Simulation Monte Carlo GATE en radiothérapie pour des faisceaux complexes et dynamiques en IMRT

Radiotherapy is one of the three methods of cancer treatment along with surgery and chemotherapy. It has evolved with the development of treatment techniques such as IMRT and VMAT along with IGRT for patient positioning. The aim is to effectively treat tumors while limiting the dose to healthy organs.In our work, we use the GATE Monte Carlo simulation platform to model a LINAC for a 6 MV photon beam. The resulting model is then validated with a dosimetric study by calculating relevant parameters for the beam quality. The LINAC model is then used for simulating clinical IMRT treatment plans in the ORL domain. Simulation results are compared with experimental measurements. We also explored the possibility of modeling the LINAC portal imaging system. This technique referred to as MV-CBCT combine the LINAC source with a flat panel detector to acquire 3D images of the patient. This part was validated first by acquiring 2D projections on patient and anthropomorphic phantom, and by reconstructing 3D volumes. Here again, validation was performed by comparing simulated and actual images. As a second step, a dosimetric validation was done by evaluating the dose deposited by IMRT beams, by means of portal signal only. We show in the present work the ability of GATE to perform complex IMRT treatments and portal images as they are performed routinely for dosimetric quality control.La radiothérapie est l’une des trois méthodes de traitement des cancers avec la chirurgie et la chimiothérapie. Elle a évolué avec le développement de techniques d'irradiation comme l’IMRT, incluant l’arc-thérapie dynamique, et de techniques de contrôle de positionnement du patient via l’IGRT. L'objectif reste de délivrer une dose importante à la tumeur tout en épargnant au maximum les tissus sains environnants. Dans ce travail, nous utilisons la plateforme de simulation Monte Carlo GATE pour simuler un faisceau de photons émis par un accélérateur linéaire d'électrons. Le modèle obtenu est validé par une étude dosimétrique évaluant des paramètres déterminants pour la qualité du faisceau délivré. L'accélérateur virtuel est alors utilisé pour simuler des traitements en IMRT dans le cadre de traitements ORL. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales sur fantômes. Nous avons ensuite exploré la possibilité d’effectuer la modélisation de l’imageur portal de l'accélérateur, permettant de générer une imagerie de type MV-CBCT. Cette technique couple le faisceau de photons haute énergie de la source d'irradiation avec un détecteur plan pour réaliser des images du patient. Cette partie de la simulation est validée dans un premier temps en réalisant des acquisitions 2D et des reconstructions 3D sur un patient et sur fantôme anthropomorphique. Les images simulées sont comparées avec celles réellement acquises. Dans un second temps, une validation dosimétrique est effectuée par reconstruction de la dose effectivement délivrée en IMRT et ce uniquement à partir des images portales. Nous montrons ainsi la capacité de GATE à produire de manière fonctionnelle une plateforme complète de simulation d'un accélérateur du marché, tant dans sa partie traitement que dans sa partie contrôle de positionnement

Unmixing and fusion methods for remote sensing multispectral and hypersectral images

Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux principales problématiques de la télédétection spatiale de milieux urbains qui sont : le "démélange spectral " et la "fusion". Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié le démélange spectral d'images hyperspectrales de scènes de milieux urbains. Les méthodes développées ont pour objectif d'extraire, d'une manière non-supervisée, les spectres des matériaux présents dans la scène imagée. Le plus souvent, les méthodes de démélange spectral (méthodes dites de séparation aveugle de sources) sont basées sur le modèle de mélange linéaire. Cependant, lorsque nous sommes en présence de paysage non-plat, comme c'est le cas en milieu urbain, le modèle de mélange linéaire n'est plus valide et doit être remplacé par un modèle de mélange non-linéaire. Ce modèle non-linéaire peut être réduit à un modèle de mélange linéaire-quadratique/bilinéaire. Les méthodes de démélange spectral proposées sont basées sur la factorisation matricielle avec contrainte de non-négativité, et elles sont conçues pour le cas particulier de scènes urbaines. Les méthodes proposées donnent généralement de meilleures performances que les méthodes testées de la littérature. La seconde partie de cette thèse à été consacrée à la mise en place de méthodes qui permettent la fusion des images multispectrale et hyperspectrale, afin d'améliorer la résolution spatiale de l'image hyperspectrale. Cette fusion consiste à combiner la résolution spatiale élevée des images multispectrales et la haute résolution spectrale des images hyperspectrales. Les méthodes mises en place sont des méthodes conçues pour le cas particulier de fusion de données de télédétection de milieux urbains. Ces méthodes sont basées sur des techniques de démélange spectral linéaire-quadratique et utilisent la factorisation en matrices non-négatives. Les résultats obtenus montrent que les méthodes développées donnent globalement des performances satisfaisantes pour la fusion des données hyperspectrale et multispectrale. Ils prouvent également que ces méthodes surpassent significativement les approches testées de la littérature.In this thesis, we focused on two main problems of the spatial remote sensing of urban environments which are: "spectral unmixing" and "fusion". In the first part of the thesis, we are interested in the spectral unmixing of hyperspectral images of urban scenes. The developed methods are designed to unsupervisely extract the spectra of materials contained in an imaged scene. Most often, spectral unmixing methods (methods known as blind source separation) are based on the linear mixing model. However, when facing non-flat landscape, as in the case of urban areas, the linear mixing model is not valid any more, and must be replaced by a nonlinear mixing model. This nonlinear model can be reduced to a linear-quadratic/bilinear mixing model. The proposed spectral unmixing methods are based on matrix factorization with non-negativity constraint, and are designed for urban scenes. The proposed methods generally give better performance than the tested literature methods. The second part of this thesis is devoted to the implementation of methods that allow the fusion of multispectral and hyperspectral images, in order to improve the spatial resolution of the hyperspectral image. This fusion consists in combining the high spatial resolution of multispectral images and high spectral resolution of hyperspectral images. The implemented methods are designed for urban remote sensing data. These methods are based on linear-quadratic spectral unmixing techniques and use the non-negative matrix factorization. The obtained results show that the developed methods give good performance for hyperspectral and multispectral data fusion. They also show that these methods significantly outperform the tested literature approaches

Méthodes de démélange et de fusion des images multispectrales et hyperspectrales de télédétection spatiale

In this thesis, we focused on two main problems of the spatial remote sensing of urban environments which are: "spectral unmixing" and "fusion". In the first part of the thesis, we are interested in the spectral unmixing of hyperspectral images of urban scenes. The developed methods are designed to unsupervisely extract the spectra of materials contained in an imaged scene. Most often, spectral unmixing methods (methods known as blind source separation) are based on the linear mixing model. However, when facing non-flat landscape, as in the case of urban areas, the linear mixing model is not valid any more, and must be replaced by a nonlinear mixing model. This nonlinear model can be reduced to a linear-quadratic/bilinear mixing model. The proposed spectral unmixing methods are based on matrix factorization with non-negativity constraint, and are designed for urban scenes. The proposed methods generally give better performance than the tested literature methods. The second part of this thesis is devoted to the implementation of methods that allow the fusion of multispectral and hyperspectral images, in order to improve the spatial resolution of the hyperspectral image. This fusion consists in combining the high spatial resolution of multispectral images and high spectral resolution of hyperspectral images. The implemented methods are designed for urban remote sensing data. These methods are based on linear-quadratic spectral unmixing techniques and use the non-negative matrix factorization. The obtained results show that the developed methods give good performance for hyperspectral and multispectral data fusion. They also show that these methods significantly outperform the tested literature approaches.Au cours de cette thèse, nous nous sommes intéressés à deux principales problématiques de la télédétection spatiale de milieux urbains qui sont : le "démélange spectral " et la "fusion". Dans la première partie de la thèse, nous avons étudié le démélange spectral d'images hyperspectrales de scènes de milieux urbains. Les méthodes développées ont pour objectif d'extraire, d'une manière non-supervisée, les spectres des matériaux présents dans la scène imagée. Le plus souvent, les méthodes de démélange spectral (méthodes dites de séparation aveugle de sources) sont basées sur le modèle de mélange linéaire. Cependant, lorsque nous sommes en présence de paysage non-plat, comme c'est le cas en milieu urbain, le modèle de mélange linéaire n'est plus valide et doit être remplacé par un modèle de mélange non-linéaire. Ce modèle non-linéaire peut être réduit à un modèle de mélange linéaire-quadratique/bilinéaire. Les méthodes de démélange spectral proposées sont basées sur la factorisation matricielle avec contrainte de non-négativité, et elles sont conçues pour le cas particulier de scènes urbaines. Les méthodes proposées donnent généralement de meilleures performances que les méthodes testées de la littérature. La seconde partie de cette thèse à été consacrée à la mise en place de méthodes qui permettent la fusion des images multispectrale et hyperspectrale, afin d'améliorer la résolution spatiale de l'image hyperspectrale. Cette fusion consiste à combiner la résolution spatiale élevée des images multispectrales et la haute résolution spectrale des images hyperspectrales. Les méthodes mises en place sont des méthodes conçues pour le cas particulier de fusion de données de télédétection de milieux urbains. Ces méthodes sont basées sur des techniques de démélange spectral linéaire-quadratique et utilisent la factorisation en matrices non-négatives. Les résultats obtenus montrent que les méthodes développées donnent globalement des performances satisfaisantes pour la fusion des données hyperspectrale et multispectrale. Ils prouvent également que ces méthodes surpassent significativement les approches testées de la littérature

