L'imagerie est maintenant partie intégrante des traitements de radiothérapie. Avec la technologie CBCT embarquée sur les appareils de traitement, l'imagerie tomographique permet non seulement de repositionner fidèlement le patient tout au long de son traitement mais aussi d'adapter la planification initiale aux modifications quotidiennes de volume. C'est la radiothérapie adaptative, objet des travaux de cette thèse. Nous avons établi les limites techniques de précision de repositionnement des équipements utilisé. Ensuite, à partir des acquisitions CBCT quotidiennes de patients traités pour la prostate, nous avons élaboré une stratégie de traitement basée sur une banque de plans personnalisés. Nous avons mis au point une méthode semi-automatique de sélection du plan de traitement du jour qui a montré une efficacité supérieure à la sélection par des opérateurs expérimentés. Enfin, nous avons quantifié les doses additionnelles à la dose thérapeutique associées à l'utilisation quotidienne de l'imagerie CBCT. En conclusion, on peut dire qu'avec l'imagerie CBCT embarquée, on peut voir ce que l'on veut traiter, irradier ce que l'on a vu et contrôler ce qu'on a traité. / Imaging is now fully integrated in the radiation therapy process. With on-board CBCT systems, tomography imaging allows not only patient positioning but also treatment planning adaptation with patient anatomy modifications, throughout the entire treatment. This is called adaptive radiation therapy, and is the main subject of this PhD thesis. During this work, we measured the repositioning accuracy of the system used. We also developed a treatment strategy using daily CBCT images and a personalized plan database to adapt treatment plan to patient anatomy. We found a way to select the daily treatment plan that shows superiority over operator selection. Then we also quantified the additional dose delivered while using this technique and the impact with regards to the risks added to patients. As a conclusion, with CBCT imaging, radiation therapy has entered an era where one can see what need to be treated, can treat what has been seen and can control what has been treated.

Objectifs : Notre travail avait pour objectifs (i) d’évaluer le bénéfice dosimétrique et de prédire le bénéfice clinique d’une radiothérapie adaptative pour des cancers des voies aéro‐digestives supérieures, à la fois en termes de toxicité et de contrôle local, (ii) d’identifier les patients bons candidats à une stratégie de radiothérapie adaptative, et (iii) d’identifier le meilleur schéma de radiothérapie adaptative pour épargner les parotides. Matériels et méthodes : Le bénéfice dosimétrique a été évalué en utilisant les données de patients inclus dans une étude de phase III évaluant le bénéfice clinique d’une radiothérapie adaptative. La dose cumulée sans et avec radiothérapie adaptative a été estimée par des méthodes de recalage élastique. Une évaluation des différents algorithmes de recalage a été faite à la fois en termes de précision spatiale et d’impact sur la dose estimée. Des modèles de prédiction du risque de surdosage ont été développés en utilisant des modèles linéaires généralisées mixtes et une validation croisée par leave‐one‐out. L’évaluation de différents schémas de radiothérapie adaptative (en termes de fréquence et de nombre) a été réalisée en se basant sur l’épargne des parotides. La valeur prédictive de paramètres quantitatifs issus de la TEP a été évaluée à travers une revue systématique de la littérature. La valeur prédictive de paramètres intensité issue de la TEP a été analysée dans 2 cohortes indépendantes. Résultats : Nos travaux ont confirmé qu’en l’absence de radiothérapie adaptative pour des cancers des VADS, il existe un risque de surdosage des parotides de plus de 2 Gy pour les 2/3 des patients. Il s’y associe un risque de sous dosage de la tumeur de plus de 1 Gy pour 50 % des patients. Une radiothérapie adaptative permet de corriger à la fois le surdosage des parotides (bénéfice clinique estimée de 10 % de diminution du risque de xérostomie) et le sous dosage de la tumeur. Basés sur des paramètres issus de la planification et de la première semaine de traitement, des modèles de prédiction du risque de sur dosage des parotides ou de sous dosage de la tumeur ont été développés. Les paramètres TEP prédictifs du risque de récidive ont été identifiés. Un nomogramme a pu être développé et validé dans une 2nd cohorte de patients. Conclusion : Nos travaux confirment le bénéfice d’une radiothérapie adaptative pour épargner les parotides et maintenir la couverture tumorale. Ce bénéfice dosimétrique devrait permettre