Search

L’appareil de radiochirurgie CyberKnife performe des traitements avancés de radiothérapie qui offrent des avantages nets pour certains types de cancer. Or, cet appareil produit uniquement des petits faisceaux circulaires ce qui complexifie les procédures de dosimétrie en milieu clinique. En effet, en conditions de petits champs, les diverses perturbations au niveau du détecteur peuvent être très grandes. Ainsi, l’utilisation de la méthode Monte Carlo est nécessaire lors de l’étalonnage et la caractérisation de faisceaux. Ces processus, lors desquels des valeurs de dose de référence et relative sont mesurées et entrées dans les systèmes de planification de traitement, assurent l’efficacité des traitements ainsi que la sécurité des patients. Cette thèse porte sur la modélisation Monte Carlo du CyberKnife M6 et étudie diverses applications à la dosimétrie de petits champs de radiothérapie. En premier lieu, une nouvelle méthode permettant la correction de la dépendance au débit de dose des diodes au silicium est proposée. Cette dernière est validée puis appliquée à des mesures relatives effectuées au CyberKnife du Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Les résultats illustrent la correction de l’erreur systématique induite dans les mesures due à la dépendance au débit de dose de la diode considérée. La méthode proposée fournit alors une solution efficace à cette problématique. En second lieu, une méthode pour l’optimisation des paramètres sources requis en entrée lors de la modélisation Monte Carlo de faisceaux de radiothérapie est introduite. Cette dernière est basée sur une approche probabiliste portant sur la comparaison de mesures et de simulations pour divers détecteurs, et permet la détermination de l’énergie du faisceau d’électrons incident sur la cible d’un appareil, ainsi que de la largeur à mi-hauteur de sa distribution radiale. La méthode proposée, qui est appliquée au CyberKnife du CHUM, fournit une nouvelle approche permettant l’optimisation d’un modèle Monte Carlo d'un faisceau ainsi que l’estimation des incertitudes sur ses paramètres sources. En troisième lieu, le modèle de faisceau du CyberKnife développé est utilisé afin d’estimer l’impact des incertitudes des paramètres sources sur diverses fonctions dosimétriques couramment utilisées en milieu clinique, ainsi que sur des distributions de dose obtenues par simulation de plans de traitement. Les résultats illustrent l’augmentation de l’impact des incertitudes du modèle de faisceau avec la réduction de la taille de champ, et fournissent une nouvelle perspective sur la précision de calcul atteignable pour ce type de calcul de dose Monte Carlo en petits champs. En quatrième lieu, les protocoles de dosimétrie TG-51 (version adaptée du manufacturier) et TRS-483 sont respectivement appliqués et comparés pour l’étalonnage du CyberKnife M6 se trouvant au CHUM. Il est observé que le TRS-483 est cohérent avec le TG-51. Des facteurs de correction de la qualité et corrigeant pour les effets de moyenne sur le volume propres au CyberKnife du CHUM sont estimés par simulations Monte Carlo pour une chambre à ionisation Exradin A12. Les résultats illustrent que la valeur générique fournie dans le TRS-483 pourrait être surestimée en comparaison à notre modèle de CyberKnife et que cette surestimation pourrait être due à la composante de moyenne sur le volume., The CyberKnife radiosurgery system performs advanced radiotherapy treatments that offer clear benefits for certain types of cancer. However, this device produces small circular fields only, which complicates dosimetry procedures in a clinical environment. Indeed, under small field conditions, the various perturbations at the detector level can become very large. Thus, the use of the Monte Carlo method is necessary when calibrating and characterizing beams. Such processes, during which reference and relative dose values are measured and entered into treatment planning systems, ensure the validity of treatments as well as patient safety. This thesis focuses on the Monte Carlo modeling of the CyberKnife M6 and studies various applications to small photon fields dosimetry. Firstly, a new method for the correction of the dose rate dependency of silicon diode detectors is proposed. The latter is validated and applied to relative measurements performed at the CyberKnife of the Centre hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM). Results illustrate the correction of the systematic error induced in the measurements due to the dose rate dependency of the considered diode. The proposed method provides an efficient solution to this issue. Secondly, a method for the optimization of the source parameters required as input during Monte Carlo beam modeling is introduced. The latter is based on a probabilistic approach and on the