Développement et validation d'une méthode de calcul indépendant des unités moniteur basée sur les simulations Monte Carlo pour la vérification des traitements IMRT

Résumé : La radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT) est une technique de traitement qui utilise des faisceaux dont la fluence de rayonnement est modulée. L'IMRT, largement utilisée dans les pays industrialisés, permet d'atteindre une meilleure homogénéité de la dose à l'intérieur du volume cible et de réduire la dose aux organes à risque. Une méthode usuelle pour réaliser pratiquement la modulation des faisceaux est de sommer de petits faisceaux (segments) qui ont la même incidence. Cette technique est appelée IMRT step-and-shoot. Dans le contexte clinique, il est nécessaire de vérifier les plans de traitement des patients avant la première irradiation. Cette question n'est toujours pas résolue de manière satisfaisante. En effet, un calcul indépendant des unités moniteur (représentatif de la pondération des chaque segment) ne peut pas être réalisé pour les traitements IMRT step-and-shoot, car les poids des segments ne sont pas connus à priori, mais calculés au moment de la planification inverse. Par ailleurs, la vérification des plans de traitement par comparaison avec des mesures prend du temps et ne restitue pas la géométrie exacte du traitement. Dans ce travail, une méthode indépendante de calcul des plans de traitement IMRT step-and-shoot est décrite. Cette méthode est basée sur le code Monte Carlo EGSnrc/BEAMnrc, dont la modélisation de la tête de l'accélérateur linéaire a été validée dans une large gamme de situations. Les segments d'un plan de traitement IMRT sont simulés individuellement dans la géométrie exacte du traitement. Ensuite, les distributions de dose sont converties en dose absorbée dans l'eau par unité moniteur. La dose totale du traitement dans chaque élément de volume du patient (voxel) peut être exprimée comme une équation matricielle linéaire des unités moniteur et de la dose par unité moniteur de chacun des faisceaux. La résolution de cette équation est effectuée par l'inversion d'une matrice à l'aide de l'algorithme dit Non-Negative Least Square fit (NNLS). L'ensemble des voxels contenus dans le volume patient ne pouvant être utilisés dans le calcul pour des raisons de limitations informatiques, plusieurs possibilités de sélection ont été testées. Le meilleur choix consiste à utiliser les voxels contenus dans le Volume Cible de Planification (PTV). La méthode proposée dans ce travail a été testée avec huit cas cliniques représentatifs des traitements habituels de radiothérapie. Les unités moniteur obtenues conduisent à des distributions de dose globale cliniquement équivalentes à celles issues du logiciel de planification des traitements. Ainsi, cette méthode indépendante de calcul des unités moniteur pour l'IMRT step-andshootest validée pour une utilisation clinique. Par analogie, il serait possible d'envisager d'appliquer une méthode similaire pour d'autres modalités de traitement comme par exemple la tomothérapie. Abstract : Intensity Modulated RadioTherapy (IMRT) is a treatment technique that uses modulated beam fluence. IMRT is now widespread in more advanced countries, due to its improvement of dose conformation around target volume, and its ability to lower doses to organs at risk in complex clinical cases. One way to carry out beam modulation is to sum smaller beams (beamlets) with the same incidence. This technique is called step-and-shoot IMRT. In a clinical context, it is necessary to verify treatment plans before the first irradiation. IMRT Plan verification is still an issue for this technique. Independent monitor unit calculation (representative of the weight of each beamlet) can indeed not be performed for IMRT step-and-shoot, because beamlet weights are not known a priori, but calculated by inverse planning. Besides, treatment plan verification by comparison with measured data is time consuming and performed in a simple geometry, usually in a cubic water phantom with all machine angles set to zero. In this work, an independent method for monitor unit calculation for step-and-shoot IMRT is described. This method is based on the Monte Carlo code EGSnrc/BEAMnrc. The Monte Carlo model of the head of the linear accelerator is validated by comparison of simulated and measured dose distributions in a large range of situations. The beamlets of an IMRT treatment plan are calculated individually by Monte Carlo, in the exact geometry of the treatment. Then, the dose distributions of the beamlets are converted in absorbed dose to water per monitor unit. The dose of the whole treatment in each volume element (voxel) can be expressed through a linear matrix equation of the monitor units and dose per monitor unit of every beamlets. This equation is solved by a Non-Negative Least Sqvare fif algorithm (NNLS). However, not every voxels inside the patient volume can be used in order to solve this equation, because of computer limitations. Several ways of voxel selection have been tested and the best choice consists in using voxels inside the Planning Target Volume (PTV). The method presented in this work was tested with eight clinical cases, which were representative of usual radiotherapy treatments. The monitor units obtained lead to clinically equivalent global dose distributions. Thus, this independent monitor unit calculation method for step-and-shoot IMRT is validated and can therefore be used in a clinical routine. It would be possible to consider applying a similar method for other treatment modalities, such as for instance tomotherapy or volumetric modulated arc therapy.

