Evaluation dosimétrique dfes algorithmes implémentés dans les systèmes de planification de traitement en présence d'hétérogénéités de forte densité : cas de la sphère ORL en radiothérapie externe

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présence d’hétérogénéités de forte densité : cas de la

sphère ORL en radiothérapie externe

Celine de Conto

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Celine de Conto. Evaluation dosimétrique dfes algorithmes implémentés dans les systèmes de planifica-tion de traitement en présence d’hétérogénéités de forte densité : cas de la sphère ORL en radiothérapie externe. Imagerie médicale. Université de Franche-Comté, 2014. Français. �NNT : 2014BESA2063�. �tel-01334803�

Evaluation dosimétrique des algorithmes

implémentés dans les systèmes de

planification de traitement en présence

d’hétérogénéités de forte densité. Cas de

la sphère ORL en radiothérapie externe.

Mention : Sciences pour l’Ingénieur Spécialité : Physique Médicale

Soutenue publiquement le 21 novembre 2014 par

Q

Céline DE CONTO

Jury :

Yannick BAILLY, Professeur, Université de Franche-Comté Rapporteurs :

Jean-Marc BORDY, HDR, CEA Saclay

Catherine LUCCIONI, Professeure, CNAM Paris Directeurs de thèse :

Régine GSCHWIND, Professeure, Université de Franche-Comté Libor MAKOVICKA, Professeur, Université de Franche-Comté

Evaluation dosimétrique des algorithmes

implémentés dans les systèmes de

planification de traitement en présence

d’hétérogénéités de forte densité. Cas de

la sphère ORL en radiothérapie externe.

Mention : Sciences pour l’Ingénieur Spécialité : Physique Médicale

Soutenue publiquement le 21 novembre 2014 par

Q

Céline DE CONTO

Jury :

Yannick BAILLY, Professeur, Université de Franche-Comté Rapporteurs :

Jean-Marc BORDY, HDR, CEA Saclay

Catherine LUCCIONI, Professeure, CNAM Paris Directeurs de thèse :

Régine GSCHWIND, Professeure, Université de Franche-Comté Libor MAKOVICKA, Professeur, Université de Franche-Comté

Je tiens tout d’abord à remercier M. le Professeur Yannick Bailly d’avoir accepté de présider le jury de ma thèse.

Je remercie M. Jean-Marc Bordy et Mme la Professeure Catherine Luccioni pour l’honneur qu’ils m’ont fait d’être rapporteurs de cette thèse. Leurs remarques et nos discussions ont largement contribué à la qualité de ce rapport.

J’exprime également toute ma reconnaissance envers Mme Edwige Buffard, physicienne médicale aux Hôpitaux Civils de Colmar, d’avoir accepté d’être examinatrice.

J’exprime toute ma gratitude à M. le Professeur Libor Makovicka et Mme la Professeure Régine Gschwind pour m’avoir permis de réaliser cette thèse et de m’avoir encadrée. Je tiens particulièrement à leur faire part de toute ma reconnaissance pour leur patience, leur soutien, leur disponibilité et leurs précieux conseils. Ce travail à leurs côtés m’a apporté autant sur le plan humain que sur le plan scientifique.

Je remercie également la Ligue Contre le Cancer et le Pays Montbéliard Agglomération pour le soutien financier qu’ils apportent à l’équipe depuis de nombreuses années.

Ce travail n’aurait pas été possible sans le Centre Hospitalier de Belfort-Montbéliard dont j’ai sollicité de nombreuses heures le scanner, les accélérateurs et les logiciels de planification pour la réalisation des mesures expérimentales et des calculs. Je profite également pour remercier M. le Docteur Alain Monnier, chef du service de radiothérapie à mon arrivée. Je remercie M. le Professeur Jean-François Bosset qui lui a succédé à la tête du service de radiothérapie de Montbéliard, pour sa présence lors de ma soutenance.

Je remercie bien évidemment l’ensemble du service de radiothérapie du Centre Hospitalier de Belfort-Montbéliard, médecins et manipulateurs et tout particulièrement mes collègues de l’équipe physique : Jean-Michel Rouvier, Emmanuelle Martin, Olivier Jeannot, Delphine Balcer, Nicolas Fageot, Hasan Kavak, Aurélien Tacconi et plus récemment Alexandre Govignon pour nos nombreuses discussions et les partages de connaissances. Un grand merci également à Noé Grandgirard pour nos échanges et sa collaboration depuis l’Institut de Cancérologie de Lorraine.

LINUX et sur sa contribution à la modélisation de l’appareil de traitement pour les simulations Monte Carlo, Rémy Laurent pour les nombreuses discussions et son soutien, Pierre-Emmanuel Leni pour les déblocages sur Linux et mes nombreuses questions informatiques ainsi que pour ses corrections d’anglais et Eric Martin pour son aide lors de l’élaboration du fantôme et de la mise en place des films radiochromiques.

Je remercie Laurent Calgari (Université de Franche-Comté), le laboratoire Meignier (prothésiste dentaire), le Dr Amélie Ridoux (dentiste) qui ont contribué à la fabrication et à l’élaboration des fantômes et des échantillons.

J’associe à mes remerciements l’équipe du Mésocentre de l’Université de Franche-Comté qui malgré de nombreux problèmes techniques est très réactive, l’équipe Monte-Carlo de Varian pour les informations techniques fournies et Blake Walter, développeur du code BEAMnrc, pour sa disponibilité et sa patience, qui a répondu à mes nombreuses sollicitations.

Une petite pensée aux stagiaires du laboratoire ayant participés à l’avancement de ma thèse : Kevin, Conrad, Mathieu, David, Caroline… et plus récemment au futur Docteur Bleuse pour ses encouragements pour garder la motivation jusqu’au bout.

Je terminerai par les personnes que l’on ne remercie jamais assez d’être présents tout au long de notre vie, pour leur soutien et tout leur amour : mes parents, ma sœur, mon frère, ma belle-famille et tous mes amis qui pensaient que je n’en finirais jamais !

Et enfin, il n’y a pas de mot assez grand pour exprimer toute ma reconnaissance à David, le pilier de ma vie qui me soutient et me supporte depuis plus de 10 ans sans qui je n’aurais pu mener de front la thèse et le travail clinique.

