Correlation of phantom-based and log file patient-specific QA with complexity scores for VMAT

The motivation for this study was to reduce physics workload relating to patient- specific quality assurance (QA). VMAT plan delivery accuracy was determined from analysis of pre- and on-treatment trajectory log files and phantom-based ionization chamber array measurements. The correlation in this combination of measurements for patient-specific QA was investigated. The relationship between delivery errors and plan complexity was investigated as a potential method to further reduce patient-specific QA workload. Thirty VMAT plans from three treatment sites - prostate only, prostate and pelvic node (PPN), and head and neck (H&N) - were retrospectively analyzed in this work. The 2D fluence delivery reconstructed from pretreatment and on-treatment trajectory log files was compared with the planned fluence using gamma analysis. Pretreatment dose delivery verification was also car- ried out using gamma analysis of ionization chamber array measurements compared with calculated doses. Pearson correlations were used to explore any relationship between trajectory log file (pretreatment and on-treatment) and ionization chamber array gamma results (pretreatment). Plan complexity was assessed using the MU/ arc and the modulation complexity score (MCS), with Pearson correlations used to examine any relationships between complexity metrics and plan delivery accu- racy. Trajectory log files were also used to further explore the accuracy of MLC and gantry positions. Pretreatment 1%/1 mm gamma passing rates for trajectory log file analysis were 99.1% (98.7%-99.2%), 99.3% (99.1%-99.5%), and 98.4% (97.3%-98.8%) (median (IQR)) for prostate, PPN, and H&N, respectively, and were significantly correlated to on-treatment trajectory log file gamma results (R = 0.989, p < 0.001). Pretreatment ionization chamber array (2%/2 mm) gamma results were also significantly correlated with on-treatment trajectory log file gamma results (R = 0.623, p < 0.001). Furthermore, all gamma results displayed a significant correlation with MCS (R > 0.57, p < 0.001), but not with MU/arc. Average MLC position and gantry angle errors were 0.001 ± 0.002 mm and 0.025° ± 0.008° over all treatment sites and were not found to affect delivery accuracy. However, vari- ability in MLC speed was found to be directly related to MLC position accuracy. The accuracy of VMAT plan delivery assessed using pretreatment trajectory log file fluence delivery and ionization chamber array measurements were strongly correlated with on-treatment trajectory log file fluence delivery. The strong corre- lation between trajectory log file and phantom-based gamma results demonstrates potential to reduce our current patient-specific QA. Additionally, insight into MLC and gantry position accuracy through trajectory log file analysis and the strong cor- relation between gamma analysis results and the MCS could also provide further methodologies to both optimize the VMAT planning and QA process. 

MO-FG-BRA-06: Material Optimisation for Nanoparticle-Sensitized Radiotherapy

Development of a single photon counting computed tomography system using MPGDs

The development of computed tomography systems with energy resolving detectors is a current challenge in medical physics and biomedical engineering. A computed tomography system of this kind allows getting complementary informations relatively to conventional systems, that can help the medical diagnosis, being of great interest in medicine. The work described in this thesis is related to the development of a computed tomography system using micropattern gaseous detectors, which allow storing, simultaneously, information about the interaction position and the energy of each single photon that interacts with the detector. This kind of detectors has other advantages concerning the cost and characteristics of operation when compared with solid state detectors. Tomographic acquisitions were performed using a MicroHole & Strip Plate based detector, which allowed reconstructing cross-sectional images using energy windows, applying the energy weighting technique and performing multi-slice and tri-dimensional reconstructions. The contrast-to-noise ratio was improved by 31% by applying the energy weighting technique, comparing with the corresponding image obtained with the current medical systems. A prototype of a computed tomography with flexibility to change the detector was developed, making it possible to apply different detectors based on Thick-COBRA. Several images acquired with these detectors are presented and demonstrate their applicability in X-ray imaging. When operating in NeCH4, the detector allowed a charge gain of 8 104, an energy resolution of 20% (full width at half maximum at 8 keV), a count rate of 1 106 Hz/mm2, a very stable operation (gain fluctuations below 5%) and a spacial resolution of 1.2 mm for an energy photon of 3.6 keV. Operating the detector in pure Kr allowed increasing the detection efficiency and achieving a charge gain of 2 104, an energy resolution of 32% (full width at half maximum at 22 keV), a count rate of 1 105 Hz/mm2, very stable operation and a spatial resolution of 500 m. The software already existing in the group was improved and tools to correct geometric misalignments of the system were also developed. The reconstructions obtained after geometrical correction are free of artefacts due to the referred misalignments.

PHYSQuiz - Aplicação computacional para formação contínua em Física Radiológica

Mestrado em Engenharia de Computação e Instrumentação Médica

Développement et validation de méthodes visant une utilisation optimale d'antennes réceptrices en imagerie par résonance magnétique

Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse.

Étude des facteurs de perturbation de chambres d’ionisation sous conditions non standard

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles.

Développement d'un nouveau critère pour déterminer les limites d'utilisation des détecteurs en dosimétrie non standard

Depuis quelques années, il y a un intérêt de la communauté en dosimétrie d'actualiser les protocoles de dosimétrie des faisceaux larges tels que le TG-51 (AAPM) et le TRS-398 (IAEA) aux champs non standard qui requièrent un facteur de correction additionnel. Or, ces facteurs de correction sont difficiles à déterminer précisément dans un temps acceptable. Pour les petits champs, ces facteurs augmentent rapidement avec la taille de champ tandis que pour les champs d'IMRT, les incertitudes de positionnement du détecteur rendent une correction cas par cas impraticable. Dans cette étude, un critère théorique basé sur la fonction de réponse dosimétrique des détecteurs est développé pour déterminer dans quelles situations les dosimètres peuvent être utilisés sans correction. Les réponses de quatre chambres à ionisation, d'une chambre liquide, d'un détecteur au diamant, d'une diode, d'un détecteur à l'alanine et d'un détecteur à scintillation sont caractérisées à 6 MV et 25 MV. Plusieurs stratégies sont également suggérées pour diminuer/éliminer les facteurs de correction telles que de rapporter la dose absorbée à un volume et de modifier les matériaux non sensibles du détecteur pour pallier l'effet de densité massique. Une nouvelle méthode de compensation de la densité basée sur une fonction de perturbation est présentée. Finalement, les résultats démontrent que le détecteur à scintillation peut mesurer les champs non standard utilisés en clinique avec une correction inférieure à 1%.