comparison of measurements and simulations for various detectors. The method allows the determination of the energy of the electron beam incident on the target of a linac, as well as the full width at half-maximum of its radial distribution. The proposed method, which is applied to the CyberKnife unit of the CHUM, provides a new approach for the optimization of a Monte Carlo beam model and a way to estimate the uncertainties on its source parameters. Thirdly, the developed CyberKnife beam model is used to estimate the impact of source parameter uncertainties on various dosimetric functions commonly used in the clinic environment, and on dose distributions obtained by simulation of treatment plans. Results illustrate the increase of the impact of beam modeling uncertainties with the decrease of the field size, and provide insights on the reachable calculation accuracy for this type of Monte Carlo dose calculation in small fields. Lastly, the TG-51 (manufacturer’s adapted version) and TRS-483 dosimetry protocols are respectively applied and compared for the calibration of the CHUM’s CyberKnife. We observe that TRS-483 is consistent with TG-51. Beam quality and volume averaging correction factors specific to the CHUM's CyberKnife are estimated using Monte Carlo simulations for an Exradin A12 ionization chamber. Results illustrate that the generic value provided in the TRS-483 could be overestimated in comparison to our CyberKnife model and that this overestimation could be due to the volume averaging component.

Evolution of radiotherapy techniques, in particular with the advent of stereotactic treatments, led to an increased use of small radiation beams allowing a better dose conformation to the volume while sparing the surrounding normal tissues. As a consequence, clinical conditions are significantly different from the reference conditions in terms of absorbed dose in water at a point, as described in international protocols. The loss of traceability thus observed leads to an increased uncertainty of the dose delivered to the patient. In order to overcome the difficulties of absorbed dose traceability in small fields, the Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) suggests an innovative approach. Instead of considering a point measurement, an integrated measurement over an area larger than the irradiation field was adopted through another quantity: the Dose Area Product (DAP). This thesis presents the establishment of primary standards in terms of Dose Area Product in water (DAPw) for square and circular field sizes less than or equal to 15 mm side or diameter. In order to transfer these new dosimetric standards to users, three plane-parallel ionization chambers with the same sensitive area than the large graphite calorimeter of the LNHB were constructed and calibrated against the newly established primary standards, with a standard uncertainty on the calibration coefficient of less than 0.7% (k=1). For field sizes between 5 mm and 15 mm, the three chambers show the same behavior, with a calibration coefficient that is independent of the field shape on the one hand and that increases slightly, about 1.7% on average, with the field size on the other hand. These promising results pave the way for a paradigm shift in small field dosimetry.In order to progress towards the clinical use of DAP, in particular through the measurement of field output correction factors (OF), a comparison was made between the classical approach of point measurement corrected by the factors provided by the IAEA TRS 483 protocol, and the absorbed dose at a point deduced from the DAP thanks to the knowledge of the two-dimensional mapping of the beam, which is accessible with radiochromic films. In that way, a new optical instrument dedicated to radiochromic films reading, compatible with a metrological application, was also developed in this thesis. Once adopted, this new approach would improve the parameterization of the treatment planning system (TPS), which is an essential link in the radiotherapy treatment chain.; L'évolution des techniques de radiothérapie, en particulier avec l’avènement des traitements stéréotaxiques, a conduit à accroître l'utilisation de petits faisceaux d’irradiation permettant de se conformer au mieux au volume à traiter tout en minimisant l’irradiation des tissus sains environnants. Ce faisant, les conditions cliniques s'éloignent significativement des conditions de référence en dose absorbée dans l’eau en un point, telles que décrites dans les protocoles internationaux. La perte de traçabilité ainsi constatée conduit à une augmentation de l’incertitude sur la dose délivrée au patient. Afin de contourner les difficultés de traçabilité de la dose absorbée en petits champs, le Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) a proposé