Méthodologie pour la détermination de la dose absorbée dans le cas des petits champs avec et sans hétérogénéités pour des faisceaux de photons de haute énergie

par Tony Younes

Thèse de doctorat en Radio-physique et imagerie médicale

Sous la direction de Laure Vieillevigne et de Georges Fares.


  • Résumé

    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.

  • Titre traduit

    Methodology for the determination of the absorbed dose in the case of small fields with and without heterogeneity for high energy photon beam


  • Résumé

    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.


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2018 par Université Toulouse 3 à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Méthodologie pour la détermination de la dose absorbée dans le cas des petits champs avec et sans hétérogénéités pour des faisceaux de photons de haute énergie
  • Détails : 1 vol. (255 p.)
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