A peripheral dose calculation model for estimating second cancer risk after breast radiotherapy

AbstractBreast cancer is one of the most common cancers affecting one in eight women during their lives. Survival rates have increased steadily thanks to early diagnosis with mammography screening and more efficient treatment strategies. Post-operative radiation therapy is a standard of care in the management of breast cancer and has been shown to reduce efficiently both local recurrence rate and breast cancer mortality. Radiation therapy is however associated with some late effects for long-term survivors. Radiation-induced secondary cancer is a relatively rare but severe late effect of radiation therapy. Currently, radiotherapy plans are essentially optimized to maximize tumor control and minimize late deterministic effects (tissue reactions) that are mainly associated with high doses (» 1 Gy). With improved cure rates and new radiation therapy technologies, it is also important to evaluate and minimize secondary cancer risks for different treatment techniques. This is a particularly challenging task due to the large uncertainties in the dose-response relationship.In contrast with late deterministic effects, secondary cancers may be associated with much lower doses and therefore out-of-field doses (also called peripheral doses) that are typically inferior to 1 Gy need to be determined accurately. Out-of-field doses result from patient scatter and head scatter from the treatment unit. These doses are particularly challenging to compute and we characterized it by Monte Carlo (MC) calculation. A detailed MC model of the Siemens Primus linear accelerator has been thoroughly validated with measurements. We investigated the accuracy of such a model for retrospective dosimetry in epidemiological studies on secondary cancers. Considering that patients in such large studies could be treated on a variety of machines, we assessed the uncertainty in reconstructed peripheral dose due to the variability of peripheral dose among various linac geometries. For large open fields (> 10x10 cm2), the uncertainty would be less than 50%, but for small fields and wedged fields the uncertainty in reconstructed dose could rise up to a factor of 10. It was concluded that such a model could be used for conventional treatments using large open fields only.The MC model of the Siemens Primus linac was then used to compare out-of-field doses for different treatment techniques in a female whole-body CT-based phantom. Current techniques such as conformai wedged-based radiotherapy and hybrid IMRT were investigated and compared to older two-dimensional radiotherapy techniques. MC doses were also compared to those of a commercial Treatment Planning System (TPS). While the TPS is routinely used to determine the dose to the contralateral breast and the ipsilateral lung which are mostly out of the treatment fields, we have shown that these doses may be highly inaccurate depending on the treatment technique investigated. MC shows that hybrid IMRT is dosimetrically similar to three-dimensional wedge-based radiotherapy within the field, but offers substantially reduced doses to out-of-field healthy organs.Finally, many different approaches to risk estimations extracted from the literature were applied to the calculated MC dose distribution. Absolute risks varied substantially as did the ratio of risk between two treatment techniques, reflecting the large uncertainties involved with current risk models. Despite all these uncertainties, the hybrid IMRT investigated resulted in systematically lower cancer risks than any of the other treatment techniques. More epidemiological studies with accurate dosimetry are required in the future to construct robust risk models. In the meantime, any treatment strategy that reduces out-of-field doses to healthy organs should be investigated. Electron radiotherapy might offer interesting possibilities with this regard.RésuméLe cancer du sein affecte