Tabledesillustrations________________________________________________________1 Abréviations_______________________________________________________________9 Introduction ______________________________________________________________11 Chapitre1:Problématiquedeshétérogénéitésartificielles_______________________13 I. Présentationdelaradiothérapie______________________________________________ 16 I.1. Parcoursdupatientenradiothérapie ________________________________________________16 I.2. Scannerdosimétrique_____________________________________________________________17 I.2.1. Présentationgénérale________________________________________________________18 I.2.2. Principedelatomodensitométrie ______________________________________________18 I.2.2.a. RayonsX______________________________________________________________19 I.2.2.b. Détection_____________________________________________________________19 I.2.2.c. Reconstructiontomographique____________________________________________20 I.2.2.d. Echellesdequantification________________________________________________21 I.2.2.e. Affichage _____________________________________________________________22 I.2.3. Scanner«dosimétrique»_____________________________________________________23 I.3. Transfertdesdonnéesenimageriemédicale:lanormeDICOM ___________________________23 I.4. Planificationdetraitement_________________________________________________________24 I.4.1. Informationspréalables:contourage____________________________________________24 I.4.2. Techniquesdetraitement_____________________________________________________25 I.4.2.a. Radiothérapieconformationnelle3D_______________________________________26 I.4.2.b. RadiothérapieparModulationd’Intensité(RCMI)_____________________________27 I.4.2.c. RTC3DversusRCMI_____________________________________________________33 I.4.2.d. Evaluationdelaplanification _____________________________________________33 I.4.3. FormatdesdonnéesDICOM___________________________________________________34 II. Hétérogénéitésenradiothérapie______________________________________________ 34 II.1. Dispositifsmédicauximplantables_________________________________________________35 II.1.1. Présentationgénérale________________________________________________________35 II.1.2. Prothèsesdentaires__________________________________________________________36 II.1.2.a. Prothèsesamovibles____________________________________________________37 II.1.2.b. Amalgames____________________________________________________________37 II.1.2.c. Prothèsesfixes_________________________________________________________37 II.2. Généralités___________________________________________________________________38 II.2.1. Rappelthéoriquedesinteractionsphotons/matière________________________________39 II.2.2. Conséquencesdosimétriques__________________________________________________41 II.3. Artéfactsentomodensitométrie__________________________________________________42 II.3.1. Elémentsmétalliques ________________________________________________________42 II.3.1.a. Artéfactsliésaudurcissementdufaisceau___________________________________42 II.3.1.b. Codagedel’information _________________________________________________43 II.3.2. Correctionsdesartéfactsmétalliquessurl’imageCT________________________________43 II.3.2.a. Méthodesdecorrection _________________________________________________43 II.3.2.b. EvaluationdesméthodesMAR____________________________________________43 II.3.2.c. Nouvellesméthodes ____________________________________________________44 II.3.2.d. Conclusionsurlesméthodesdecorrections__________________________________45

 _______________________________________________________________________46

II.5. Recommandations_____________________________________________________________48 III. Conclusion________________________________________________________________ 49 Chapitre2:Modèlesdecalculsdeladosepourlesfaisceauxdephotons____________51 I. SimulationsparméthodesMonteͲCarlo________________________________________ 55 I.1. GénéralitéssurlesméthodesMonteͲCarlo____________________________________________55 I.1.1. Générateursdenombresaléatoires_____________________________________________55 I.1.2. Transportdesparticules______________________________________________________56 I.1.2.a. Transportdesphotons___________________________________________________56 I.1.2.b. Transportdesélectrons__________________________________________________57 I.2. CodeOMEGA/BEAMnrc ___________________________________________________________58 I.2.1. CodeEGSnrc _______________________________________________________________59 I.2.1.a. Transportdesphotons___________________________________________________60 I.2.1.b. Transportdesélectrons__________________________________________________61 I.2.2. CodeBEAMnrc______________________________________________________________62 I.2.2.a. Modélisationdel’accélérateurdeparticules_________________________________62 I.2.2.b. Choixdelasource______________________________________________________65 I.2.2.c. Espacedesphases______________________________________________________65 I.2.2.d. Déroulementd’unesimulationavecBEAMnrc________________________________66 I.2.3. CodeDOSXYZnrc____________________________________________________________67 I.2.3.a. Définitiondufantôme___________________________________________________67 I.2.3.b. Choixdelasource______________________________________________________67 I.2.3.c. Distributiondeladose___________________________________________________68 I.2.3.d. Déroulementd’unesimulationdansDOSXYZnrc______________________________69 I.2.4. CodePEGS4________________________________________________________________69 I.2.5. Réductionsdevariance_______________________________________________________70 I.2.5.a. Bremsstralhungsplitting_________________________________________________70 I.2.5.b. Rouletterusse _________________________________________________________71 I.2.5.c. Rangerejection ________________________________________________________71 I.3. Outilsannexes___________________________________________________________________71 I.3.1. CTcreate___________________________________________________________________71 I.3.2. EgsphantOpener____________________________________________________________73 I.3.3. Dosxyz_show_______________________________________________________________75 I.3.4. Mésocentredecalculsdel’UFC ________________________________________________75 I.4. Evaluationdel’incertitudedessimulations____________________________________________76 I.4.1. Gestiondessimulations ______________________________________________________76 I.4.2. Incertitudes________________________________________________________________77 I.4.2.a. Méthodedite«histoireparhistoire» ______________________________________78 I.4.2.b. Modèle_______________________________________________________________79 I.4.2.c. Evaluationdel’efficacité_________________________________________________80 I.4.2.d. Résultats______________________________________________________________80 I.4.3. Testscomplémentaires_______________________________________________________82 I.4.3.a. Répétabilité___________________________________________________________82 I.4.3.b. Imagescorrigées _______________________________________________________83 I.4.3.c. NRCYCL_______________________________________________________________83 I.5. Validationdufaisceaudephotonsde6MV____________________________________________85

I.5.1. Conditionsderéférence______________________________________________________85 I.5.2. Indicegamma ______________________________________________________________87 I.5.3. Validationdelasource _______________________________________________________88 I.5.3.a. Critèresd’acceptabilité__________________________________________________88 I.5.3.b. Champderéférence ____________________________________________________90 I.5.3.c. Autresconfigurations ___________________________________________________91 I.5.4. Filtreencoindynamique______________________________________________________95 I.5.4.a. Définitiondel’angulationd’unfiltre________________________________________96 I.5.4.b. Tablededéfinitiondesfiltresdynamiques___________________________________96 I.5.4.c. Validationdesfiltresdynamiques__________________________________________99 II. AlgorithmesdecalculdesTPS_______________________________________________ 100 II.1. Formalismeducalculdeladose _________________________________________________101 II.1.1. Généralités _______________________________________________________________101 II.1.1.a. Définitiondunoyaudedépôtd’énergiepourlesphotons(kernel)_______________103 II.1.1.b. Modèledupointkernel_________________________________________________104 II.1.1.c. Modèledupencilbeam_________________________________________________105 II.2. AlgorithmesduTPSOncentraMasterPlan_________________________________________106 II.2.1. Modélisationdelafluenceenénergie__________________________________________106 II.2.2. Déterminationdelamatricedemassevolumique_________________________________107 II.2.3. PencilBeam_______________________________________________________________108 II.2.4. CollapsedCone ____________________________________________________________110 II.3. AlgorithmeduTPSEclipsedeVarian______________________________________________111 II.3.1. AlgorithmePBdebase ______________________________________________________111 II.3.2. Miseàl’échellelatérale______________________________________________________112 II.3.3. Correctiond’hétérogénéités__________________________________________________113 II.3.4. Conversionendose_________________________________________________________113 III. Conclusion_______________________________________________________________ 114 Chapitre3:Impactdesprothèsesdentairesdansdesfantômesanthropomorphiques 115 I. Détecteurs_______________________________________________________________ 118 I.1. DétecteursthermoluminescentsGR200A ____________________________________________118 I.1.1. Principe__________________________________________________________________118 I.1.2. Caractéristiques____________________________________________________________120 I.1.3. Lot,étalonnageetincertitude_________________________________________________121 I.2. Filmsradiochromiques___________________________________________________________121 I.2.1. FilmsGafchromicsEBT ______________________________________________________121 I.2.1.a. Principe _____________________________________________________________121 I.2.1.b. Caractéristiques_______________________________________________________121 I.2.1.c. Etalonnage___________________________________________________________122 I.2.1.d. Incertitude___________________________________________________________124 I.2.2. FilmsEBT3________________________________________________________________124 I.2.2.a. Principe _____________________________________________________________125 I.2.2.b. Caractéristiques_______________________________________________________125 I.2.2.c. LogicielFilmQAPro ____________________________________________________125 I.2.2.d. Evaluationdelachaînedemesure:incertitudeglobale _______________________127 I.2.2.e. Etalonnageendoseabsorbéedansl’eau___________________________________128 II. Etudepréliminaireavecunedentitionnaturelle ________________________________ 128

