in healthy tissues while ensuring optimal dose coverage for the tumor. The dosimeters used to perform these validations mostly have properties that are not similar to those of the reference medium in radiotherapy, water. Thus, the dose measured by the scintillator must be adjusted to the one deposited in water without the presence of the dosimeter. This requires correction factors to be calculated and used for dose validation. Although these errors are minimal, they are not negligeable and could have an impact on the uncertainties related to dose measurement. In this context, there is a growing need for a water-equivalent dosimeter in a clinical environment. However, most of the water-equivalent liquid and plastic scintillators contain solvants that can be harmful to the health of people who use them. Therefore, additional safety measures must be taken in a clinical setting to maintain a safe environment for staff and patients. A scintillator composed mostly of water would have the advantage of better water equivalence while minimizing harmful effects on the health of users and their environment. It is in this context that this presented work aims to characterize these new types of water-based scintillators to explore their potential and performance for dose measurement in radiotherapy. The general objective presented in this thesis is the characterization of water-based liquid scintillators. Four scintillators with water concentrations of 0%, 40%, 60%, and 80% were studied. The characterization of the physical properties of these scintillators allowed exploration of three aspects : the dependence of scintillation efficiency on water concentration, comparison of scintillation efficiency with a reference scintillator, and spectral analysis of the scintillators. The characterization of the dosimetric properties of the scintillators allowed analysis of the linearity of the response to dose, the dependence of the signal on dose rate, and the variation in response according to beam type and quality. Finally, the volumetric aspect of the water-based liquid scintillator was studied by evaluating high-energy dose distributions. The evaluation of the scintillation efficiency allowed to quantify the decrease in emitted signal with increasing water concentration for the same deposited dose in the scintillator. An average relative scintillation efficiency of 25% was obtained for the scintillator with an 80% water concentration compared to the scintillator without water in its mixture. Secondly, it was possible to observe that liquid scintillators predominantly composed of water as a solvent exhibit a linearly proportional response to the delivered dose. Their response does not vary with dose rate. The scintillator with an 80% water concentration has the lowest energy and beam type dependence, with a maximum dependence of 4% across the entire range of photon energies from kilo- to mega-volts, and a maximum dependence of 5% within the explored electron energy range. Finally, it was possible to validate that water-based liquid scintillators offer similar results to standard scintillators in two-dimensional dose distribution measurements. Negligible differences are observed between the scintillator with an 80% water concentration and the reference scintillator, Ultima Gold.

Titre de l'écran-titre (visionné le 12 janvier 2024) / La curiethérapie est une modalité de traitement du cancer utilisant le rayonnement ionisant d'une source radioactive. En curiethérapie à haut débit de dose (HDR), un appareil motorisé blindé est utilisé pour guider la source radioactive à proximité ou à l'intérieur de la tumeur par l'intermédiaire d'applicateurs intracavitaires (IC) et/ou de cathéters interstitiels (IS). En s'arrêtant un certain temps (temps d'arrêt) à des positions spécifiques (positions d'arrêt), une dose de rayonnement conforme peut être adminisitrée à la tumeur tout en épargnant les organes à risque (OARs) avoisinants. Cependant, en raison de la nature du rayonnement ionisant, il est impossible d'administrer une dose de radiation curative à la tumeur sans exposer les OARs. Ces objectifs contradictoires doivent donc être optimisés simultanément. Par conséquent, le problème de planification de traitement en curiethérapie est intrinsèquement un problème d'optimisation multicritère (MCO), où de nombreuses solutions optimales (solutions Pareto-optimales) caractérisent les compromis cliniquement importants. Actuellement, les algorithmes commerciaux de planification en curiethérapie sont limités à l'ajustement manuel d'un objectif et/ou des temps d'arrêt. À cet égard, les algorithmes de planification inverse ne peuvent générer qu'un seul plan de traitement par cycle d'optimisation (en quelques secondes de temps de calcul) sans garantie de rencontrer les critères cliniques lors du premier cycle. Cette approche peut rendre la tâche de planification itérative et fastidieuse pour les planificateurs/planificatrices. Par conséquent, la qualité du plan peut dépendre des compétences de l'utilisateur/utilisatrice. En outre, la génération itérative d'un plan de traitement par cycle d'optimisation, comme c'est le cas en clinique, ne permet pas au planificateur/ planificatrice d'explorer facilement les compromis entre le tumeur cible et les OARs. La littérature présente également une lacune importante en ce qui concerne les méthodes d'optimisation permettant d'intégrer efficacement les applicateurs IC/IS complexes récents (par exemple, l'applicateur Venezia fabriqué par Elekta, Veenendaal, Pays-Bas) pour la curiethérapie du cancer du col de l'utérus. Le principal défi pour ces applicateurs complexes est de déterminer automatiquement le nombre optimal de cathéters, leur position et leur profondeur compte tenu du grand nombre de degrés de liberté dans le problème d'optimisation et des grandes variations dans la forme des tumeurs. Pour résoudre ces problèmes, cette thèse propose une nouvelle génération d'algorithmes d'optimisation et de planification interactive pour la curiethérapie. Pour atteindre cet objectif, un algorithme MCO (gMCO) basé sur une unité de processeur graphique (GPU) est d'abord mis en œuvre et comparé à un algorithme de planification inverse standard utilisé en clinique. gMCO met en œuvre un nouveau schéma d'optimisation des plans en parallèle sur l'architecture GPU permettant d'optimiser des milliers de plans Pareto-optimaux en quelques secondes. Ensuite, pour tirer pleinement profit de MCO en clinique, une interface graphique interactive appelée gMCO-GUI est développée. Cette interface permet au planificateur/planificatrice de naviguer et d'explorer les compromis en temps réel à partir des plans