Dose reconstruction in the context of tomotherapy

In vivo dosimetry is a way to verify the radiation dose delivered to the patient in measuring the dose generally during the first fraction of the treatment. It is the only dose delivery control based on a measurement performed during the treatment. In today's radiotherapy practice, the dose delivered to the patient is planned using 3D dose calculation algorithms and volumetric images representing the patient. Due to the high accuracy and precision necessary in radiation treatments, national and international organisations like ICRU and AAPM recommend the use of in vivo dosimetry. It is also mandatory in some countries like France. Various in vivo dosimetry methods have been developed during the past years. These methods are point-, line-, plane- or 3D dose controls. A 3D in vivo dosimetry provides the most information about the dose delivered to the patient, with respect to ID and 2D methods. However, to our knowledge, it is generally not routinely applied to patient treatments yet. The aim of this PhD thesis was to determine whether it is possible to reconstruct the 3D delivered dose using transmitted beam measurements in the context of narrow beams. An iterative dose reconstruction method has been described and implemented. The iterative algorithm includes a simple 3D dose calculation algorithm based on the convolution/superposition principle. The methodology was applied to narrow beams produced by a conventional 6 MV linac. The transmitted dose was measured using an array of ion chambers, as to simulate the linear nature of a tomotherapy detector. We showed that the iterative algorithm converges quickly and reconstructs the dose within a good agreement (at least 3% / 3 mm locally), which is inside the 5% recommended by the ICRU. Moreover it was demonstrated on phantom measurements that the proposed method allows us detecting some set-up errors and interfraction geometry modifications. We also have discussed the limitations of the 3D dose reconstruction for dose delivery error detection. Afterwards, stability tests of the tomotherapy MVCT built-in onboard detector was performed in order to evaluate if such a detector is suitable for 3D in-vivo dosimetry. The detector showed stability on short and long terms comparable to other imaging devices as the EPIDs, also used for in vivo dosimetry. Subsequently, a methodology for the dose reconstruction using the tomotherapy MVCT detector is proposed in the context of static irradiations. This manuscript is composed of two articles and a script providing further information related to this work. In the latter, the first chapter introduces the state-of-the-art of in vivo dosimetry and adaptive radiotherapy, and explains why we are interested in performing 3D dose reconstructions. In chapter 2 a dose calculation algorithm implemented for this work is reviewed with a detailed description of the physical parameters needed for calculating 3D absorbed dose distributions. The tomotherapy MVCT detector used for transit measurements and its characteristics are described in chapter 3. Chapter 4 contains a first article entitled '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', which describes the dose reconstruction method and presents tests of the methodology on phantoms irradiated with 6 MV narrow photon beams. Chapter 5 contains a second article 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations. A dose reconstruction process specific to the use of the tomotherapy MVCT detector is presented in chapter 6. A discussion and perspectives of the PhD thesis are presented in chapter 7, followed by a conclusion in chapter 8. The tomotherapy treatment device is described in appendix 1 and an overview of 3D conformai- and intensity modulated radiotherapy is presented in appendix 2. - La dosimétrie in vivo est une technique utilisée pour vérifier la dose délivrée au patient en faisant une mesure, généralement pendant la première séance du traitement. Il s'agit de la seule technique de contrôle de la dose délivrée basée sur une mesure réalisée durant l'irradiation du patient. La dose au patient est calculée au moyen d'algorithmes 3D utilisant des images volumétriques du patient. En raison de la haute précision nécessaire lors des traitements de radiothérapie, des organismes nationaux et internationaux tels que l'ICRU et l'AAPM recommandent l'utilisation de la dosimétrie in vivo, qui est devenue obligatoire dans certains pays dont la France. Diverses méthodes de dosimétrie in vivo existent. Elles peuvent être classées en dosimétrie ponctuelle, planaire ou tridimensionnelle. La dosimétrie 3D est celle qui fournit le plus d'information sur la dose délivrée. Cependant, à notre connaissance, elle n'est généralement pas appliquée dans la routine clinique. Le but de cette recherche était de déterminer s'il est possible de reconstruire la dose 3D délivrée en se basant sur des mesures de la dose transmise, dans le contexte des faisceaux étroits. Une méthode itérative de reconstruction de la dose a été décrite et implémentée. L'algorithme itératif contient un algorithme simple basé sur le principe de convolution/superposition pour le calcul de la dose. La dose transmise a été mesurée à l'aide d'une série de chambres à ionisations alignées afin de simuler la nature linéaire du détecteur de la tomothérapie. Nous avons montré que l'algorithme itératif converge rapidement et qu'il permet de reconstruire la dose délivrée avec une bonne précision (au moins 3 % localement / 3 mm). De plus, nous avons démontré que cette méthode permet de détecter certaines erreurs de positionnement du patient, ainsi que des modifications géométriques qui peuvent subvenir entre les séances de traitement. Nous avons discuté les limites de cette méthode pour la détection de certaines erreurs d'irradiation. Par la suite, des tests de stabilité du détecteur MVCT intégré à la tomothérapie ont été effectués, dans le but de déterminer si ce dernier peut être utilisé pour la dosimétrie in vivo. Ce détecteur a démontré une stabilité à court et à long terme comparable à d'autres détecteurs tels que les EPIDs également utilisés pour l'imagerie et la dosimétrie in vivo. Pour finir, une adaptation de la méthode de reconstruction de la dose a été proposée afin de pouvoir l'implémenter sur une installation de tomothérapie. Ce manuscrit est composé de deux articles et d'un script contenant des informations supplémentaires sur ce travail. Dans ce dernier, le premier chapitre introduit l'état de l'art de la dosimétrie in vivo et de la radiothérapie adaptative, et explique pourquoi nous nous intéressons à la reconstruction 3D de la dose délivrée. Dans le chapitre 2, l'algorithme 3D de calcul de dose implémenté pour ce travail est décrit, ainsi que les paramètres physiques principaux nécessaires pour le calcul de dose. Les caractéristiques du détecteur MVCT de la tomothérapie utilisé pour les mesures de transit sont décrites dans le chapitre 3. Le chapitre 4 contient un premier article intitulé '3D dose reconstruction for narrow beams using ion chamber array measurements', qui décrit la méthode de reconstruction et présente des tests de la méthodologie sur des fantômes irradiés avec des faisceaux étroits. Le chapitre 5 contient un second article intitulé 'Stability of the Helical TomoTherapy HiArt II detector for treatment beam irradiations'. Un procédé de reconstruction de la dose spécifique pour l'utilisation du détecteur MVCT de la tomothérapie est présenté au chapitre 6. Une discussion et les perspectives de la thèse de doctorat sont présentées au chapitre 7, suivies par une conclusion au chapitre 8. Le concept de la tomothérapie est exposé dans l'annexe 1. Pour finir, la radiothérapie «informationnelle 3D et la radiothérapie par modulation d'intensité sont présentées dans l'annexe 2.