une diminution de la toxicité et une amélioration du contrôle local. Des paramètres anatomiques et dosimétriques simples permettent l’identification des patients à risque de surdosage des parotides ou de sous dosage de la tumeur. L’utilisation de la TEP permet d’identifier précocement les patients à haut risque de récidive, candidats potentiels à une intensification thérapeutique. Ces résultats justifient la poursuite des travaux sur une cohorte de patients plus importante, idéalement dans le cadre d’études cliniques de phase III. / Objectifs: The aims of this work were (i) to evaluate the dosimetric benefit and to predict the clinical benefit of adaptive radiotherapy for head and neck cancer, regarding both toxicities and local control, (ii) to identify patients whose good candidate for an adaptive strategy, and (iii) to identify the best adaptive strategy to spare the parotid glands. Materials and methods: The dosimetric benefit was assessed using data from a phase III study evaluating the clinical benefit of an adaptive radiotherapy. Cumulated dose with and without adaptive was estimated using deformable image registration. Different methods of deformable image registration were evaluated regarding both spatial and dose estimation accuracy. Predictive model of the risk of parotid gland overdose was computed using generalized linear mixed model and cross validation by leave‐one‐out. The dosimetric benefit of numerous replanning strategies, defined by various numbers and timing of replanning, with regard to parotid gland sparing, was quantified. We performed a systematic review to evaluate the predictive value of quantitative PET parameters. The predictive value of PET intensity parameters was assessed using two independent cohorts of patients. Résultats: Without adaptive radiotherapy, 65% of the patients had a PG overdose of more than 2 Gy and 50% of the patients had a tumor underdose of more than 1 Gy. Adaptive radiotherapy allows to correct both parotid gland overdose and tumor underdose. Based on parameters calculated at the planning and at the first week of treatment, predictive models of PG overdose and tumor underdose were computed. PET parameters correlated with overall survival were identified. Using two independent cohorts of patients, a nomogram to predict survival was build and externally validated. Conclusion: Our studies showed the benefit of adaptive radiotherapy to spare the parotid glands while increasing tumor coverage. These benefits should allow to decrease the toxicities while increasing local control. Early anatomical and dosimetric parameters allow identifying patients at risk of tumor underdose or parotid gland overdose. PET performed before the treatment allows identifying patients with a high‐risk of locoregional failure and death, potentially candidates for treatment. These results justify further studies on a larger cohort of patients, ideally in phase III clinical trials.

Ces travaux portent sur l'optimisation de la planification en radiothérapie prostatique et ORL. De façon à améliorer le calcul dosimétrique, la méthode de calcul de dose dite « Pencil beam » a d'abord été modifiée en considérant un système de coordonnées sphériques, en améliorant le mode de correction des hétérogénéités et en accélérant le calcul en effectuant les opérations de convolution grâce à la transformée de Fourier rapide. L'approche proposée a été comparée aux méthodes classiques en utilisant différents fantômes numériques. Cette évaluation a démontré la précision de la méthode proposée ainsi que l'accélération des calculs d'un facteur 40 par la méthode utilisant la transformée de Fourier, au prix toutefois d'une dégradation de la précision des résultats. Dans un second temps, l'incorporation de critères biologiques lors de l'optimisation du plan de traitement a été mise en œuvre à travers l'équivalent convexe du modèle NTCP (probabilité de toxicité des tissus sains) et son optimisation. L'évaluation de cette approche a été réalisée sur les données de dix patients traités pour un cancer de la prostate et a montré que la méthode proposée produit des planifications cliniquement satisfaisantes avec de meilleurs résultats en termes de toxicité prédite. Une méthode de compensation des incertitudes géométriques survenant lors du traitement a aussi été proposée, reposant sur une décomposition en séries de Taylor et un filtre de Butterworth. Son évaluation a montré son efficacité en termes de réduction des oscillations de haute fréquence ainsi que de présence de points chauds et froids. Enfin, dans un contexte de radiothérapie adaptative en ORL, une étude permettant