Simulation Monte Carlo GATE en radiothérapie pour des faisceaux complexes et dynamiques en IMRT

Radiotherapy is one of the three methods of cancer treatment along with surgery and chemotherapy. It has evolved with the development of treatment techniques such as IMRT and VMAT along with IGRT for patient positioning. The aim is to effectively treat tumors while limiting the dose to healthy organs.In our work, we use the GATE Monte Carlo simulation platform to model a LINAC for a 6 MV photon beam. The resulting model is then validated with a dosimetric study by calculating relevant parameters for the beam quality. The LINAC model is then used for simulating clinical IMRT treatment plans in the ORL domain. Simulation results are compared with experimental measurements. We also explored the possibility of modeling the LINAC portal imaging system. This technique referred to as MV-CBCT combine the LINAC source with a flat panel detector to acquire 3D images of the patient. This part was validated first by acquiring 2D projections on patient and anthropomorphic phantom, and by reconstructing 3D volumes. Here again, validation was performed by comparing simulated and actual images. As a second step, a dosimetric validation was done by evaluating the dose deposited by IMRT beams, by means of portal signal only. We show in the present work the ability of GATE to perform complex IMRT treatments and portal images as they are performed routinely for dosimetric quality control.La radiothérapie est l’une des trois méthodes de traitement des cancers avec la chirurgie et la chimiothérapie. Elle a évolué avec le développement de techniques d'irradiation comme l’IMRT, incluant l’arc-thérapie dynamique, et de techniques de contrôle de positionnement du patient via l’IGRT. L'objectif reste de délivrer une dose importante à la tumeur tout en épargnant au maximum les tissus sains environnants. Dans ce travail, nous utilisons la plateforme de simulation Monte Carlo GATE pour simuler un faisceau de photons émis par un accélérateur linéaire d'électrons. Le modèle obtenu est validé par une étude dosimétrique évaluant des paramètres déterminants pour la qualité du faisceau délivré. L'accélérateur virtuel est alors utilisé pour simuler des traitements en IMRT dans le cadre de traitements ORL. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales sur fantômes. Nous avons ensuite exploré la possibilité d’effectuer la modélisation de l’imageur portal de l'accélérateur, permettant de générer une imagerie de type MV-CBCT. Cette technique couple le faisceau de photons haute énergie de la source d'irradiation avec un détecteur plan pour réaliser des images du patient. Cette partie de la simulation est validée dans un premier temps en réalisant des acquisitions 2D et des reconstructions 3D sur un patient et sur fantôme anthropomorphique. Les images simulées sont comparées avec celles réellement acquises. Dans un second temps, une validation dosimétrique est effectuée par reconstruction de la dose effectivement délivrée en IMRT et ce uniquement à partir des images portales. Nous montrons ainsi la capacité de GATE à produire de manière fonctionnelle une plateforme complète de simulation d'un accélérateur du marché, tant dans sa partie traitement que dans sa partie contrôle de positionnement