Quality Assessment of Cardiac Magnetic Resonance Images at 1.5/3.0 T: Description and Validation of Standardized Criteria

PURPOSE: Cardiovascular magnetic resonance (CMR) has become a robust and important diagnostic imaging modality in cardiovascular medicine. However,insufficient image quality may compromise its diagnostic accuracy. No standardized criteria are available to assess the quality of CMR studies. We aimed todescribe and validate standardized criteria to evaluate the quality of CMR studies including: a) cine steady-state free precession, b) delayed gadoliniumenhancement, and c) adenosine stress first-pass perfusion. These criteria will serve for the assessment of the image quality in the setting of the Euro-CMR registry.METHOD AND MATERIALS: First, a total of 45 quality criteria were defined (35 qualitative criteria with a score from 0-3, and 10 quantitative criteria). Thequalitative score ranged from 0 to 105. The lower the qualitative score, the better the quality. The quantitative criteria were based on the absolute signal intensity (delayed enhancement) and on the signal increase (perfusion) of the anterior/posterior left ventricular wall after gadolinium injection. These criteria were then applied in 30 patients scanned with a 1.5T system and in 15 patients scanned with a 3.0T system. The examinations were jointly interpreted by 3 CMR experts and 1 study nurse. In these 45 patients the correlation between the results of the quality assessment obtained by the different readers was calculated.RESULTS: On the 1.5T machine, the mean quality score was 3.5. The mean difference between each pair of observers was 0.2 (5.7%) with a mean standarddeviation of 1.4. On the 3.0T machine, the mean quality score was 4.4. The mean difference between each pair of onservers was 0.3 (6.4%) with a meanstandard deviation of 1.6. The quantitative quality assessments between observers were well correlated for the 1.5T machine: R was between 0.78 and 0.99 (pCONCLUSION: The described criteria for the assessment of CMR image quality are robust and have a low inter-observer variability, especially on 1.5T systems.CLINICAL RELEVANCE/APPLICATION: These criteria will allow the standardization of CMR examinations. They will help to improve the overall quality ofexaminations and the comparison between clinical studies.

