Produit dose-surface pour la radiothérapie : application aux protocoles de traitements stéréotaxiques

Dose area product applied to stereotactic radiotherapy

• Auteur / Autrice : Julien Jurczak
• Direction : Jean-Marc Bordy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Radio et hadron-thérapies
• Date : Soutenance le 30/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Régine Gschwind
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Grégory Delpon, Christelle Huet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Régine Gschwind, Grégory Delpon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Calorimétrie

Mesure

Mots clés libres

Métrologie

Petits champs

Calorimétrie

Produit dose-Surface

Films radiochromiques

Monte-Carlo

Metrology

Small fields

Calorimetry

Dose area product

Radiochromic films

Monte Carlo

Résumé

L'évolution des techniques de radiothérapie, en particulier avec l’avènement des traitements stéréotaxiques, a conduit à accroître l'utilisation de petits faisceaux d’irradiation permettant de se conformer au mieux au volume à traiter tout en minimisant l’irradiation des tissus sains environnants. Ce faisant, les conditions cliniques s'éloignent significativement des conditions de référence en dose absorbée dans l’eau en un point, telles que décrites dans les protocoles internationaux. La perte de traçabilité ainsi constatée conduit à une augmentation de l’incertitude sur la dose délivrée au patient. Afin de contourner les difficultés de traçabilité de la dose absorbée en petits champs, le Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) a proposé d’utiliser une approche novatrice. Au lieu de considérer une mesure en un point, une mesure intégrée sur une surface plus grande que le champ d'irradiation a été adoptée au travers d’une autre grandeur : le Produit Dose Surface (Dose Area Product ou DAP). Le travail présenté dans cette thèse porte sur la réalisation de références dosimétriques primaires en Produit Dose Surface dans l’eau (DAPw) pour des tailles de champs carrés et circulaires inférieures ou égales à 15 mm de côté ou de diamètre. En vue du transfert de ces nouvelles références dosimétriques à l’utilisateur, trois chambres d’ionisation plates de même surface sensible que le calorimètre graphite de grande section du LNHB ont été construites et étalonnées par rapport à la référence primaire nouvellement établie, avec une incertitude-type sur le coefficient d’étalonnage inférieure à 0.7% (k=1). Pour les tailles de champs comprises entre 5 mm et 15 mm, les trois chambres présentent le même comportement, avec un coefficient d’étalonnage indépendant de la forme du champ d’une part et qui augmente légèrement, de l’ordre de 1.7% en moyenne, avec la taille de champ d’autre part. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à un changement de par adigme pour la dosimétrie en petits champs.Afin de progresser en direction de l’utilisation clinique du DAP, en particulier au travers des mesures de facteurs d’ouverture du collimateur (FOC), une comparaison a été effectuée entre l’approche classique de la mesure en un point corrigée des facteurs fournis par le protocole IAEA TRS 483, et la dose absorbée en un point déduite du DAP grâce à la connaissance de la cartographie à deux dimensions du faisceau, accessible avec des films radiochromiques. C’est pour cette raison qu’il a été aussi développé dans cette thèse un nouvel instrument optique dédié à la lecture des films radiochromiques, compatible avec une application métrologique. Une fois adoptée, cette nouvelle approche permettrait d’améliorer le paramétrage des logiciels de planification de traitement (TPS), qui est un maillon essentiel de la chaîne de traitement en radiothérapie.

Evolution of radiotherapy techniques, in particular with the advent of stereotactic treatments, led to an increased use of small radiation beams allowing a better dose conformation to the volume while sparing the surrounding normal tissues. As a consequence, clinical conditions are significantly different from the reference conditions in terms of absorbed dose in water at a point, as described in international protocols. The loss of traceability thus observed leads to an increased uncertainty of the dose delivered to the patient. In order to overcome the difficulties of absorbed dose traceability in small fields, the Laboratoire National Henri Becquerel (LNHB) suggests an innovative approach. Instead of considering a point measurement, an integrated measurement over an area larger than the irradiation field was adopted through another quantity: the Dose Area Product (DAP). This thesis presents the establishment of primary standards in terms of Dose Area Product in water (DAPw) for square and circular field sizes less than or equal to 15 mm side or diameter. In order to transfer these new dosimetric standards to users, three plane-parallel ionization chambers with the same sensitive area than the large graphite calorimeter of the LNHB were constructed and calibrated against the newly established primary standards, with a standard uncertainty on the calibration coefficient of less than 0.7% (k=1). For field sizes between 5 mm and 15 mm, the three chambers show the same behavior, with a calibration coefficient that is independent of the field shape on the one hand and that increases slightly, about 1.7% on average, with the field size on the other hand. These promising results pave the way for a paradigm shift in small field dosimetry.In order to progress towards the clinical use of DAP, in particular through the measurement of field output correction factors (OF), a comparison was made between the classical approach of point measurement corrected by the factors provided by the IAEA TRS 483 protocol, and the absorbed dose at a point deduced from the DAP thanks to the knowledge of the two-dimensional mapping of the beam, which is accessible with radiochromic films. In that way, a new optical instrument dedicated to radiochromic films reading, compatible with a metrological application, was also developed in this thesis. Once adopted, this new approach would improve the parameterization of the treatment planning system (TPS), which is an essential link in the radiotherapy treatment chain.