Simulation Monte Carlo GATE en radiothérapie pour des faisceaux complexes et dynamiques en IMRT

Radiotherapy is one of the three methods of cancer treatment along with surgery and chemotherapy. It has evolved with the development of treatment techniques such as IMRT and VMAT along with IGRT for patient positioning. The aim is to effectively treat tumors while limiting the dose to healthy organs.In our work, we use the GATE Monte Carlo simulation platform to model a LINAC for a 6 MV photon beam. The resulting model is then validated with a dosimetric study by calculating relevant parameters for the beam quality. The LINAC model is then used for simulating clinical IMRT treatment plans in the ORL domain. Simulation results are compared with experimental measurements. We also explored the possibility of modeling the LINAC portal imaging system. This technique referred to as MV-CBCT combine the LINAC source with a flat panel detector to acquire 3D images of the patient. This part was validated first by acquiring 2D projections on patient and anthropomorphic phantom, and by reconstructing 3D volumes. Here again, validation was performed by comparing simulated and actual images. As a second step, a dosimetric validation was done by evaluating the dose deposited by IMRT beams, by means of portal signal only. We show in the present work the ability of GATE to perform complex IMRT treatments and portal images as they are performed routinely for dosimetric quality control.La radiothérapie est l’une des trois méthodes de traitement des cancers avec la chirurgie et la chimiothérapie. Elle a évolué avec le développement de techniques d'irradiation comme l’IMRT, incluant l’arc-thérapie dynamique, et de techniques de contrôle de positionnement du patient via l’IGRT. L'objectif reste de délivrer une dose importante à la tumeur tout en épargnant au maximum les tissus sains environnants. Dans ce travail, nous utilisons la plateforme de simulation Monte Carlo GATE pour simuler un faisceau de photons émis par un accélérateur linéaire d'électrons. Le modèle obtenu est validé par une étude dosimétrique évaluant des paramètres déterminants pour la qualité du faisceau délivré. L'accélérateur virtuel est alors utilisé pour simuler des traitements en IMRT dans le cadre de traitements ORL. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales sur fantômes. Nous avons ensuite exploré la possibilité d’effectuer la modélisation de l’imageur portal de l'accélérateur, permettant de générer une imagerie de type MV-CBCT. Cette technique couple le faisceau de photons haute énergie de la source d'irradiation avec un détecteur plan pour réaliser des images du patient. Cette partie de la simulation est validée dans un premier temps en réalisant des acquisitions 2D et des reconstructions 3D sur un patient et sur fantôme anthropomorphique. Les images simulées sont comparées avec celles réellement acquises. Dans un second temps, une validation dosimétrique est effectuée par reconstruction de la dose effectivement délivrée en IMRT et ce uniquement à partir des images portales. Nous montrons ainsi la capacité de GATE à produire de manière fonctionnelle une plateforme complète de simulation d'un accélérateur du marché, tant dans sa partie traitement que dans sa partie contrôle de positionnement

GATE Monte Carlo simulation in radiation therapy for complex and dynamic beams in IMRT