Geometry-based demosaicking

Demosaicking is a particular case of interpolation problems where, from a scalar image in which each pixel has either the red, the green or the blue component, we want to interpolate the full-color image. State-of-the-art demosaicking algorithms perform interpolation along edges, but these edges are estimated locally. We propose a level-set-based geometric method to estimate image edges, inspired by the image in-painting literature. This method has a time complexity of O(S) , where S is the number of pixels in the image, and compares favorably with the state-of-the-art algorithms both visually and in most relevant image quality measures.

High-resolution seismic images of potentially seismogenic structures beneath the northwest Canterbury Plains, New Zealand

The transpressional boundary between the Australian and Pacific plates in the central South Island of New Zealand comprises the Alpine Fault and a broad region of distributed strain concentrated in the Southern Alps but encompassing regions further to the east, including the northwest Canterbury Plains. Low to moderate levels of seismicity (e. g., 2 > M 5 events since 1974 and 2 > M 4.0 in 2009) and Holocene sediments offset or disrupted along rare exposed active fault segments are evidence for ongoing tectonism in the northwest plains, the surface topography of which is remarkably flat and even. Because the geology underlying the late Quaternary alluvial fan deposits that carpet most of the plains is not established, the detailed tectonic evolution of this region and the potential for larger earthquakes is only poorly understood. To address these issues, we have processed and interpreted high-resolution (2.5 m subsurface sampling interval) seismic data acquired along lines strategically located relative to extensive rock exposures to the north, west, and southwest and rare exposures to the east. Geological information provided by these rock exposures offer important constraints on the interpretation of the seismic data. The processed seismic reflection sections image a variably thick layer of generally undisturbed younger (i.e., < 24 ka) Quaternary alluvial sediments unconformably overlying an older (> 59 ka) Quaternary sedimentary sequence that shows evidence of moderate faulting and folding during and subsequent to deposition. These Quaternary units are in unconformable contact with Late Cretaceous-Tertiary interbedded sedimentary and volcanic rocks that are highly faulted, folded, and tilted. The lowest imaged unit is largely reflection-free Permian Triassic basement rocks. Quaternary-age deformation has affected all the rocks underlying the younger alluvial sediments, and there is evidence for ongoing deformation. Eight primary and numerous secondary faults as well as a major anticlinal fold are revealed on the seismic sections. Folded sedimentary and volcanic units are observed in the hanging walls and footwalls of most faults. Five of the primary faults represent plausible extensions of mapped faults, three of which are active. The major anticlinal fold is the probable continuation of known active structure. A magnitude 7.1 earthquake occurred on 4 September 2010 near the southeastern edge of our study area. This predominantly right-lateral strike-slip event and numerous aftershocks (ten with magnitudes >= 5 within one week of the main event) highlight the primary message of our paper: that the generally flat and topographically featureless Canterbury Plains is underlain by a network of active faults that have the potential to generate significant earthquakes.

Imaging of tophaceous gout: computed tomography provides specific images compared with magnetic resonance imaging and ultrasonography.

OBJECTIVE: To determine the usefulness of computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), and Doppler ultrasonography (US) in providing specific images of gouty tophi. METHODS: Four male patients with chronic gout with tophi affecting the knee joints (three cases) or the olecranon processes of the elbows (one case) were assessed. Crystallographic analyses of the synovial fluid or tissue aspirates of the areas of interest were made with polarising light microscopy, alizarin red staining, and x ray diffraction. CT was performed with a GE scanner, MR imaging was obtained with a 1.5 T Magneton (Siemens), and ultrasonography with colour Doppler was carried out by standard technique. RESULTS: Crystallographic analyses showed monosodium urate (MSU) crystals in the specimens of the four patients; hydroxyapatite and calcium pyrophosphate dihydrate (CPPD) crystals were not found. A diffuse soft tissue thickening was seen on plain radiographs but no calcifications or ossifications of the tophi. CT disclosed lesions containing round and oval opacities, with a mean density of about 160 Hounsfield units (HU). With MRI, lesions were of low to intermediate signal intensity on T(1) and T(2) weighting. After contrast injection in two cases, enhancement of the tophus was seen in one. Colour Doppler US showed the tophi to be hypoechogenic with peripheral increase of the blood flow in three cases. CONCLUSION: The MR and colour Doppler US images showed the tophi as masses surrounded by a hypervascular area, which cannot be considered as specific for gout. But on CT images, masses of about 160 HU density were clearly seen, which correspond to MSU crystal deposits.