Pareto-optimaux générés par gMCO. gMCO-GUI permet entre autre d'afficher les indices dose-volume histogram (DVH), les courbes DVH et les lignes d'isodose pendant la navigation. Pour intégrer le flux de travail MCO dans la clinique, la mise en service de gMCO et de gMCO-GUI est effectuée en comparaison avec Oncentra Prostate et Oncentra Brachy, deux systèmes de planification de traitement largement utilisés. Suite à la mise en service, afin de caractériser l'utilisation de la planification interactive MCO en clinique, une étude inter-observateurs est menée. Deux physiciens/physiciennes expérimentés sont invités à replanifier 20 cas de cancer de la prostate chacun à l'aide de la planification interactive MCO. La qualité des plans préférés (obtenus par navigation) est comparée entre les deux physiciens/ phyciennes et le temps de planification MCO est enregistré. De plus, trois radio-oncologues sont invités à comparer l'aveugle les plans MCO (générés par les physiciens/physiciennes) et les plans cliniques afin d'établir le meilleur plan pour chaque patient. Finalement, motivé par le manque d'algorithmes d'optimisation des cathéters et de la dose dans le traitement du cancer du col de l'utérus dans les logiciels commerciaux et dans la littérature, un nouvel algorithme d'optimisation multicritère des cathéters pour les applicateurs IC/IS complexes tels que l'applicateur Venezia est conçu. Le problème d'optimisation avec l'applicateur Venezia est difficile car les composants de l'applicateur ne sont pas coplanaires. Le gain dosimétrique de l'optimisation simultanée des cathéters et MCO est comparé à MCO seul (cathéters cliniques) et aux plans cliniques basé sur les critères EMBRACE-II. En résumé, une nouvelle génération d'algorithmes d'optimisation et de planification interactive est développée pour la curiethérapie. Les cinq chapitres principaux de cette thèse rapportent les résultats et les contributions scientifiques de ces algorithmes comparés à la planification clinique standard. La thèse guide également les utilisateurs/utilisatrices dans l'intégration du flux de travail MCO interactif dans la clinique. / Brachytherapy is a treatment modality for cancer using ionizing radiation of a radioactive source. In high-dose-rate (HDR) brachytherapy, an afterloading unit is used to guide the radioactive source near or inside the tumor via intracavity (IC) applicators and/or interstitial (IS) catheters. By stopping a specific amount of time (dwell time) at specific positions (dwell positions), a conformal radiation dose can be delivered to the tumor while spearing nearby organs at risk (OARs). However, because of the nature of ionizing radiation, it is in fact impossible to deliver the curative dose to the tumor without exposing OARs. Instead, those conflicting objectives need to be simultaneously optimized. Therefore, the planning problem in HBR is inherently a multi-criteria optimization (MCO) problem, where many optimal solutions (Pareto-optimal solutions) can effectively characterize the clinically relevant trade-offs. Current commercial planning algorithms in HDR brachytherapy are limited to the manual fine-tuning of an objective and/or dwell times. In that regard, inverse planning algorithms can generate only one treatment plan per optimization run (few seconds of optimization time) without guarantee of meeting clinical goals in the first run, which makes the planning task iterative and cumbersome for the planners. Therefore, the plan quality may be dependent on the user skills. Furthermore, iterative generation of one treatment plan per optimization run as done in the clinic does not easily allow the planner to explore the trade-offs between targets and OARs. There is also an important gap in optimization methods in the literature to efficiently incorporate recent complex IC/IS applicators (e.g., the Venezia applicator manufactured by Elekta, Veenendaal, The Netherlands) for cervical cancer brachytherapy. The main challenge for these complex applicators is to automatically determine the optimal IS catheter number, position, and depth given large number of degrees of freedom in the optimization problem and large variations in tumor shapes. To address these problems, this thesis proposes next generation of optimization and interactive planning algorithms for brachytherapy. A graphics processing unit (GPU)-based MCO algorithm (gMCO) is first implemented and compared with a standard inverse planning algorithm used in the clinic. gMCO implements a novel parallel plan optimization scheme on GPU architecture that can optimize thousands of Pareto-optimal plans within seconds. Next, to fully benefit of MCO in the clinic, an interactive graphical user interface called gMCO-GUI is developed to allow the planner to navigate and explore the trade-offs in real-time through gMCO-generated plans. gMCO-GUI enables the display of dose-volume histogram (DVH) indices, DVH curves, and isodose lines during the plan navigation. To incorporate the proposed MCO workflow the clinic, the commissioning of gMCO and gMCO-GUI is conducted against Oncentra Prostate and Oncentra Brachy, two widely used treatment planning systems. Following the commissioning, and to further characterize the utilization of MCO interactive planning in the clinic, an inter-observer study is conducted. Two experienced physicists are asked to re-plan 20 prostate cases each using MCO interactive planning. The quality of the preferred plans (obtained by plan navigation) is compared between the two physicists and the MCO planning time is recorded. In addition, three radiation oncologists are invited to blindly compare MCO plans (generated by physicists) and clinical plans to assess the best plan for each patient. Finally, motivated by the lack of catheter and dose optimization algorithms in the treatment of cervical cancer in commercial software and in the literature, a novel simultaneous catheter optimization and MCO algorithm for complex IC/IS applicators such as the Venezia applicator is designed. The optimization problem with the Venezia applicator is challenging because the applicator components are non coplanar. The dosimetric gain of simultaneous catheter optimization and MCO is compared with MCO alone (clinical catheters), and clinical plans following EMBRACE-II criteria. In summary, next generation of optimization and interactive planning algorithms are developed for brachytherapy. The five main chapters of this thesis report the findings and scientific contributions of these algorithms compared with standard clinical planning. The thesis also guide users in the integration of the proposed interactive MCO workflow in the clinic.