Dosimétrie des faisceaux de photons de petites dimensions utilisés en radiothérapie stéréotaxique : détermination des données dosimétriques de base et évaluation des systèmes de planification de traitement

par Cyril Moignier

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Libor Makovicka.

Le président du jury était Elias Khan.

Le jury était composé de Libor Makovicka, Elias Khan, Pascal François, Loïc de Carlan, François Bochud, Christelle Huet.

Les rapporteurs étaient Pascal François, Loïc de Carlan.


  • Résumé

    Les faisceaux de photons de petites dimensions utilisés en radiothérapie stéréotaxique sont caractérisés par de forts gradients de dose et un manque important d’équilibre électronique latéral, ce qui rend les techniques dosimétriques conventionnelles inadaptées. L’objectif de la thèse est de permettre une meilleure évaluation de la dose délivrée aux patients traités par radiothérapie stéréotaxique. D’une part, les données dosimétriques de base utilisées pour l’étalonnage du système de planification de traitement (TPS) ont été déterminées numériquement. Pour cela, deux installations de radiothérapie de type CyberKnife ont été modélisées avec le code Monte Carlo PENELOPE. Des mesures de rapport d’ouverture du collimateur ont également été réalisées à l’aide de plusieurs détecteurs actifs et de deux dosimètres passifs (film radiochromique et micro-LiF) et comparées aux facteurs d’ouverture du collimateur calculés par simulation. Six détecteurs ont été modélisés afin d’étudier les phénomènes physiques impliqués dans la réponse des détecteurs en petits champs. Parmi les détecteurs étudiés, seuls les films radiochromiques sont en accord avec la simulation, ils peuvent être utilisés sans facteur correctif. La perturbation induite par les autres détecteurs a pu être expliquée, soit par l’effet volume dû à la taille trop importante du volume actif par rapport au diamètre du faisceau, soit par la masse volumique des matériaux utilisés dans la conception du détecteur qui est trop éloignée de celle de l’eau. Les facteurs correctifs, permettant de corriger la non-équivalence-eau et/ou la mauvaise résolution spatiale de chaque détecteur, ont été déterminés pour les deux systèmes CyberKnife.D’autre part, un protocole de mesure de distributions de dose 2D pour les mini-faisceaux, basé sur l’utilisation des films radiochromiques, a été établi et un programme sous MatLab permettant l’analyse entre les distributions de doses mesurées et calculées a été développé. Des plans de traitement stéréotaxique en milieu hétérogène ont ensuite été réalisés pour un fantôme afin d’évaluer les algorithmes de calcul de dose implémentés dans le TPS MultiPlan (TPS associé au système CyberKnife). L’analyse des distributions de dose 2D des plans de traitement a montré que l’algorithme de type « Pencil Beam » implémenté dans MultiPlan est performant en milieu homogène équivalent-eau mais n’est pas adapté pour les milieux à faible densité électronique tels que le poumon. En effet, celui-ci surestime la dose dans le champ (jusqu’à 40%) ce qui peut conduire à diminuer l’efficacité du traitement de la tumeur et la sous-estime hors du champ ce qui risque de sous-évaluer la dose reçue par les organes à risques à proximité. En milieu hétérogène, l’algorithme Monte Carlo implémenté dans MultiPlan est globalement en accord avec la mesure et est par conséquent l’algorithme à privilégier pour estimer la dose délivrée au patient lorsque des milieux à faible densité sont présents.

  • Titre traduit

    Dosimetry of small beams used in stereotactic radiotherapy : dosimetric data determination and treatment planning systems evaluation


  • Résumé

    Dosimetry of small beams is challenging given their small size compared to the detectors, high dose gradient and the lack of lateral electronic equilibrium. The Ph.D. thesis aims to improve the accuracy of the dose delivered to the patient in stereotactic radiotherapy.On the one hand, dosimetric data used to calibrate the treatment planning system (TPS) were determined using numerical simulations. To achieve this, two CyberKnife radiotherapy facilities were modelled using the PENELOPE Monte Carlo code. Output ratios measurements were performed with several active detectors and with two passive dosimeters (radiochromic film and micro-LiF) and compared with output factors calculated by simulation. Six detectors were modeled in order to study the detectors response in small beams. Among the detectors studied, only the radiochromic films were in agreement with the simulations, they can be used without correction factors. The disturbance of the detectors response in small beams was explained either by the volume effect induced by the active volume, which is too high compared to the beam size, or by the mass density effect induced by the detector body materials which are too far from water mass density. The correction factors, required to correct the disturbance caused by the non-water-equivalence and/or the low spatial resolution of each detector, were calculated for the two CyberKnife systems.On the other hand, a 2D dose measurement protocol using radiographic films and a MatLab program were developed. Stereotactic treatment plans were then performed for a phantom in order to assess the calculation algorithms implemented in the MultiPlan TPS (associated with the CyberKnife system). The analysis of the 2D dose distributions related to the stereotactic treatment plans has shown that the “Pencil Beam” based algorithm implemented in MultiPlan is suitable for dose calculation in homogeneous water-equivalent media but not in low electronic density media such as the lung. Indeed, the dose is overestimated (up to 40%) inside the field and may lead to reduce the tumor treatment efficiency while it is underestimated outside the field which can underestimate the dose to critical organs within proximity of the tumor. Regarding the Monte Carlo algorithm implemented in MultiPlan, calculated and measured dose distributions are consistent and, as a consequence, it is the most suitable algorithm available in MultiPlan to estimate the dose received by a patient when low density media are involved.


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