Aitchison Geometry for Probability and Likelihood as a new approach to mathematical statistics

The Aitchison vector space structure for the simplex is generalized to a Hilbert space structure A2(P) for distributions and likelihoods on arbitrary spaces. Centralnotations of statistics, such as Information or Likelihood, can be identified in the algebraical structure of A2(P) and their corresponding notions in compositional data analysis, such as Aitchison distance or centered log ratio transform.In this way very elaborated aspects of mathematical statistics can be understoodeasily in the light of a simple vector space structure and of compositional data analysis. E.g. combination of statistical information such as Bayesian updating,combination of likelihood and robust M-estimation functions are simple additions/perturbations in A2(Pprior). Weighting observations corresponds to a weightedaddition of the corresponding evidence.Likelihood based statistics for general exponential families turns out to have aparticularly easy interpretation in terms of A2(P). Regular exponential families formfinite dimensional linear subspaces of A2(P) and they correspond to finite dimensionalsubspaces formed by their posterior in the dual information space A2(Pprior).The Aitchison norm can identified with mean Fisher information. The closing constant itself is identified with a generalization of the cummulant function and shown to be Kullback Leiblers directed information. Fisher information is the local geometry of the manifold induced by the A2(P) derivative of the Kullback Leibler information and the space A2(P) can therefore be seen as the tangential geometry of statistical inference at the distribution P.The discussion of A2(P) valued random variables, such as estimation functionsor likelihoods, give a further interpretation of Fisher information as the expected squared norm of evidence and a scale free understanding of unbiased reasoning

Proverbes, dictons et expressions imagées dans l’enseignement/apprentissage du FLE, dans le secondaire au Cap-Vert.

Pour bien maîtriser une langue, il faut sans doute en avoir une connaissance la plus large possible, ce qui demande alors l’enseignement/apprentissage de tous les éléments qui la composent. Dans ce cas, il est très important de savoir quels sont, parmi ces éléments, ceux qui sont amenés en classe et comment ils y sont présentés. Il y en a certains qui ne fi-gurent pas dans le programme destiné à l’enseignement/apprentissage de la langue fran-çaise. S’ils l’étaient, probablement ils seraient enseignés. Mais, d’après notre constat, non seulement ils ne figurent pas, comme ils ne sont pas ou presque pas traités en cours par l’initiative des professeurs, bien qu’ils soient parmi les éléments les plus importants dans l’apprentissage d’une langue. Très souvent, ce sont ces éléments qui sont à la base de la motivation pour l’apprentissage des langues puisqu’ils constituent, d’une certaine manière, le charme et la beauté d’une langue. Nous en avons pris trois (proverbe, dicton et expres-sion imagée), qui peuvent représenter la manière de vivre ; de penser ; la culture, les cou-tumes et les habitudes d’un peuple. Il faut préciser que ce constat nous l’avons fait depuis longtemps. Par conséquent, nous avons décidé de traduire l’inquiétude que cette problématique provoque chez nous en ce travail de recherche qui a été mené sous le thème de : Proverbes, dictons et expres-sions imagées dans l’enseignement/apprentissage du FLE, dans le secondaire au Cap- Vert. Dans l’ensemble, ce travail est composé de trois parties. Dans la première partie, après les consultations de documents, nous avons proposé une réflexion sur le proverbe, le dicton et l’expression imagée en ce qui concerne leur origine et leur contexte social, temporel, leur durée, et leur situation actuelle par rapport à leur utilisation ou leur étude. Nous en avons également présenté quelques définitions, en insistant sur la distinction entre les mêmes, vu que pendant les recherches, nous avons constaté qu’il y a parfois, une confusion entre eux. Puis, dans la deuxième partie, à travers des enquêtes qui ont été menées sur le terrain dans quelques lycées de Praia, nous avons présenté sous forme d’analyse, la situation ac-tuelle concernant le recours aux proverbes, dictons et expressions imagées par le professeur dans ses cours, bien comme l’intérêt et la motivation des élèves face aux mêmes. Finalement, dans la troisième et dernière partie, nous avons dressé une liste composée de proverbes, dictons et expressions imagées que nous avons fait accompagner de leur pays d’origine, quand cela a été possible. Ils ont été analysés et nous avons essayé de montrer également, l’utilité pratique de leur message, soit pour les élèves à l’école, soit d’une ma-nière plus générale, pour toute la vie dans la société. Pour donner un caractère pratique à notre travail, nous avons fait quelques proposi-tions de techniques d’exploitation de proverbes, dictons et expressions imagées, dans les classes. C’est-à-dire, nous avons essayé d’apporter des suggestions qui peuvent être appli-quées à un éventuel engagement de la part des professeurs ou d’autres intervenants concer-nés à la résolution de la problématique qui a légitimé notre recherche.