d'identifier le scénario optimal de replanification, c'est-à-dire le nombre et les moments des replanifications, a été menée. Les critères de comparaison considérés reposaient sur le calcul de la dose cumulée reçue notamment par les parotides lors du traitement complet. L'efficacité des replanifications a ainsi été démontrée, avec par exemple une diminution du risque de toxicité de 9% pour le scénario optimal. Les perspectives de ce travail concernent la combinaison de ces méthodes dans un processus complet de planification pour évaluer leur impact dans un contexte clinique. / This work focuses on the optimization of planning in prostate and head-and-neck radiation therapy. In order to improve the dose calculation, the Pencil Beam method was firstly modified by considering a spherical coordinate system, by improving the heterogeneities correction method and by accelerating the calculation by performing the convolution operations using the Fast Fourier Transform. The proposed approach was compared to conventional methods using different numerical phantoms. This evaluation demonstrated the accuracy of the proposed method and the acceleration of the calculations by a factor 40 by the method using the Fast Fourier Transform, but at the cost of deterioration in the accuracy of the results. In a second step, the incorporation of biological criteria in the optimization of the treatment plan has been implemented through an equivalent convex NTCP constraints and its optimization. The evaluation of this approach has been performed on the data of ten patients treated for prostate cancer and has shown that the proposed method produces clinically satisfactory plans with better results in terms of predicted toxicity. A method to compensate geometric uncertainties occurring during treatment has also been proposed, based on the expansion in series of Taylor and a Butterworth filter. Its evaluation has shown its effectiveness in reducing high-frequency oscillations as well as the presence of hot and cold spots. Finally, in the context of adaptive radiotherapy in head and neck, a study was conducted to identify the optimal scenario of replannings, i.e. the number and timing of replannings. The comparison criteria were based on the calculation of the cumulative dose received by the parotid during the whole treatment. The effectiveness of the replanning has been demonstrated, for example with a decreased risk of toxicity 9% for the optimal scenario. The perspectives of this work relate to the combination of these methods in a comprehensive planning process to assess their clinical impact.

La radiothérapie moderne combine les techniques complexes et les traitements personnalisés, avec le risque que certaines évolutions et erreurs ayant lieu au cours de traitement passent inaperçues. Ces aléas peuvent entraîner des conséquences graves pour la santé du patient. Dans cette perspective, nous avons étudié le potentiel d'un système de dosimétrie in vivo de transit pour le suivi continu du patient et, par conséquent, la radiothérapie adaptative. L'expérience clinique et des tests de faisabilité ont permis de définir les axes de travail principaux: l'automatisation et la simplification du procédé d'analyse des contrôles. Les développements incluent la création d'une bibliothèque de données standard et une série d'analyses de causes racines, permettant ainsi de renforcer la précision du système, d'améliorer l'automatisation de sa mise en place et d'identifier des pistes pour une analyse efficace des résultats et pour la création d'outils supplémentaires facilitant le suivi et l'adaptation du traitement en routine clinique. / Modern radiation therapy combines complex techniques and personalized treatments, with the risk that certain evolutions and errors occurring during the course of the treatment might go unnoticed. These fluctuations may cause great damage to the health of the patient. In this perspective, we worked on the potential of a transit in vivo dosimetry system for continuous monitoring of the patient and, hereafter, adaptive radiotherapy. Our clinical experience and feasibility testing determined the main lines of work : automatization and simplification of the results analysis method. The developments included the creation of a golden data library and a series of root cause analyzes, allowing us to strengthen the accuracy of the system, to enhance the automatization of the setup and to identify tracks for an efficient analysis of the results and for the creation of additional analytical tools to facilitate the monitoring and adaptation of the treatments in clinical routine.