 demesures________________________________________________________131

II.4.1. 1èrecampagne_____________________________________________________________132 II.4.1.a. Détecteurs___________________________________________________________132 II.4.1.b. ParamètresMonteͲCarlo________________________________________________132 II.4.2. 2ndecampagne_____________________________________________________________132 II.4.2.a. Détecteurs___________________________________________________________132 II.4.2.b. ParamètresMonteͲCarlo________________________________________________133 II.4.2.c. ParamètresduTPS_____________________________________________________133 II.5. Résultats____________________________________________________________________134 II.5.1. 1èrecampagne_____________________________________________________________134 II.5.1.a. MesuresexpérimentalesavecTLD________________________________________135 II.5.1.b. MesuresexpérimentalesavecfilmGafchromicEBT___________________________135 II.5.1.c. SimulationsMonteͲCarlo:sourcemonoénergétique6MeV____________________136 II.5.1.d. Résumé _____________________________________________________________137 II.5.2. 2èmecampagne_____________________________________________________________138 II.5.2.a. MesuresexpérimentalesavecTLD________________________________________138 II.5.2.b. SimulationsMonteͲCarlo:sourceréelle____________________________________139 II.5.2.c. CalculsTPSOMPdeNucletron ___________________________________________140 II.5.2.d. Résumé _____________________________________________________________143 II.6. Discussion/Conclusion_________________________________________________________144 III. Etudestandardiséeavecplusieurséchantillons_________________________________ 145 III.1. Fantôme____________________________________________________________________146 III.2. Configurationsdeséchantillons__________________________________________________147 III.2.1. Avecl’amalgame_________________________________________________________147 III.2.2. Aveclacouronne ________________________________________________________148 III.3. Conditionsdemesure _________________________________________________________148 III.4. MéthodesdecorrectiondesimagesCT____________________________________________149 III.4.1. Protocoled’acquisition____________________________________________________149 III.4.2. Courbedeconversiondebase______________________________________________150 III.4.3. Courbedeconversiondesméthodesdecalculs ________________________________150 III.4.3.a. OMP________________________________________________________________150 III.4.3.b. Eclipse ______________________________________________________________151 III.4.3.c. BEAMnrc ____________________________________________________________152 III.4.4. CorrectionsdesimagesCTpourlescalculs____________________________________153 III.5. Résultats____________________________________________________________________154 III.5.1. AnalysedesimagesCT____________________________________________________155 III.5.2. Amalgame______________________________________________________________157 III.5.2.a. Configuration(a1)_____________________________________________________157 III.5.2.b. Configuration(a2)_____________________________________________________159 III.5.2.c. Configuration(b1)_____________________________________________________160 III.5.2.d. Configuration(b2)_____________________________________________________161 III.5.2.e. Configuration(c) ______________________________________________________163 III.5.2.f. Configuration(d)______________________________________________________165 III.5.2.g. Configuration(e)______________________________________________________166 III.5.3. Couronne ______________________________________________________________169 III.5.3.a. Configuration(a)______________________________________________________169 III.5.3.b. Configuration(b)______________________________________________________171

III.5.3.c. Configuration(c) ______________________________________________________172 III.5.3.d. Configuration(d)______________________________________________________175 III.5.4. Matricedecalcul ________________________________________________________176 III.6. Discussion___________________________________________________________________177 IV. Conclusion_______________________________________________________________ 178 Chapitre4:EtuderétrospectivedepatientstraitésenRTC3DetenRCMI___________181 I. Traitements3Dconformationnels____________________________________________ 184 I.1. Patientssélectionnés ____________________________________________________________184 I.2. Balistique______________________________________________________________________186 I.3. Méthodesdecomparaison________________________________________________________187 I.4. Résultats______________________________________________________________________188 I.4.1. ORL2etORL5______________________________________________________________188 I.4.1.a. AlgorithmesvsMonteͲCarlo_____________________________________________188 I.4.1.b. CorrectiondesimagesCT _______________________________________________189 I.4.1.c. Analysequantitative ___________________________________________________190 I.4.1.d. HDV ________________________________________________________________191 I.4.2. ORL3etORL4______________________________________________________________192 I.4.2.a. CorrectiondesimagesCT _______________________________________________192 I.4.2.b. Analysequantitative ___________________________________________________194 I.4.3. ORL6_____________________________________________________________________195 I.4.3.a. CorrectiondesimagesCT _______________________________________________195 I.4.3.b. Analysequantitative ___________________________________________________195 I.4.4. ORL1_____________________________________________________________________196 I.4.4.a. Analysevisuelle_______________________________________________________196 I.4.4.b. Analysequantitative ___________________________________________________197 I.5. Discussion_____________________________________________________________________198 II. TechniqueRCMI __________________________________________________________ 199 II.1. Patientssélectionnés__________________________________________________________199 II.2. Balistique ___________________________________________________________________200 II.3. Méthodesdecomparaison _____________________________________________________200 II.4. Résultats____________________________________________________________________201 II.4.1. ORL7_____________________________________________________________________201 II.4.1.a. Couronne____________________________________________________________201 II.4.1.b. Amalgame ___________________________________________________________202 II.4.2. ORL8_____________________________________________________________________203 II.4.2.a. Couronne____________________________________________________________203 II.4.2.b. Amalgame ___________________________________________________________204 II.5. Discussion___________________________________________________________________205 III. Conclusion_______________________________________________________________ 206 Conclusion_______________________________________________________________207 Référencesbibliographiques ________________________________________________209 ANNEXE1:Interactionsdesphotonsaveclamatière(microscopique)_______________219 ANNEXE2:EvaluationdelachaînedemesuredesfilmsEBT3 _____________________225