une femme sur huit au cours de sa vie. Grâce au dépistage précoce et à des thérapies de plus en plus efficaces, le taux de guérison a augmenté au cours du temps. La radiothérapie postopératoire joue un rôle important dans le traitement du cancer du sein en réduisant le taux de récidive et la mortalité. Malheureusement, la radiothérapie peut aussi induire des toxicités tardives chez les patients guéris. En particulier, les cancers secondaires radio-induits sont une complication rare mais sévère de la radiothérapie. En routine clinique, les plans de radiothérapie sont essentiellement optimisées pour un contrôle local le plus élevé possible tout en minimisant les réactions tissulaires tardives qui sont essentiellement associées avec des hautes doses (» 1 Gy). Toutefois, avec l'introduction de différentes nouvelles techniques et avec l'augmentation des taux de survie, il devient impératif d'évaluer et de minimiser les risques de cancer secondaire pour différentes techniques de traitement. Une telle évaluation du risque est une tâche ardue étant donné les nombreuses incertitudes liées à la relation dose-risque.Contrairement aux effets tissulaires, les cancers secondaires peuvent aussi être induits par des basses doses dans des organes qui se trouvent hors des champs d'irradiation. Ces organes reçoivent des doses périphériques typiquement inférieures à 1 Gy qui résultent du diffusé du patient et du diffusé de l'accélérateur. Ces doses sont difficiles à calculer précisément, mais les algorithmes Monte Carlo (MC) permettent de les estimer avec une bonne précision. Un modèle MC détaillé de l'accélérateur Primus de Siemens a été élaboré et validé avec des mesures. La précision de ce modèle a également été déterminée pour la reconstruction de dose en épidémiologie. Si on considère que les patients inclus dans de larges cohortes sont traités sur une variété de machines, l'incertitude dans la reconstruction de dose périphérique a été étudiée en fonction de la variabilité de la dose périphérique pour différents types d'accélérateurs. Pour de grands champs (> 10x10 cm ), l'incertitude est inférieure à 50%, mais pour de petits champs et des champs filtrés, l'incertitude de la dose peut monter jusqu'à un facteur 10. En conclusion, un tel modèle ne peut être utilisé que pour les traitements conventionnels utilisant des grands champs.Le modèle MC de l'accélérateur Primus a été utilisé ensuite pour déterminer la dose périphérique pour différentes techniques dans un fantôme corps entier basé sur des coupes CT d'une patiente. Les techniques actuelles utilisant des champs filtrés ou encore l'IMRT hybride ont été étudiées et comparées par rapport aux techniques plus anciennes. Les doses calculées par MC ont été comparées à celles obtenues d'un logiciel de planification commercial (TPS). Alors que le TPS est utilisé en routine pour déterminer la dose au sein contralatéral et au poumon ipsilatéral qui sont principalement hors des faisceaux, nous avons montré que ces doses peuvent être plus ou moins précises selon la technTque étudiée. Les calculs MC montrent que la technique IMRT est dosimétriquement équivalente à celle basée sur des champs filtrés à l'intérieur des champs de traitement, mais offre une réduction importante de la dose aux organes périphériques.Finalement différents modèles de risque ont été étudiés sur la base des distributions de dose calculées par MC. Les risques absolus et le rapport des risques entre deux techniques de traitement varient grandement, ce qui reflète les grandes incertitudes liées aux différents modèles de risque. Malgré ces incertitudes, on a pu montrer que la technique IMRT offrait une réduction du risque systématique par rapport aux autres techniques. En attendant des données épidémiologiques supplémentaires sur la relation dose-risque, toute technique offrant une réduction des doses périphériques aux organes sains mérite d'être étudiée. La radiothérapie avec des électrons offre à ce titre des possibilités intéressantes.