d’utiliser une approche novatrice. Au lieu de considérer une mesure en un point, une mesure intégrée sur une surface plus grande que le champ d'irradiation a été adoptée au travers d’une autre grandeur : le Produit Dose Surface (Dose Area Product ou DAP). Le travail présenté dans cette thèse porte sur la réalisation de références dosimétriques primaires en Produit Dose Surface dans l’eau (DAPw) pour des tailles de champs carrés et circulaires inférieures ou égales à 15 mm de côté ou de diamètre. En vue du transfert de ces nouvelles références dosimétriques à l’utilisateur, trois chambres d’ionisation plates de même surface sensible que le calorimètre graphite de grande section du LNHB ont été construites et étalonnées par rapport à la référence primaire nouvellement établie, avec une incertitude-type sur le coefficient d’étalonnage inférieure à 0.7% (k=1). Pour les tailles de champs comprises entre 5 mm et 15 mm, les trois chambres présentent le même comportement, avec un coefficient d’étalonnage indépendant de la forme du champ d’une part et qui augmente légèrement, de l’ordre de 1.7% en moyenne, avec la taille de champ d’autre part. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à un changement de par adigme pour la dosimétrie en petits champs.Afin de progresser en direction de l’utilisation clinique du DAP, en particulier au travers des mesures de facteurs d’ouverture du collimateur (FOC), une comparaison a été effectuée entre l’approche classique de la mesure en un point corrigée des facteurs fournis par le protocole IAEA TRS 483, et la dose absorbée en un point déduite du DAP grâce à la connaissance de la cartographie à deux dimensions du faisceau, accessible avec des films radiochromiques. C’est pour cette raison qu’il a été aussi développé dans cette thèse un nouvel instrument optique dédié à la lecture des films radiochromiques, compatible avec une application métrologique. Une fois adoptée, cette nouvelle approche permettrait d’améliorer le paramétrage des logiciels de planification de traitement (TPS), qui est un maillon essentiel de la chaîne de traitement en radiothérapie.

La radiothérapie guidée par résonance magnétique promet une administration de dose plus précise que les techniques conventionnelles puisqu’elle permet une visualisation en temps réel des structures internes avant et pendant le traitement. Cependant, la dosimétrie doit être réalisée en présence de champs magnétiques. Alors que le champ magnétique n’affecte pas le transport des particules neutres, il affecte le transport des particules chargées secondaires en raison de la force de Lorentz, qui modifie le champ de rayonnement et la réponse de dose du détecteur. Cette thèse vise à comprendre l’effet du champ magnétique sur la réponse de dose du détecteur, à la caractériser et à fournir des facteurs de correction de qualité prenant en compte l’impact du champ magnétique. Dans le premier article, quatre chambres d’ionisation à petite cavité ont été caractérisées via des simulations de Monte Carlo et des mesures expérimentales. Il a été constaté que le champ magnétique accentuait tous les détails géométriques. Une description précise du volume sensible effectif est cruciale dans les simulations. De plus, la géométrie modélisée doit être aussi proche que possible de la géométrie réelle, y compris les couches d’air internes. Des facteurs de correction de qualité tenant compte du champ magnétique et de son incertitude du budget d’incertitude sont présentés pour différentes configurations. Le deuxième article a évalué l’effet du champ magnétique sur les facteurs de perturbation de cinq détecteurs à petite cavité, dont trois détecteurs à petite cavité et deux détecteurs à semi-conducteurs. Les facteurs de perturbation des composants structurels, les facteurs de moyenne de densité et de volume ont été déterminés pour différentes tailles de champ et orientations. De plus, des facteurs de correction de qualité ont été calculés dans les mêmes conditions. Les résultats montrent que le champ magnétique a un impact significatif sur le facteur de perturbation de la densité dans les chambres d’ionisation. En revanche, son impact est plus prononcé dans les composants structurels des détecteurs semi-conducteurs. L’objectif du troisième article était de fournir plus d’informations sur la compréhension de la relation dose-réponse des détecteurs dans les champs magnétiques via des calculs de spectres de fluence électronique. La fluence des électrons différentiel en énergie dans la cavité du détecteur peut être fortement modifiée dans les champs magnétiques, et les perturbations de fluence sont généralement plus évidentes pour les électrons de faible énergie. Ces calculs ont montré l’interaction entre plusieurs facteurs qui rendent les effets de perturbation imprévisibles dans le faisceau