ƒ„Ž‡†‡•‹ŽŽ—•–”ƒ–‹‘•

Figure2.2:SchémadescomposantsprincipauxdurépertoireOMEGA_HOME(sousͲrépertoiredeHEN_HOUSE).  ________________________________________________________________________________________59 Figure2.3:DescriptiondufonctionnementducodeEGSnrc.________________________________________60 Figure2.4:SchémadelacorrectionPLCdansl'algorithmePRESTAII._________________________________61 Figure2.5:SchémadelacorrectionlatéraleLCAdansl'algorithmePRESTAII.__________________________61 Figure2.6:Schémadel'accélérateurlinéaireClinac2100CdeVarian(àgauche)[Var1]etschémade l'accélérateurmodélisédansBEAMnrc(àdroite)aveclenomdesmodulescorrespondants(pourlavisualisation lesdeuxpairesdemâchoiressontreprésentéesdanslemêmeplan)enmodephotons.___________________63 Figure2.7:Sélectiondesmodules. ____________________________________________________________63 Figure2.8:DéfinitiondesparamètresdesmâchoiresdansleCMDYNJAWS.___________________________64 Figure2.9:DéfinitiondesparamètresducollimateurmultilamesdansleCMDYNVMLC. _________________64 Figure2.10:Définitiondesparamètresdelasourced’électrons._____________________________________65 Figure2.11:SchémadefonctionnementducodeBEAMnrc.________________________________________66 Figure2.12:Paramètresdumodèledesourceisource2dansDOSXYZnrc[Wal1].________________________68 Figure2.13:SchémadefonctionnementducodeDOSXYZnrc._______________________________________69 Figure2.14:CourbedeconversionpardéfautdansCTcreatedesnombresHounsfieldenmatériau[Wal1].___72 Figure2.15:Contenudufichieregsphant,lamatricedesmatériauxmontreunecouronnesurdel’osentouré d’eau(lamatricedesmassesvolumiquesn’estpasreprésentéeici,elleestsimilaireaveclesvaleursdemasse volumiquecorrespondantes)._________________________________________________________________73 Figure2.16:ProgrammeEgsphantOpener.______________________________________________________74 Figure2.17:Programmedosxyz_show. ________________________________________________________75 Figure2.18:Algorithmeassociéàl’équationdedéterminationdel’incertituded’unesimulationdanslecode BEAMnrc. ________________________________________________________________________________79 Figure2.19:Schémadufantômehétérogènesimplepourévaluerl'incertitude._________________________80 Figure2.20:Schémadesconditionsderéférencepourlesmesures,enrougemesuredurendementetenorange mesuredesprofils._________________________________________________________________________86 Figure2.21:Schémadesconditionsdemesurepourl’indicedequalité,rapportentrelamesureà20cmetla mesureà10cm.___________________________________________________________________________86 Figure2.22:Représentationdel’indicegamma. _________________________________________________88 Figure2.23:Définitiondesdifférentesrégionsdufaisceauenfonctiondel’amplitudedugradientdedose.Pour chaquerégionG,descritèresd’acceptabilitédifférentssontappliquésenfonctiondelaprécisionattendue [Est1].___________________________________________________________________________________89 Figure2.24:Validationdurendementenprofondeurduchamp10cmx10cm. ________________________90 Figure2.25:Validationduprofildansl’axeXd’unchampde10cmx10cm.___________________________91 Figure2.26:Validationdurendementenprofondeurduchamp5cmx5cm. __________________________92 Figure2.27:Validationduprofildansl’axeXd’unchampde5cmx5cm._____________________________92 Figure2.28:Validationdurendementenprofondeurduchamp20cmx20cm. ________________________93 Figure2.29:Validationduprofildansl’axeXd’unchampde20cmx20cm.___________________________93 Figure2.30:Validationdurendementenprofondeurduchamp20cmx20cmforméaveclecollimateur multilames._______________________________________________________________________________94 Figure2.31:Validationduprofildansl’axeXd’unchampde20cmx20cmforméaveclecollimateur multilames._______________________________________________________________________________94 Figure2.32:Validationduprofildansl’axeYd’unchampde20cmx20cmforméaveclecollimateur multilames._______________________________________________________________________________95 Figure2.33:Schémadedéterminationdel'angulationd'unfiltreencoindynamique[Var2].______________96 Figure2.34:ExempledelaSTTpourunfaisceaude6MV[Var2].____________________________________97 Figure2.35:Exempledetranscriptiond’unchampde15cmfiltrésur300UM[Var2]. ___________________98

Figure2.36:Exempled’unfichiercréépourlaréalisationd’unfiltreencoindynamique.__________________98 Figure2.37:Résultatdeladistributiondedoselorsdelaréalisationd’unfiltreencoindynamiquede10°(à gauche)etde30°(àdroite).__________________________________________________________________99 Figure2.38:Principed'unTPSàpartirdesdonnéesdel'appareiletdesdonnéesanatomiques:leTPScalcule desdistributionsdedose,desHDVetlenombred'UM.___________________________________________100 Figure2.39:Décompositiondurayonnementd'unfaisceauderadiothérapieexterne[Ahn1]. ____________102 Figure2.40:Représentationdupointkernel(àgauche)etdupencilkernel(àdroite)[Ahn1]._____________103 Figure2.41:Représentationducalculdeladoseàpartird'unpointkernel.___________________________104 Figure3.1:Principedudétecteurthermoluminescent.____________________________________________118 Figure3.2:PlaquechauffanteavecunTLD.____________________________________________________119 Figure3.3:CourbedechauffelorsdelalecturedesTLD.__________________________________________120 Figure3.4:CompositiondesfilmsGafchromicEBT.______________________________________________122 Figure3.5:EtalonnagedesfilmsEBTsurunseulfilm(a)etsurdesfilmsséparés(b). ___________________123 Figure3.6:Constructiondelacourbed’étalonnageparsélectiond’unerégiond’intérêtpourchaqueniveaude dose.___________________________________________________________________________________124 Figure3.7:CompositiondufilmEBT3. ________________________________________________________125 Figure3.8:Représentationdelavariationdeladose'dpourlecanalrougelorsdel’analyse.____________126 Figure3.9:Courbed’étalonnagedesfilmsEBT3aveclelogicielFilmQAPro. __________________________128 Figure3.10:Photodufantôme(àgauche)etreprésentationschématique(àdroite).___________________129 Figure3.11:Echantillonsdegaucheàdroiteladentsaine,ladentavecamalgameetlacouronne.________129 Figure3.12:Pointsdemesuresdanslefantôme.________________________________________________130 Figure3.13:Positionnementdufantômepourlesmesuresexpérimentales.___________________________131 Figure3.14:SchémadesméthodesdecorrectionspossiblessurleTPSOMP.__________________________134 Figure3.15:RésultatsdesmesuresTLD,normalisésàl’«interfaced’entrée»deladent,pourlestrois échantillons(dent,dentavecamalgameetcouronne). ___________________________________________135 Figure3.16:RésultatsdesmesuresparfilmsEBT,normalisésau«contactavant»deladent,pourlestrois échantillons(dent,dentavecamalgameetcouronne). ___________________________________________136 Figure3.17:RésultatdufilmEBTpourlacouronneau«contactaprès»montrantl’empreinteliéeà l’atténuation.____________________________________________________________________________136 Figure3.18:RésultatsdelasimulationMonteͲCarlopourlestroiséchantillons,ilssontnormalisésparrapportà ladosemaximaleenprofondeurdeladent.____________________________________________________137 Figure3.19:RésultatsdesmesuresTLD,normalisésàl’«interfaced’entrée»deladent,pourlestrois échantillons(dent,dentavecamalgameetcouronne). ___________________________________________139 Figure3.20:RésultatsdelasimulationMonteCarlopourlestroiséchantillons,ilssontnormalisésparrapportà ladosemaximaleenprofondeurdeladent.____________________________________________________140 Figure3.21:Résultatsdel’algorithmePencilBeamd’OMPpourlestroiséchantillons. __________________141 Figure3.22:Résultatsdel’algorithmeCollapsedConed’OMPpourlestroiséchantillons.________________142 Figure3.23:RésultatsdesalgorithmesPencilBeametCollapsedConed’OMPpourlacouronnecomparésaux mesuresfaitesaveclesTLD._________________________________________________________________142 Figure3.24:Comparaisondesrésultatsdelacorrectionmanuelle,delacorrectionpartielleaveclesimagesCT brutesenprésencedelacouronnecalculésavecl’algorithmeCollapsedCone._________________________143 Figure3.25:Schémaéclatédelapartiedufantômereprésentantlamâchoire(a)etsonpositionnementdans unepetitecuvede15cmd’arête(b).__________________________________________________________146 Figure3.26:Schémad’implantationdeséchantillonsd’amalgame._________________________________147 Figure3.27:Schémad’implantationdescouronnes. _____________________________________________148 Figure3.28:Positionnementdel’isocentredanslefantôme(cerclerouge)etreprésentationdufaisceaulatéral gauchede5cmx5cm(traitsjaune). _________________________________________________________149 Figure3.29:CourbesdeconversiondesUnitésHounsfieldendensitésélectroniquesdansOMPetdansEclipse.  _______________________________________________________________________________________152