Traitement du cancer pulmonaire non à petites cellules par radiothérapie stéréotaxique d’ablation

Les néoplasies pulmonaires demeurent la première cause de décès par cancer au Québec représentant près de 6000 décès par année. Au cours des dernières années, la radiothérapie stéréotaxique d’ablation (SABR) s’est imposée comme un traitement alternatif à la résection anatomique pour les patients inopérables atteints d’un cancer pulmonaire non à petites cellules de stade précoce. Il s’agit d’une modalité de traitement qui permet d’administrer des doses élevées, typiquement 30-60 Gy en 1-8 fractions, dans le but de cibler précisément le volume de traitement tout en épargnant les tissus sains. Le Centre Hospitalier de l’Université de Montréal s’est muni en 2009 d’un appareil de SABR de fine pointe, le CyberKnife™ (CK), un accélérateur linéaire produisant un faisceau de photons de 6 MV dirigé par un bras robotisé, permettant d’administrer des traitements non-coplanaires avec une précision infra-millimétrique. Ce mémoire est dédié à la caractérisation de certains enjeux cliniques et physiques associés au traitement par CK. Il s’articule autour de deux articles scientifiques revus par les pairs. D’une part, une étude prospective clinique présentant les avantages de la SABR pulmonaire, une technique qui offre un excellent contrôle tumoral à long terme et aide au maintien de la qualité de vie et de la fonction pulmonaire. D’autre part, une étude de physique médicale illustrant les limites de l’acquisition d’images tomodensitométriques en auto-rétention respiratoire lors de la planification de traitement par CK.

Efecto de la hipoxia-reoxigenación y las radiaciones ionizantes en la captación de glucosa en líneas tumorales de seno y colon cocultivadas con células endoteliales.

La captación de glucosa y su conversión en lactato juega un papel fundamental en el metabolismo tumoral, independientemente de la concentración de oxígeno presente en el tejido (efecto Warburg). Sin embrago, dicha captación varía de un tipo tumoral a otro, y dentro del mismo tumor, situación que podría depender de las características microambientales tumorales (fluctuaciones de oxígeno, presencia de otros tipos celulares) y de factores estresores asociados a los tratamientos. Se estudió el efecto de la hipoxia-reoxigenación (HR) y las radiaciones ionizantes (RI) sobre la captación de glucosa, en cultivos de líneas tumorales MCF-7 y HT-29, cultivadas de forma aislada o en cocultivo con la línea celular EAhy296. Se encontró que la captación de glucosa en HR es diferente para lo descrito en condiciones de hipoxia permanente y que es modificada en el cocultivo. Se identificaron poblaciones celulares dentro de la misma línea celular, de alta y baja captación de glucosa, lo que implicaría una simbiosis metabólica de la célula como respuesta adaptativa a las condiciones tumorales. Se evaluó la expresión de NRF2 y la translocación nuclear de NRF2 y HIF1a, como vías de respuesta a estrés celular e hipoxia. La translocación nuclear de las proteínas evaluadas explicaría el comportamiento metabólico de las células tumorales de seno, pero no de colon, por lo cual deben existir otras vías metabólicas implicadas. Las diferencias en el comportamiento de las células tumorales en HR en relación con hipoxia permitirá realizar planeaciones dosimétricas más dinámicas, que reevalúen las condiciones de oxigenación tumoral constantemente.

Gel vs aceite mineral en el tratamiento del fotoenvejecimiento de manos con luz pulsada intensa

Introducción: En el tratamiento con Luz Pulsada Intensa (LPI) para el fotoenvejecimiento de las manos no se encuentran estudios que evidencien si existe alguna diferencia estadísticamente significativa en el grado de efectividad y seguridad al utilizar gel o aceite mineral como medios de acople. Objetivo: Determinar la efectividad y seguridad terapéutica en el uso de gel vs aceite mineral. Materiales y Métodos: Estudio observacional analítico de cohorte retrospectivo que involucró 29 pacientes. Realizado en tres fases; selección y recolección de las historias clínicas, evaluación fotográfica de registros pre tratamiento y pos tratamiento con determinación del grado de mejoría global en el fotoenvejecimiento de las manos por parte de tres evaluadores cegados, y análisis estadístico de los datos obtenidos por medio de las pruebas de Mann Whitney y Wilcoxon. Resultados: Se encontró mejoría dada por disminución en un grado del fotoenvejecimiento para los dos medios de acople con la misma significancia estadística. La percepción subjetiva mostró mejoría en todos los pacientes evaluados. La seguridad es similar en los dos grupos pero se evidenció mayor severidad en los efectos secundarios con el uso de aceite, con diferencias estadísticamente significativas en los efectos moderados y severos. Conclusión: La efectividad es la misma independiente del medio de acople que se use. La seguridad a pesar de evidenciar un perfil similar es mayor con el uso de gel en cuanto a la menor severidad de los efectos presentados. Se requieren más estudios de tipo ensayos clínicos controlados que permitan determinar una mayor evidencia.