Optimisation et validation des méthodes de calcul de dose à distance des faisceaux d’irradiation pour leur application dans les études épidémiologiques et cliniques en radiothérapie

Optimization and validation of out-of-field dose calculation methods in external beam radiation therapy for use in epidemiological and clinical studies

• Auteur / Autrice : Jérémi Vũ Bezin
• Direction : Ibrahima Diallo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Imagerie et physique médicale
• Date : Soutenance le 17/12/2015
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherche en épidémiologie et santé des populations (Villejuif, Val-de-Marne ; 2010-....) - Institut de cancérologie Gustave Roussy (France)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Maingon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ibrahima Diallo, Philippe Maingon, Fazia Hannachi, Jean-Pierre Manens, Eric Deutsch, Charlotte Robert, Dimitri Lefkopoulos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fazia Hannachi, Jean-Pierre Manens

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dosimétrie par thermoluminescence

Modèles mathématiques

Dose hors-champ (radiothérapie)

Radiothérapie de haute énergie

Mots clés libres

Radiothérapie

Dose hors champ

Diffusé tête

Diffusé collimateur

Fuites

Modélisation multi-sources

Dosimètres thermoluminescents

Radiotherapy

Out-of-field dose

Head scatter

Collimator scatter

Leakage

Multi-source modelling

Thermoluminescent dosimeters

Résumé

La proportion de survivants à un cancer dans la population des pays développés augmente rapidement. Dans plus de la moitié des cas, la radiothérapie a été une composante de leur traitement. Les rayons ionisants alors administrés peuvent induire de graves conséquences à long terme, en particulier les cancers radio-induits et les maladies cardiovasculaires. Ces évènements sont dus non seulement aux fortes doses administrées au volume cible, mais également aux doses plus faibles, de quelques milligray à quelques gray, non souhaitées, mais inévitablement administrées dans le reste du corps du patient par la dose hors champ. L’évolution des techniques de planification du traitement et de l’informatique en médecine permettent aujourd’hui d’obtenir, systématiquement, l’évaluation précise des doses les plus fortes administrées au patient. Les doses faibles à intermédiaires administrées en dehors du faisceau de traitement, ne sont pour leur part, ni habituellement prises en compte, ni correctement évaluées par les systèmes actuels de planification du traitement. L’objectif de ce travail était de proposer des méthodes pour estimer le rayonnement hors champ des faisceaux de photons des accélérateurs de radiothérapie externe. L’utilisation d’une bibliothèque graphique nous a permis de réaliser une représentation géométrique 3D partielle des appareils de traitement et des sources photoniques responsables de la dose reçue par le patient. Nous avons déterminé l’intensité de ces sources en utilisant des mesures réalisées dans des champs simples. Le modèle ainsi calibré permettait de simuler la variation de l’intensité des sources en fonction de la taille du champ. Cette approche a permis de décrire avec succès la variation de la dose mesurée par TLD en fonction de la distance et de la taille du champ en dehors de champs carrés. Les écarts entres les doses calculées et celles mesurées étaient inférieurs à 10 %. Une application dans des conditions cliniques a été menée, l’écart était alors en moyenne de 25 %.

The number of cancer survivors in developed counties increases rapidly. Fifty percent of patients treated for cancer will receive radiation therapy as part of their treatment. Ionizing radiation may induce severe long term effects, including secondary cancers and cardio-vascular diseases. Long term effects are not only due to high doses delivered in target volumes, but also to lower doses, ranging from several milligrays to several grays, undesired, but inevitably delivered in the rest of the patient’s body outside the treatment beams. Improvements in treatment planning technics and the use of computers in medicine made it possible to systematically estimate, prior to treatment, the highest doses delivered to the patient’s body. However, lower doses delivered outside the treatment beams are neither taken into account nor evaluated by present treatment planning systems. The aim of our work was to establish methods to estimate radiation doses outside photon beams from accelerators used in external radiation therapy. A graphics library was used to render a partial 3D representation of the accelerator and the photon sources associated. The intensity of these sources was determined using measurements performed in simple geometry fields. The calibrated model was hence used to estimate the source intensity variation with respect to field size. Using this method, we were able to estimate the variations of the TLD measured doses with respect to distance and field size with a 10% average discrepancy between calculations and measurements for points outside the field. Also, when testing the model in a clinical setup, the average discrepancy increased to 25%.