En radiothérapie externe, le traitement est administré au patient avec une séance chaque jour en utilisant le traitement établi en amont et répété jusqu’à la fin du traitement. La planification du traitement est établie par un système de planification du traitement (TPS) qui utilise des informations basées sur l’anatomie du patient (CT, IRM, TEP) et un calcul de dose. L'intégration aux unités de traitement des dispositifs d´ imagerie embarquée peuvent être utilisées pour vérifier la position du patient et son anatomie (dispositif d’imagerie Portal Électronique - EPID-, tomodensitométrie à faisceau conique - CBCT -). L'objectif principal est de fournir une solution robuste pour la routine afin de contrôler la dose délivrée au patient avec la dose prévue établie à partir du TPS. La première partie de ce travail consiste à intégrer une comparaison d'images EPID pour chaque fraction par rapport à la fraction planifiée (images CT) en acceptant, rejetant ou ignorant la différence de position et de niveau de dose du patient selon une tolérance seuil définie par l’utilisateur. La deuxième partie consiste à utiliser l´ imagerie volumique embarquée pour reconstruire la dose délivrée fraction par fraction en réalisant un calcul de dose. Avec la dose reçue par le patient jour après jour, sur la base de nouveaux indicateurs, il est possible d’établir une traçabilité permettant d’identifier les déviations et d’évaluer la qualité du traitement.Pour conclure, ces nouveaux indicateurs permettraient une double traçabilité : d'une part l'amélioration du calcul de dose puis l'efficacité du traitement ; d´ autre part, la sécurité du traitement et de la technique utilisée. / In external radiation therapy, the treatment is delivered to the patient with a fraction every day using the treatment established before and repeated until the end of the treatment. Treatment planning is establish using anatomical information of the patient and a dose calculation. New technologies already integrated to the treatment units can be used to check the positioning of the patient and anatomical information (Electronic Portal Imaging Device - EPID-, Cone Beam Computed Tomography - CBCT - ).The main goal is to develop a system to control the dose delivered to the patient from the dose establish with the TPS.The first aim of this work is to integrate portal images to compare and assess the position of the patient at each fraction to the planned one (CT images) by accepting, rejecting or ignoring the patient positioning and dose level discrepancy according to a tolerance threshold defined by the user. The second aim is to integrate on boardimaging to reconstruct the delivered dose using a dose calculation. Following the dose received by the patient day after day, based on new indicators, it can be established a traceability to identify deviation and assess treatment quality.To conclude, these new indicators would allow a double traceability : in one hand the improvement of the calculation and then the efficiency of the treatment ; in another hand the safety of the treatment and the technique used.

Dans une démarche d'évaluation rigoureuse des innovations technologiques de la radiothérapie, notre travail de thèse a été construit autours de 2 thématiques : 1) Evaluation clinique des résultats de la radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (RCMI) appliquée au traitement des cancers ORL. La première étude rapporte les conclusions d'un enregistrement prospectif monocentrique du devenir au long cours des patients ORL traités par RCMI. Le contrôle locorégional est excellent et les niveaux de toxicité faibles. Des recommandations dosimétriques (dose aux parotides) adaptées à nos pratiques ont été établies. La deuxième étude rapporte les résultats d'une comparaison nationale multicentrique de la qualité de vie des patients traités pour un cancer ORL, soit par radiothérapie conventionnelle, soit par RCMI. Le bénéfice de la RCMI est remarquable dans les domaines du confort de la sphère buccale et de la prise alimentaire orale. 2) Evaluation de l'apport de l'imagerie embarquée (Cone Beam CT ou CBCT) dans la prise en charge des patients traités par RCMI pour un cancer ORL. Un premier projet propose, sur un panel de patients ORL traités par RCMI, le contrôle qualité de la distribution de la dose réellement délivrée. Le retentissement dosimétrique des variations anatomiques est discuté. L'apport d'outils dosimétriques spécifiques est étudié. Le second projet a pour objectif de quantifier la mobilité relative des régions anatomiques qui composent la sphère ORL et d'étudier l'impact dosimétrique lié au choix de différentes procédures de recalage. Une recommandation sur les modalités d'utilisation des images CBCT a pu être proposée. / Numerous and exciting technological innovations were recently developed in radiotherapy. We aimed to assess benefits in two specific fields. 