Contribution à la cartographie géomorphologique de la dynamique sédimentaire des petits bassins versants torrentiels

Les laves torrentielles sont l'un des vecteurs majeurs de sédiments en milieu montagneux. Leur comportement hydrogéomorphologique est contrôlé par des facteurs géologique, géomorphologique, topographique, hydrologique, climatique et anthropique. Si, en Europe, la recherche s'est plus focalisée sur les aspects hydrologiques que géomorphologiques de ces phénomènes, l'identification des volumes de sédiments potentiellement mobilisables au sein de petits systèmes torrentiels et des processus responsables de leur transfert est d'une importance très grande en termes d'aménagement du territoire et de gestion des dangers naturels. De plus, une corrélation entre des événements pluviométriques et l'occurrence de laves torrentielles n'est pas toujours établie et de nombreux événements torrentiels semblent se déclencher lorsqu'un seuil géomorphologique intrinsèque (degré de remplissage du chenal) au cours d'eau est atteint.Une méthodologie pragmatique a été développée pour cartographier les stocks sédimentaires constituant une source de matériaux pour les laves torrentielles, comme outil préliminaire à la quantification des volumes transportés par ces phénomènes. La méthode s'appuie sur des données dérivées directement d'analyses en environnement SIG réalisées sur des modèles numériques d'altitude de haute précision, de mesures de terrain et d'interprétation de photographies aériennes. La méthode a été conçue pour évaluer la dynamique des transferts sédimentaires, en prenant en compte le rôle des différents réservoirs sédimentaires, par l'application du concept de cascade sédimentaire sous un angle cartographique.Les processus de transferts sédimentaires ont été étudiés dans deux bassins versants des Alpes suisses (torrent du Bruchi, à Blatten beiNaters et torrent du Meretschibach, à Agarn). La cartographie géomorphologique a été couplée avec des mesures complémentaires permettant d'estimer les flux sédimentaires et les taux d'érosion (traçages de peinture, piquets de dénudation et utilisation du LiDAR terrestre). La méthode proposée se révèle innovatrice en comparaison avec la plupart des systèmes de légendes géomorphologiques existants, qui ne sont souvent pas adaptés pour cartographier de manière satisfaisante les systèmes géomorphologiques complexes et actifs que sont les bassins torrentiels. L'intérêt de cette méthode est qu'elle permet l'établissement d'une cascade sédimentaire, mais uniquement pour des systèmes où l'occurrence d'une lave torrentielle est contrôlé par le degré de remplissage en matériaux du chenal. Par ailleurs, le produit cartographique ne peut être directement utilisé pour la création de cartes de dangers - axées sur les zones de dépôt - mais revêt un intérêt pour la mise en place de mesures de correction et pour l'installation de systèmes de monitoring ou d'alerte.La deuxième partie de ce travail de recherche est consacrée à la cartographie géomorphologique. Une analyse a porté sur un échantillon de 146 cartes ou systèmes de légende datant des années 1950 à 2009 et réalisés dans plus de 40 pays. Cette analyse a permis de mettre en évidence la diversité des applications et des techniques d'élaboration des cartes géomorphologiques. - Debris flows are one of the most important vectors of sediment transfer in mountainous areas. Their hydro-geomorphological behaviour is conditioned by geological, geomorphological, topographical, hydrological, climatic and anthropic factors. European research in torrential systems has focused more on hydrological processes than on geomorphological processes acting as debris flow triggers. Nevertheless, the identification of sediment volumes that have the potential to be mobilised in small torrential systems, as well as the recognition of processes responsible for their mobilisation and transfer within the torrential system, are important in terms of land-use planning and natural hazard management. Moreover, a correlation between rainfall and debris flow occurrence is not always established and a number of debris flows seems to occur when a poorly understood geomorphological threshold is reached.A pragmatic methodology has been developed for mapping sediment storages that may constitute source zone of bed load transport and debris flows as a preliminary tool before quantifying their volumes. It is based on data directly derived from GIS analysis using high resolution DEM's, field measurements and aerial photograph interpretations. It has been conceived to estimate sediment transfer dynamics, taking into account the role of different sediment stores in the torrential system applying the concept of "sediment cascade" in a cartographic point of view.Sediment transfer processes were investigated in two small catchments in the Swiss Alps (Bruchi torrent, Blatten bei Naters and Meretschibach torrent, Agarn). Thorough field geomorphological mapping coupled with complementary measurements were conducted to estimate sediment fluxes and denudation rates, using various methods (reference coloured lines, wooden markers and terrestrial LiDAR). The proposed geomorphological mapping methodology is quite innovative in comparison with most legend systems that are not adequate for mapping active and complex geomorphological systems such as debris flow catchments. The interest of this mapping method is that it allows the concept of sediment cascade to be spatially implemented but only for supply-limited systems. The map cannot be used directly for the creation of hazard maps, focused on the deposition areas, but for the design of correction measures and the implementation of monitoring and warning systems.The second part of this work focuses on geomorphological mapping. An analysis of a sample of 146 (extracts of) maps or legend systems dating from the middle of the 20th century to 2009 - realised in more than 40 different countries - was carried out. Even if this study is not exhaustive, it shows a clear renewed interest for the discipline worldwide. It highlights the diversity of applications, techniques (scale, colours and symbology) used for their conception.