Figure3.31:Représentationd’unprofildedistributiondeladose(enorange)résultantdedeuxfaisceauxde photonsopposés(envert)etdelapositiondestroisfilmsEBT3(enrouge).___________________________154 Figure3.32:Comparaisondesimagesscanner12bitset16bits. ___________________________________156 Figure3.33:Comparaisonduprofildecoupepassantauniveaud’uneprothèseavecl’algorithmeCCsurles imagesnoncorrigées(CC_M0)etparrapportauprofildecoupesansprothèse(CC_a0_M0)._____________158 Figure3.34:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présenced’unamalgamede3mmdediamètre_________________________________________________158 Figure3.35:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présenced’unamalgamede3mmdediamètredanslaconfigurationa2. ____________________________159 Figure3.36:Comparaisonduprofildecoupepassantauniveaud’uneprothèseavecl’algorithmeCCsurles imagesnoncorrigées(CC_M0)etduprofildecoupedelaconfigurationsansprothèse(CC_a0_M0)._______160 Figure3.37:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présenced’unamalgamede7mmdediamètredanslaconfigurationb1. ____________________________161 Figure3.38:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présenced’unamalgamede7mmdediamètredanslaconfiguration(b2).___________________________162 Figure3.39:Comparaisonentrelesconfigurationsa2etb2._______________________________________163 Figure3.40:Comparaisonduprofildecoupepassantauniveaudedeuxprothèsesidentiquesde3mmde diamètreavecl’algorithmeCCsurlesimagesnoncorrigées(CC_M0)etduprofildecoupedulaconfiguration sansprothèse(CC_a0_M0)._________________________________________________________________163 Figure3.41:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présenced’unamalgamede3mmdediamètredanslaconfigurationc. _____________________________164 Figure3.42:Comparaisonduprofildecoupepassantauniveaudedeuxprothèsesidentiquesde8mmde diamètreavecl’algorithmeCCsurlesimagescorrigées(CC_M2)etduprofildecoupedulaconfigurationsans prothèse(CC_a0_M0)._____________________________________________________________________165 Figure3.43:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présenced’unamalgamede7mmdediamètredanslaconfiguration(d).____________________________165 Figure3.44:Illustrationdesprofilsrelevéspourlaconfiguration(e). ________________________________166 Figure3.45:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présencedemultiplesprothèsesdanslaconfigurationeauniveauduprofilP1.________________________167 Figure3.46:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présencedemultiplesprothèsesdanslaconfigurationeauniveauduprofilP2.________________________167 Figure3.47:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloen présencedemultiplesprothèsesdanslaconfigurationeauniveauduprofilP3.________________________168 Figure3.48:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarlosans correctiondesmassesvolumiquesenprésencededeuxcouronnescôteàcôte.________________________169 Figure3.49:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloavec correctiondesmassesvolumiquesenprésencededeuxcouronnescôteàcôte.________________________170 Figure3.50:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarlosans correctiondesmassesvolumiquesenprésencededeuxcouronnesenvisͲàͲvis.________________________171 Figure3.51:ComparaisondesalgorithmesdecalculdesTPSaveclamesureexpérimentaleetMonteͲCarloavec correctiondesmassesvolumiquesenprésencededeuxcouronnesenvisͲàͲvis.________________________171 Figure3.52:Illustrationdesprofilsrelevéspourlaconfiguration(c). ________________________________172 Figure3.53:ComparaisonduprofilP3delaconfiguration(c)avecleprofildelaconfiguration(a)pourlescinq méthodesdedéterminationdeladosesurlesimagescorrigées.____________________________________173 Figure3.54:ComparaisonduprofilP2delaconfiguration(c)avecleprofildelaconfiguration(a)pourles algorithmesPencilBeam(1),CollaspedCone(2)etAnalyticalAnisotropicAlgorithm(3),etpourlessimulations MonteͲCarlo(4)parrapportàlamesuredesfilmsEBT3.__________________________________________174