1) Clinical results of Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) applied to the treatment of Head and Neck (H&N) patients. The first study was a long-term monocentric prospective registration of all H&N patients treated with IMRT in our institution. Locoregional control was excellent and toxicities limited. Recurrences were in-field. Dosimetric recommendations (parotids mean dose) were established. The second study assessed the impact of IMRT on health-related quality of life for H&N patients through a multicentric matched-pair comparison with conventional radiotherapy. Outstanding benefits were observed particularly in the fields of salivary dysfunction and oral discomfort. 2) Contribution of Image Guided Radiotherapy (IGRT) in the management of H&N patients treated with IMRT. The first study was a monitoring of delivered dose, using 3D dose recalculation from Megavoltage Cone-Beam CT (CBCT), as a quality assurance measure of a panel of H&N IMRT patients aligned with IGRT. Dosimetric consequences of anatomical changes were assessed. Contribution of color-coded MVCBCT dose-difference maps was studied. The aim of the second study was to quantify the inherent relative mobility between anatomic regions of the H&N area and to assess the dosimetric impact of several different matching procedures. Recommendations for the use of CBCT images in a daily practice were established.

Le but de la radiothérapie est d’irradier les cellules cancéreuses tout en préservant au maximum les tissus sains environnants. Or, dans le cas du cancer du poumon, la respiration du patient engendre des mouvements de la tumeur pendant le traitement. Une solution possible est de repositionner continuellement le faisceau d’irradiation sur la cible tumorale en mouvement. L’e cacité et la sûreté de cette approche reposent sur la localisation précise en temps réel de la tumeur. Le suivi indirect consiste à inférer la position de la cible tumorale à partir de l’observation d’un signal substitut, visible en continu sans nécessiter de rayonnement ionisant. Un modèle de corrélation spatial doit donc être établi. Par ailleurs, pour compenser la latence du système, l’algorithme de suivi doit pouvoir également anticiper la position future de la cible. Parce que la respiration du patient varie dans le temps, les modèles de prédiction et de corrélation peuvent devenir imprécis. La prédiction de la position de la tumeur devrait alors idéalement être complétée par l’estimation des incertitudes associées aux prédictions. Dans la pratique clinique actuelle, ces incertitudes de positionnement en temps réel ne sont pas explicitement prédites. Cette thèse de doctorat s’intéresse au contrôle en temps réel de la précision du suivi indirect de tumeurs mobiles en radiothérapie. Dans un premier temps, une méthode bayésienne pour le suivi indirect en radiothérapie est développée. Cette approche, basée sur le filtre de Kalman, permet de prédire non seulement la position future de la tumeur à partir d’un signal substitut, mais aussi les incertitudes associées. Ce travail o re une première preuve de concept, et montre également le potentiel du foie comme substitut interne, qui apparait plus robuste et fiable que les marqueurs externes communément utilisés dans la pratique clinique. Dans un deuxième temps, une adaptation de la méthode est proposée afin d’améliorer sa robustesse face aux changements de respiration. Cette innovation permet de prédire des régions de confiance adaptatives, capables de détecter les erreurs de prédiction élevées, en se basant exclusivement sur l’observation du signal substitut. Les résultats révèlent qu’à sensibilité élevée (90%), une spécificité d’environ 50% est obtenue. Un processus de validation innovant basé sur ces régions de confiance adaptatives est ensuite évalué et comparé au processus conventionnel qui consiste en des mesures de la cible à intervalles de temps fixes et prédéterminés. Une version adaptative de la méthode bayésienne est donc développée afin d’intégrer des mesures occasionnelles de la position de la cible. Les résultats confirment que les incertitudes prédites par la méthode bayésienne permettent de détecter les erreurs de