de photons couplé aux champs magnétiques : 1) orientation du détecteur et du champ magnétique, 2) taille et forme de la cavité, 3) composants structurels, 4) couche d’air entre le détecteur et le milieu et leur asymétrie, et 5) l’énergie., Magnetic resonance-guided radiation therapy promises more accurate dose delivery than conventional techniques by allowing real-time visualization of internal structures before and during treatment. However, the dosimetry must be performed in the presence of magnetic fields. While the magnetic field does not affect the transport of uncharged particles, it affects the transport of secondary charged particles due to the Lorentz force, which modifies the radiation field and the detector dose-response. This thesis aims to understand the effect of the magnetic field on detector dose-response, characterize it, and provide quality correction factors accounting for the impact of the magnetic field. In the first article, four small-cavity ionization chambers were characterized via Monte Carlo simulations and experimental measurements. It was found that the magnetic field emphasized all the geometrical details. An accurate description of the effective sensitive volume is crucial in the simulations. Also, the modelled geometry must be as close as possible to the actual geometry, including the internal air layers. Quality correction factors accounting for the magnetic field and its uncertainty budget uncertainty are presented for different configurations. The second article evaluated the magnetic field effect on perturbation factors of five small volume detectors, including three ionization chambers and two solid-state detectors. The perturbation factors from extracameral components, density and volume averaging factors were determined for different field sizes and orientation setups. Additionally, quality correction factors were calculated in the same conditions. Results show that the magnetic field significantly impacts the density perturbation factor in the ionization chambers. In contrast, its impact is more pronounced in the extracameral components in the solid-state detectors. The purpose of the third article was to provide more insight into the understanding of detector dose-response in magnetic fields via calculations of electron fluence spectra. The electron fluence differential in energy in the detector cavity can be severely modified in magnetic fields, and fluence perturbations are generally more evident for low-energy electrons. These calculations showed the interplay between multiple factors that make the perturbation effects unpredictable in photon beams coupled to magnetic fields: 1) detector and magnetic field orientation, 2) cavity size and shape, 3) extracameral components, 4) air gaps and their asymmetry, and 5) energy.

Stereotactic radiotherapy is based on the use of small photon beams delivered from a linear accelerator with flattening filter (WFF) or flattening filter free (FFF) usually defined by a multi-leaf collimator (MLC). Yet, small field dosimetry is challenging due to the lack of lateral electronic equilibrium and the fluence perturbation introduced by the presence of the detector. The aim of this Ph.D. thesis is to combine experimental measurements, Monte Carlo (MC) calculations and also the calculation of the treatment planning system algorithms: Anisotropic Analytical Algorithm (AAA) and Acuros XB (AXB), in order to study the metrology of small fields including WFF and FFF beams in homogeneous and heterogeneous media. For this purpose, the first part consisted on modeling the high definition MLC (HDMLC) of the TrueBeam STx with the MC platform GATE. Phase space files provided by the manufacturer were used in addition to the jaws and MLC geometries for the simulations. In order to validate the model, MC calculations were compared to experimental measurements for MLC fields with standard and complex geometries ranging from 0.5×0.5 cm² à 16×16 cm². This part was essential to be able to determine detector specific correction factors that should be applied to measurement of absorbed dose in water as described in the formalism of the IAEA TRS-483. Four detectors were included in this part: two air-filled micro-ionization chambers and two solid state detectors (diode and diamond). The correction factors were determined using three approaches combining MC calculations in a water voxel or in the detectors' sensitive volume (after they were fully modeled) as well as radiochromic film experimental measurements. An agreement better than 1% was found between the three methods and the IAEA TRS-483 values except for the 0.5×0.5 cm² field. AXB was found to be more accurate than the AAA with a difference less than 1% for the 1×1 cm² field. Aiming to understand the effects related to atomic composition (sensitive volume and extracameral components), the size of sensitive volume and the ionization potential on the detectors response, the electron fluence spectral distributions in the detectors were determined. Therefore, a photon and electron fluence calculation code was developed and implemented in GATE. Its verification was carried out by comparing the fluence spectra to those of EGS MC code. Further, the metrology of small fields in heterogeneous media including bone and lung was studied. MC and AXB allow to report the absorbed dose to medium (Dm) and after a conversion to determine the absorbed dose to water (Dm) while conventional algorithms (such as AAA) usually report Dw directly. The impact of the atomic composition on the absorbed dose calculation, the conversion from Dm to Dw and the electron fluence variation in the heterogeneous media was analyzed. AXB Dm calculations showed good agreement with those of MC in all the heterogeneity types as well as the Dw report in the lung heterogeneity (except for the 0.5×0.5 cm2 field). However, in the bone case significant differences (>5%) were found between AAA, AXB and GATE and also film measurements, leading to the conclusion that the Dw of the three algorithms are not equivalent, including between AXB and GATE. These differences were analyzed by modeling the film and with the electronic fluence variation in different medium. Moreover, the results in the bone case showed that the experimental validation of the Dw as in GATE or AXB cannot be performed without a correction.; La radiothérapie stéréotaxique nécessite l'utilisation de petits faisceaux de photons issus d'accélérateur linéaire d'électrons avec (WFF) ou sans filtre égalisateur (FFF) définis généralement par un collimateur multi-lames (MLC). La dosimétrie de ces petits faisceaux représente un défi majeur principalement lié au manque d'équilibre électronique latéral et à la perturbation introduite par la présence des détecteurs. Mes travaux de thèse ont consisté à étudier la métrologie de ces faisceaux WFF et FFF dans des milieux homogènes et hétérogènes en combinant des mesures expérimentales, des calculs Monte-Carlo (MC) et des calculs provenant de deux algorithmes utilisés dans le système de planification de traitements : l'Anisotropic Analytical Algorithm (AAA) et Acuros XB (AXB). Pour mener à bien ces travaux, la première partie a consisté à modéliser le MLC haute définition (HDMLC) de l'accélérateur TrueBeam STx avec la plateforme MC GATE. Des fichiers d'espaces de phases, fournis par le constructeur ont été utilisés auxquels ont été rajoutées les géométries des mâchoires et des lames. Cette modélisation a été validée en comparant les calculs MC aux mesures expérimentales dans le cas de champs définis par le HDMLC à géométrie simple et complexe allant de 0.5×0.5 cm² à 16×16 cm². Cette première étape était indispensable pour pouvoir déterminer les facteurs correctifs à appliquer à la mesure de la dose absorbée dans l'eau des petits faisceaux selon le formalisme de l'IAEA TRS-483. Quatre détecteurs ont été étudiés : deux micro-chambres d'ionisation à cavité d'air et deux détecteurs solides (diode et diamant) et les facteurs correctifs ont été obtenus selon trois méthodologies combinant des calculs MC dans un voxel d'eau ou dans le volume sensible des détecteurs (après modélisation complète de ces derniers) ainsi que des mesures expérimentales par films radiochromiques. Un écart moyen inférieur à 1% a été trouvé entre les trois méthodes et les valeurs publiées dans l'IAEA TRS-483, excepté pour le champ de 0.5×0.5 cm². La comparaison avec les algorithmes AAA et AXB a révélé une supériorité de AXB par rapport au AAA avec un accord inférieur à 1% pour le champ 1×1 cm². Pour approfondir l'analyse des facteurs correctifs, les spectres de fluence électronique au sein des détecteurs ont été déterminés afin de séparer les contributions liées à la composition atomique (volume sensible, enrobage) et à la taille du volume sensible. L'impact du potentiel d'ionisation a également été évalué. Pour cela, un code de calcul de fluence différentielle en énergie pour les photons et les électrons a été développé et implémenté dans GATE après l'avoir validé par confrontation avec un autre code MC EGS. L'étape suivante s'est articulée autour de la métrologie des petits faisceaux dans des milieux hétérogènes de type poumon et os. Les calculs MC et AXB permettent d'exprimer la dose absorbée dans le milieu (Dm) et par conversion de la rapporter en dose absorbée dans l'eau (Dw) alors que les algorithmes conventionnels (tel que le AAA) expriment en général directement la Dw. L'impact des compositions atomiques sur le calcul de la dose absorbée, sur la conversion de Dm à Dw ainsi que sur la modification de fluence électronique au sein des hétérogénéités a été analysé.