Figure3.55:Comparaisonduprofilpassantparuneprothèsedanslaconfiguration(d)avecleprofildela configuration(a)pourlescinqméthodesdedéterminationdeladosesurlesimagescorrigées.___________175 Figure3.56:ComparaisondessimulationsMonteͲCarloentreunematricede2mmx2mmx2,5mmetune matricede1mmx1mmx2,5mmparrapportauxalgorithmesdecalculdesTPSetlamesureexpérimentale pourlaconfiguration(d)del’amalgame. ______________________________________________________176 Figure3.57:ComparaisondessimulationsMonteͲCarloentreunematricede2mmx2mmx2,5mmetune matricede1mmx1mmx2,5mmparrapportauxalgorithmesdecalculdesTPSetlamesureexpérimentale pourlaconfiguration(b)delacouronne. ______________________________________________________177 Figure4.1:CoupesCTdessixpatientsauniveaudesprothèses.Letraitrougesurchaqueimagereprésentele profildedosequiseraanalysé. ______________________________________________________________185 Figure4.2:ProfilsdedosepassantparlesprothèsesdupatientORL2calculésavecl’algorithmePencilBeamPB (àgauche)etCollapsedConeCC(àdroite)duTPSOMPparrapportauxsimulationsMonteͲCarlo._________188 Figure4.3:ProfilsdedosepassantparlesprothèsesdupatientORL2calculésavecl’algorithmeAnalytical AnisotropicAlgorithmAAAduTPSEclipseparrapportauxsimulationsMonteͲCarlo. ___________________188 Figure4.4:Comparaisondesprofilsdedosedelacorrectiondesimages(M2)aveclesquatreméthodesde calculpourlepatientORL2._________________________________________________________________189 Figure4.5:Comparaisondesprofilsdedosedelacorrectiondesimages(M2)aveclesquatreméthodesde calculpourlepatientORL5._________________________________________________________________189 Figure4.6:Positiondespointsd’intérêtspourlacomparaisonquantitative. __________________________190 Figure4.7:HistogrammedoseͲvolumeduCTV50dupatientORL2pourlescalculssurlesimagescorrigéspar rapportautraitement(PB_M0). _____________________________________________________________191 Figure4.8:HistogrammedoseͲvolumedelaparotidedroitedupatientORL2._________________________192 Figure4.9:Comparaisondesprofilsdedosedelacorrectiondesimages(M2)aveclesquatreméthodesde calculpourlepatientORL3._________________________________________________________________193 Figure4.10:Distributiondeladosedel’algorithmePBsurlesimagesbrutessurlacoupeduprofildupatient ORL4(àgauche)etprofilpassantparlaprothèsesurlamâchoiresupérieure(àdroite)._________________193 Figure4.11:Distributiondeladosedel’algorithmePBsurlesimagesbrutessurlacoupeduprofildupatient ORL4(àgauche)etprofilpassantparlaprothèsesurlamâchoireinférieure(àdroite).__________________194 Figure4.12:Comparaisondesprofilsdedosedelacorrectiondesimages(M2)aveclesquatreméthodesde calculpourlepatientORL6._________________________________________________________________195 Figure4.13:Distributiondeladoseavecl’algorithmeAAA_M2surlacoupeduprofildupatientORL6(à gauche)aveclevolumeciblePTVenorangeethistogrammedoseͲvolumeduPTV(àdroite)._____________196 Figure4.14:Distributiondeladoseauniveaudesprothèsescalculéeparl’algorithmePBsurlesimages originales(àgauche)etparBEAMnrcsurlesimages_____________________________________________197 Figure4.15:CoupesCTdesdeuxpatientsauniveaudesprothèsesaveclevolumecibleenbleu.__________199 Figure4.16:RésultatspourlepatientORL7del’analyseparl’indicegammaentrelamesureetEclipse (algorithmeAAA)surlesimagesbrutes(àgauche)etsurlesimagescorrigées(àdroite).________________201 Figure4.17:RésultatspourlepatientORL7del’analyseparl’indicegammadufaisceau«oag2»entrela mesureetEclipse(algorithmeAAA)surlesimagesbrutes(àgauche)etsurlesimagescorrigées(àdroite).__202 Figure4.18:RésultatspourlepatientORL7del’analyseparl’indicegammadufaisceau«opd2»entrela mesureetEclipse(algorithmeAAA)surlesimagesbrutes(àgauche)etsurlesimagescorrigées(àdroite).__202 Figure4.19:RésultatspourlepatientORL7del’analyseparl’indicegammaentrelamesureetEclipse (algorithmeAAA)surlesimagesbrutes(enhautàgauche),surlesimagescorrigées(enhautàdroite)etsurles imagescorrigéesavecunecourbedeconversionplusétendue(enbas).______________________________203 Figure4.20:RésultatspourlepatientORL8del’analyseparl’indicegammaentrelamesureetEclipse (algorithmeAAA)surlesimagesbrutes(àgauche)etsurlesimagescorrigées(àdroite).________________203 Figure4.21:RésultatspourlepatientORL8del’analyseparl’indicegammadufaisceau«oag2»entrela mesureetEclipse(algorithmeAAA)surlesimagesbrutes(àgauche)etsurlesimagescorrigées(àdroite).__204 Figure4.22:RésultatspourlepatientORL8del’analyseparl’indicegammadufaisceau«opd2»entrela

TABLEAUX Tableau1.1:Comparaisondelaradiothérapieconformationnelle3DetdelaRCMI._____________________33 Tableau1.2:Compositionetmassevolumiquededifférentstissusetmatériauxdentaires. _______________38 Tableau1.3:Résultatsdedifférentesétudessurl'atténuationdematériauxdemassesvolumiquesélevées.__41 Tableau1.4:Résultatsdedifférentesétudessurlarétrodiffusiondematériauxdemassesvolumiquesélevées.  ________________________________________________________________________________________41 Tableau2.1:Vérificationdunombred’histoiressimuléesenfonctiondunombredeprocesseursquiont réellementétéutilisés.______________________________________________________________________77 Tableau2.2:Vérificationdelarépartitiondeshistoires. ___________________________________________77 Tableau2.3:Evolutiondesincertitudesdesalgorithmesdecalculdansuntraitementderadiothérapie[Ahn1] entrelasituation«actuelle»(en1999,datedel’étude)etavecl’hypothèsedesdéveloppementsfuturs (correspondàaujourd’hui)surchaqueétapeduprocessus._________________________________________78 Tableau2.4:Incertitudeettempsdecalculpourtroispointsdemesure(repéréssurlaFigure2.19)enfonction dunombred'histoiressimuléespourlacouronne,lasimulationestrépartiesur5processeurs._____________81 Tableau2.5:Efficacitépourl’air,l’os,l’eauetlacouronnesurlerésultatauniveaudelaposition2pourun calculrépartisur5machines._________________________________________________________________81 Tableau2.6:Incertitudeettempsdecalculauniveaudelaposition2avecunehétérogénéitécouronneen fonctiondunombred’histoiresexécutésur1,5et20machines._____________________________________82 Tableau2.7:Résultatsdelarépétabilitésurlecalculdeladosedanslefantômevoxélisépourquatrematériaux etpour10et50milliardsd’histoires.___________________________________________________________82 Tableau2.8:Résultatsdelarépétabilitésurlecalculdeladosedanslefantômescannéoriginaletcorrigépour quatrematériauxetpour5,10et50milliardsd’histoires.__________________________________________83 Tableau2.9:Résultatsdel’incertitudeenfonctionduparamètreNRCYCLpourlefantômecorrigéavec l’amalgame.______________________________________________________________________________84 Tableau2.10:Tolérancesrecommandéespourchaquerégionɷenfonctiondelacomplexitédelagéométriedu faisceaudephotons[Est1]. __________________________________________________________________89 Tableau2.11:Valeursthéoriquesdesanglesdesfiltresencoindynamiquedisponiblescomparéesauxvaleurs dufiltredynamiquemodélisédansBEAMnrc.____________________________________________________99 Tableau2.12:ConversiondesdonnéesHounsfieldduCTennombresHounsfieldpourOMP. _____________107 Tableau3.1:Résultatdel’incertitudepourlesfilmsEBTenfonctiondeladoseetdeladimensiondeladécoupe.  _______________________________________________________________________________________124 Tableau3.2:Incertitudeglobalesurlachaînedemesure._________________________________________127 Tableau3.3:Massevolumiqueetcompositiondeplusieursmatériauxusuelsenradiothérapie.___________130 Tableau3.4:Ecartsdedoserelevéspourladentavecamalgameetlacouronneparrapportàladentaux interfaces._______________________________________________________________________________138 Tableau3.5:Ecartdedoseauxinterfacesdeladentavecamalgameetdelacouronneparrapportàladent saineparlamesureTLD,lasimulationMonteͲCarloetlecalculCollapsedCone. _______________________144 Tableau3.6:CourbedeconversiondebasedesunitésHounsfieldendensité(massevolumiquerelativedu matériauparrapportàlamassevolumiquedel’eau).____________________________________________150 Tableau3.7:Correspondanceentrelesmatériaux,lesunitésHounsfield,ladensitémassiquerelativeetla densitéélectroniquerelativerespectivementparrapportàladensitémassiqueetladensitéélectroniquede l’eau,enregistréedansleTPSOMP.___________________________________________________________151 Tableau3.8:CorrespondanceentrelesunitésHounsfieldetladensitéélectroniqueenregistréedansleTPS Eclipsepardéfaut. ________________________________________________________________________151 Tableau3.9:CourbedeconversiondesnombresHounsfieldenmassevolumiquedansBEAMnrc,simplifiéau niveaudestissusmousparrapportàOMP. ____________________________________________________152 Tableau3.10:Valeursdesmassesvolumiquesdesdifférentsmatériauxdansunecoupesansartéfactetdans unecoupeavecartéfactsrelevéessurleTPSetsurBEAMnrc.______________________________________155