prédictions élevées, et démontrent que le processus de validation basé sur ces incertitudes a le potentiel d’être plus e cace que les validations régulières. Ces approches bayésiennes sont validées sur des séquences respiratoires de volontaires, acquises par imagerie par résonance magnétique (IRM) dynamique et interpolées à haute fréquence. Afin de compléter l’évaluation de la méthode bayésienne pour le suivi indirect, une validation expérimentale préliminaire est conduite sur des données cliniques de patients atteints de cancer du poumon. Les travaux de ce projet doctoral promettent une amélioration du contrôle en temps réel de la précision des prédictions lors des traitements de radiothérapie. Finalement, puisque l’imagerie ultrasonore pourrait être employée pour visualiser les substituts internes, une étude préliminaire sur l’évaluation automatique de la qualité des images ultrasonores est présentée. Ces résultats pourront être utilisés ultérieurement pour le suivi indirect en radiothérapie en vue d’optimiser les acquisitions ultrasonores pendant les traitements et faciliter l’extraction automatique du mouvement du substitut. / The goal of radiotherapy is to irradiate cancer cells while maintaining a low dose of radiation to the surrounding healthy tissue. In the case of lung cancer, the patient’s breathing causes the tumor to move during treatment. One possible solution is to continuously reposition the irradiation beam on the moving target. The e ectiveness and safety of this approach rely on accurate real-time localization of the tumor. Indirect strategies derive the target positions from a correlation model with a surrogate signal, which is continuously monitored without the need for radiation-based imaging. In addition, to compensate for system latency, the tracking algorithm must also be able to anticipate the future position of the target. Because the patient’s breathing varies over time, prediction and correlation models can become inaccurate. Ideally, the prediction of the tumor location would also include an estimation of the uncertainty associated with the prediction. However, in current clinical practice, these real-time positioning uncertainties are not explicitly predicted. This doctoral thesis focuses on real-time control of the accuracy of indirect tracking of mobile tumors in radiotherapy. First, a Bayesian method is developed. This approach, based on Kalman filter theory, allows predicting both future target motion in real-time from a surrogate signal and associated uncertainty. This work o ers a first proof of concept, and also shows the potential of the liver as an internal substitute as it appears more robust and reliable than the external markers commonly used in clinical practice. Second, an adaptation of the method is proposed to improve its robustness against changes in breathing. This innovation enables the prediction of adaptive confidence regions that can be used to detect significant prediction errors, based exclusively on the observation of the surrogate signal. The results show that at high sensitivity (90%), a specificity of about 50% is obtained. A new validation process based on these adaptive confidence regions is then evaluated and compared to the conventional validation process (i.e., target measurements at fixed and predetermined time intervals). An adaptive version of the Bayesian method is therefore developed to valuably incorporate occasional measurements of the target position. The results confirm that the uncertainties predicted by the Bayesian method can detect high prediction errors, and demonstrate that the validation process based on these uncertainties has the potential to be more e cient and e ective than regular validations. For these studies, the proposed Bayesian methods are validated on respiratory sequences of volunteers, acquired by dynamic MRI and interpolated at high frequency. In order to complete the evaluation of the Bayesian method for indirect tracking, experimental validation is conducted on clinical data of patients with lung cancer. The work of this doctoral project promises to improve the real-time control of the accuracy of predictions during radiotherapy treatments. Finally, since ultrasound imaging could be used to visualize internal surrogates, a preliminary study on automatic ultrasound image quality assessment is presented. These results can later be used for indirect tracking in radiotherapy to optimize ultrasound acquisitions during treatments and facilitate the automatic estimation of surrogate motion.