laconfiguration(a1).______________________________________________________________________159 Tableau3.13:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(a2).______________________________________________________________________160 Tableau3.14:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(b1).______________________________________________________________________161 Tableau3.15:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(b2).______________________________________________________________________162 Tableau3.16:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfigurationc._________________________________________________________________________164 Tableau3.17:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(d)._______________________________________________________________________166 Tableau3.18:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(e). _______________________________________________________________________168 Tableau3.19:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(a)._______________________________________________________________________170 Tableau3.20:Ecartsdedose(en%)desdifférentsmoyensdecalculparrapportàlamesureparfilmEBT3pour laconfiguration(b)._______________________________________________________________________172 Tableau3.21:Ecartsdedose(en%)dessimulationsMonteͲCarloetdesfilmsEBT3delaconfiguration(c)par rapportàlaconfiguration(a)auniveauduprofilP3._____________________________________________173 Tableau3.22:Ecartsdedose(en%)dessimulationsMonteͲCarloetdesfilmsEBT3delaconfiguration(c)par rapportàlaconfiguration(a)auniveauduprofilP2._____________________________________________174 Tableau3.23:Ecartsdedose(en%)desfilmsEBT3delaconfiguration(d)parrapportàlaconfiguration(a).176 Tableau4.1:BalistiquedetraitementpourlespatientsORL2àORL6. _______________________________187 Tableau4.2:BalistiquedetraitementpourlepatientORL1._______________________________________187 Tableau4.3:Résultatdesécartsdedoseauniveaudespointsd’intérêtpourlesdeuxpatients.___________190 Tableau4.4:Dosereçuepar50%duCTV50pourl’ORL2etl’ORL5pourlesalgorithmes. ________________191 Tableau4.5:Résultatdesécartsdedoseauniveaudespointsd’intérêtpourlesdeuxpatients.___________194 Tableau4.6:Résultatdesécartsdedoseauniveaudupointd’intérêtcentralpourlepatientORL6. _______195 Tableau4.7:Ecartsdedoseauniveaudecinqpointsd’intérêtsurl’axetraversantlesprothèses. _________197 Tableau4.8:BalistiquedetraitementRCMIpourlespatientsORL7etORL8.__________________________200

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AAA Analytical Anisotropic Algorithm AND Algorithme Numérique Distribué

CC Collapsed Cone

CERN Centre Européen pour la Recherche Nucléaire CHBM Centre Hospitalier de Belfort-Montbéliard

CIPR Commission Internationale sur la Protection Radiologique

CM Component Module

CT Computed Tomography

CTV Clinical Tumor Volume

DICOM Digital Imaging and COmmunication in Medicine

DLG Dosimetric Leaf Gap

DSA Distance Source Axe

DSP Distance Source Peau

DVO Dose Volume Optimizer

EBT External Beam Therapy

EGSnrc Electron Gamma Shower national research council

ENSMM Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et de Microtechnique ESTEPE Energy loss per STEP

ESTRO European SocieTy for Radiotherapy and Oncology EUD Equivalent Uniform Dose

GATE GEANT4 Application for Emission Tomography

GTV Gross Tumor Volume

HDV Histogramme Dose-Volume

IAEA International Atomic European Agency

ICRU International Commission on Radioprotection Units IEC International Electrotechnical Commission

ITV Internal Tumor Volume

LIFC Laboratoire Informatique de l’université de Franche-Comté

MC Monte-Carlo

MCNP, MCNPX Monte Carlo Neutron Photon (X) MLC MultiLeaf Collimator

NRCC National Research Council of Canada NTCP Normal Tissue Control Probability OMP Oncentra Master Plan

ORL Oto-Rhino-Laryngologie

PB Pencil Beam

PENELOPE Penetration and ENErgy Loss of Positrons and Electrons PMMA PolyMetAcrylate de Méthyle

PTV Planning Tumor Volume

PVDF PolyFluorure de Vinylidène

RCMI Radiothérapie Conformationnelle par Modulation d’Intensité

ROI Region Of Interest

RTC3D RadioThérapie Conformationelle en 3D TCP Tumor Control Probability

TDM TomoDensitoMétrie

TLD ThermoLuminescent Dosimeter TPS Treatment Planning System UFC Université de Franche-Comté

UH Unité Hounsfield

UID User IDentifier

UTBM Université de Technologie de Belfort-Montbéliard VMAT Volumetric Modulated ArcTherapy

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La radiothérapie est une méthode de traitement des cancers par rayonnements ionisants. Ce choix thérapeutique est privilégié pour plus de 50 % des patients. L’évolution des matériels et des méthodes permettent une prévision de plus en plus précise de la dose délivrée au patient. Cependant, les avancées médicales et l’amélioration des techniques de diagnostic ajoutées à une population vieillissante font apparaître de plus en plus de patients porteurs de prothèses.