Dans le contexte du traitement du cancer de la prostate, l’utilisation de la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) pour la radiothérapie guidée par l’image, éventuellement adaptative, présente certaines difficultés en raison du faible contraste et du bruit important dans les images pelviennes. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter des contributions méthodologiques pour le recalage automatique entre l’image scanner CT de référence et l’image CBCT acquise le jour du traitement. La première partie de nos contributions concerne le développement d’une stratégie de correction du positionnement du patient à l’aide du recalage rigide (RR) CT/CBCT. Nous avons comparé plusieurs algorithmes entre eux : (a) RR osseux, (b) RR osseux suivi d’un RR local dans une région qui correspond au clinical target volume (CTV) de la prostate dans l’image CT élargie d’une marge allant de 1 à 20 mm. Une analyse statistique complète des résultats quantitatifs et qualitatifs utilisant toute la base de données, composée de 115 images cone beam computed tomography (CBCT) et de 10 images computed tomography (CT) de 10 patients atteints du cancer de la prostate, a été réalisée. Nous avons également défini une nouvelle méthode pratique et automatique pour estimer la distension rectale produite dans le voisinage de la prostate entre l’image CT et l’image CBCT. A l’aide de notre mesure de distension rectale, nous avons évalué l’impact de la distension rectale sur la qualité du RR local et nous avons fourni un moyen de prédire les échecs de recalage. Sur cette base, nous avons élaboré des recommandations concernant l’utilisation du RR automatique pour la localisation de la prostate sur les images CBCT en pratique clinique. La seconde partie de la thèse concerne le développement méthodologique d’une nouvelle méthode combinant le recalage déformable et la segmentation. Pour contourner le problème du faible rapport qualité/bruit dans les images CBCT qui peut induire le processus de recalage en erreur, nous avons imaginé une nouvelle énergie composée de deux termes : un terme de similarité globale (la corrélation croisée normalisée (NCC) a été utilisée, mais tout autre mesure de similarité pourrait être utilisée à la place) et un terme de segmentation qui repose sur une adaptation locale du modèle de l’image homogène par morceaux de Chan-Vese utilisant un contour actif dans l’image CBCT. Notre but principal était d’améliorer la précision du recalage comparé à une énergie constituée de la NCC seule. Notre algorithme de recalage est complètement automatique et accepte comme entrées (1) l’image CT de planification, (2) l’image CBCT du jour et (3) l’image binaire associée à l’image CT et correspondant à l’organe d’intérêt que l’on cherche à segmenter dans l’image CBCT au cours du recalage. / The use of CBCT imaging for image-guided radiation therapy (IGRT), and beyond that, image-guided adaptive radiation therapy (IGART), in the context of prostate cancer is challenging due to the poor contrast and high noise in pelvic CBCT images. The principal aim of the thesis is to provide methodological contributions for automatic intra-patient image registration between the planning CT scan and the treatment CBCT scan. The first part of our contributions concerns the development of a CBCT-based prostate setup correction strategy using CT-to-CBCT rigid registration (RR). We established a comparison between different RR algorithms: (a) global RR, (b) bony RR, and (c) bony RR refined by a local RR using the prostate CTV in the CT scan expanded with 1- to-20-mm varying margins. A comprehensive statistical analysis of the quantitative and qualitative results was carried out using the whole dataset composed of 115 daily CBCT scans and 10 planning CT scans from 10 prostate cancer patients. We also defined a novel practical method to automatically estimate rectal distension occurred in the vicinity of the prostate between the CT and the CBCT scans. Using our measure of rectal distension, we evaluated the impact of rectal distension on the quality of local RR and we provided a way to predict registration failure. On this basis, we derived recommendations for clinical practice for the use of automatic RR for prostate localization on CBCT scans. The second part of the thesis provides a methodological development of a new joint segmentation and deformable registration framework. To deal with the poor contrast-to-noise ratio in CBCT images likely to misguide registration, we conceived a new metric (or enery) which included two terms: a global similarity term (the normalized cross correlation (NCC) was used, but any other one could be used instead) and a segmentation term based on a localized adaptation of the piecewise-constant region-based model of Chan-Vese using an evolving contour in the CBCT image. Our principal aim was to improve the accuracy of the registration compared with an ordinary NCC metric. Our registration algorithm is fully automatic and takes as inputs (1) the planning CT image, (2) the daily CBCT image and (3) the binary image associated with the CT image and corresponding to the organ of interest we want to segment in the CBCT image in the course of the registration process.