Les prothèses sont des dispositifs médicaux de formes, de compositions et de fonctions variées telles que les stents, les prothèses d’épaule, les broches pour consolider les os, les prothèses de hanche ou encore les prothèses dentaires. Elles sont en majorité non amovibles et constituées de métal ou de matériaux de haute masse volumique, et modifient, par leur présence, la distribution de la dose délivrée.

En radiothérapie, les systèmes de planification de traitement (TPS) permettent, à partir des images tomodensitométriques des patients (seule modalité donnant l’atténuation des tissus), de délimiter des organes d’intérêt (appelé délinéation ou contourage) et de réaliser un calcul prévisionnel du dépôt de dose dans le patient. Ils sont indispensables pour la réalisation des traitements modernes ; le but étant de contrôler la dose à la tumeur (stérilisation) tout en prévenant des complications sur les tissus sains environnants (protection).

Tous ces systèmes sont précis dans les hétérogénéités naturelles du corps humain. Cependant, en présence de dispositifs médicaux métalliques, certaines limites technologiques sont atteintes.

Deux problématiques se posent alors à différents niveaux du processus en radiothérapie : - Les artéfacts sur les images tomodensitométriques provoquant un contourage

approximatif et des calculs de dose erronés,

- La limitation des algorithmes à prendre en compte les masses volumiques élevées.

Il apparaît donc fondamental d’évaluer les conséquences dosimétriques sur la planification de traitement afin de s’assurer du respect des objectifs de la radiothérapie : irradier le volume cible avec la dose nécessaire et suffisante tout en limitant la dose aux organes à risque (OAR) voisins. L’évaluation dosimétrique des TPS n’est possible que par comparaison avec les mesures expérimentales et les simulations Monte-Carlo.

L’imagerie tomodensitométrique (TDM) et les TPS sont au cœur de la radiothérapie (Chapitre 1, § I). Ces systèmes sont capables de gérer les techniques conventionnelles (radiothérapie conformationnelle 3D, RTC3D) et les techniques plus complexes

Cette étude s’intéresse uniquement aux prothèses dentaires, que le volume cible proche, ne permet pas d’éviter, contrairement aux prothèses de hanches plus répandues mais plus éloignées du volume cible. Elles seront présentées (Chapitre 1, § II) avant de rappeler quelques principes physiques et leurs conséquences dosimétriques.

Plusieurs travaux ont été menés pour examiner des solutions aux deux problématiques (Chapitre 1, § II), soit au niveau du scanner, soit au niveau du TPS, pour pallier au problème des hétérogénéités de masse volumique élevée. Au vue de la littérature, portant essentiellement sur les conséquences liées à la rétrodiffusion, il paraissait indispensable d’évaluer l’altération de la distribution de la dose sur le volume cible.

Pour cela, l’utilisation des méthodes Monte-Carlo (Chapitre 2, § I) étaient indispensables. Elles s’attachent à décrire les phénomènes physiques, d’interaction rayonnement-matière, par une transcription statistique. Différents codes permettent de modéliser l’appareil de traitement et de calculer la distribution de la dose dans un volume d’intérêt. Pour en faire une référence, une validation avec des mesures est nécessaire.

La description de ces méthodes permet ensuite d’introduire les algorithmes implémentés dans les TPS (Chapitre 2, § II) puisqu’ils sont généralement basés sur des noyaux de distribution de dose pré-calculés par Monte-Carlo. Le but étant de simplifier les calculs prédictifs afin de diminuer les temps de calcul tout en gardant une précision suffisante.

Pour évaluer les algorithmes cliniques, deux fantômes anthropomorphiques ont été créés (Chapitre 3). Le premier au cours d’une étude préliminaire avec une dentition naturelle, orientée vers une comparaison entre les mesures expérimentales (détecteurs thermoluminescent (TLD), films radiochromiques) et les simulations Monte-Carlo. Le second, développé pour une étude plus détaillée, avec des échantillons de formes simples et de dimensions connues, est destiné à évaluer les TPS par rapport aux films radiochromiques et aux simulations Monte-Carlo.

Enfin, les différents enseignements ont été mis en œuvre sur des patients ayant subi une RTC3D ou une RCMI (chapitre 4) ; l’objectif étant d’établir des recommandations pour une application dans la pratique clinique courante.

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La radiothérapie est destinée à traiter les patients atteints d’un cancer avec des rayonnements ionisants ciblés sur la tumeur. Cette voie thérapeutique s’est développée très rapidement depuis la naissance du scanner et de la planification informatique dans les années 1970 permettant de s’adapter à la maladie et de maîtriser la dose prescrite et la dose reçue par les organes à risque. Ces systèmes sont optimaux pour des patients n’ayant aucun dispositif médical implanté. Ces derniers, largement composé d’alliage métallique, perturbent le dépôt de dose.

Nous nous sommes orientés vers les traitements ORL avec prothèses dentaires car, contrairement aux traitements du pelvis avec prothèses de hanche [Buf1], il n’est pas possible d’éviter les prothèses par une angulation différente. En effet, les prothèses sont nombreuses et le volume cible s’étendant souvent de la cavité buccale jusqu’à entourer la moelle épinière (structure sensible) rend inévitable le passage par les prothèses.

Deux problèmes se posent alors lors de la préparation du traitement des patients : les artéfacts sur l’imagerie tomodensitométrique et la gestion des hétérogénéités de masse volumique élevée qui est limitée dans le système de planification de traitement (TPS).

L’imagerie tomodensitométrique (TDM ou CT pour Computed Tomography) est l’élément central dans la planification de traitement quelle que soit la technique choisie (radiothérapie conformationnelle 3D, radiothérapie conformationnelle par modulation d’intensité ou arcthérapie). Cette modalité permet d’obtenir une cartographie 3D des coefficients d’atténuation des tissus nécessaire pour le calcul de la distribution de la dose dans le TPS. Elle est affectée par divers artéfacts et en particulier les artéfacts en étoile typique de la présence d’un objet métallique. La littérature décrit plusieurs méthodes de correction sur les données brutes des images dont il faudra évaluer les performances et l’intégration dans le système de planification.

Quant au dépôt de dose, il est fortement dépendant des milieux traversés et la précision du calcul dépend de l’exactitude de l’identification des matériaux (avec ou sans correction préalable des images) et de la capacité de l’algorithme à gérer les masses volumiques élevées (> 3 g/cm3).

Pour remédier aux informations erronées des masses volumiques, les TPS offrent la possibilité de modifier la valeur de masse volumique des images. Mais, les algorithmes étant imprécis dans ces régions avec artéfacts et avec des matériaux de masse volumique élevée, il est fondamental alors d’étudier d’autres approches, notamment en tenant compte des erreurs commises sur le calcul de la dose en fonction de la complexité des configurations. Cela est possible grâce aux méthodes Monte-Carlo et aux mesures expérimentales sur fantôme.

L’objectif de ce chapitre est de présenter brièvement la radiothérapie ainsi que les différents types de prothèses dentaires avant d’exposer les méthodes de corrections des artéfacts. Ces méthodes peuvent être appliquées directement sur les images CT ou dans le TPS et sont