La radiothérapie est l’une des trois méthodes de traitement des cancers avec la chirurgie et la chimiothérapie. Elle a évolué avec le développement de techniques d'irradiation comme l’IMRT, incluant l’arc-thérapie dynamique, et de techniques de contrôle de positionnement du patient via l’IGRT. L'objectif reste de délivrer une dose importante à la tumeur tout en épargnant au maximum les tissus sains environnants. Dans ce travail, nous utilisons la plateforme de simulation Monte Carlo GATE pour simuler un faisceau de photons émis par un accélérateur linéaire d'électrons. Le modèle obtenu est validé par une étude dosimétrique évaluant des paramètres déterminants pour la qualité du faisceau délivré. L'accélérateur virtuel est alors utilisé pour simuler des traitements en IMRT dans le cadre de traitements ORL. Les résultats de simulation sont comparés avec des mesures expérimentales sur fantômes. Nous avons ensuite exploré la possibilité d’effectuer la modélisation de l’imageur portal de l'accélérateur, permettant de générer une imagerie de type MV-CBCT. Cette technique couple le faisceau de photons haute énergie de la source d'irradiation avec un détecteur plan pour réaliser des images du patient. Cette partie de la simulation est validée dans un premier temps en réalisant des acquisitions 2D et des reconstructions 3D sur un patient et sur fantôme anthropomorphique. Les images simulées sont comparées avec celles réellement acquises. Dans un second temps, une validation dosimétrique est effectuée par reconstruction de la dose effectivement délivrée en IMRT et ce uniquement à partir des images portales. Nous montrons ainsi la capacité de GATE à produire de manière fonctionnelle une plateforme complète de simulation d'un accélérateur du marché, tant dans sa partie traitement que dans sa partie contrôle de positionnement.Radiotherapy is one of the three methods of cancer treatment along with surgery and chemotherapy. It has evolved with the development of treatment techniques such as IMRT and VMAT along with IGRT for patient positioning. The aim is to effectively treat tumors while limiting the dose to healthy organs.In our work, we use the GATE Monte Carlo simulation platform to model a LINAC for a 6 MV photon beam. The resulting model is then validated with a dosimetric study by calculating relevant parameters for the beam quality. The LINAC model is then used for simulating clinical IMRT treatment plans in the ORL domain. Simulation results are compared with experimental measurements. We also explored the possibility of modeling the LINAC portal imaging system. This technique referred to as MV-CBCT combine the LINAC source with a flat panel detector to acquire 3D images of the patient. This part was validated first by acquiring 2D projections on patient and anthropomorphic phantom, and by reconstructing 3D volumes. Here again, validation was performed by comparing simulated and actual images. As a second step, a dosimetric validation was done by evaluating the dose deposited by IMRT beams, by means of portal signal only. We show in the present work the ability of GATE to perform complex IMRT treatments and portal images as they are performed routinely for dosimetric quality control

Spectral Unmixing Based Approach for Measuring Gas Flaring from VIIRS NTL Remote Sensing Data: Case of the Flare FIT-M8-101A-1U, Algeria

During the oil extraction procedure, natural gases escape from wells, and the process of recuperating such gases requires important investments from oil and gas companies. That is why, most often, they favor burning them with flares. This practice, which is frequently employed by oil-producing companies, is a major cause of greenhouse gas emissions. Under growing demands from the World Bank and environmental defenders, many producer countries are devoted to decreasing gas flaring. For this reason, several researchers in the oil and gas industry, academia, and governments are working to propose new methods for estimating flared gas volumes, and among the most used techniques are those that exploit remote sensing data, particularly Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) Nighttime Light (NTL) ones. Indeed, it is possible to extract, from such data, some physical parameters of flames produced by gas flares. In this investigation, a linear spectral unmixing-based approach, which addresses the spectral variability phenomenon, was designed to estimate accurate physical parameters from VIIRS NTL data. Then, these parameters are used to derive flared gas volumes through intercepting zero polynomial regression models that exploit in situ measurements. Experiments based on synthetic data were first conducted to validate the proposed linear spectral unmixing-based approach. Second, experiments based on real VIIRS NTL data covering the flare, named FIT-M8-101A-1U and located in the Berkine basin (Hassi Messaoud) in Algeria, were carried out. Then, the obtained flared gas volumes were compared with in situ measurements

Hyperspectral Unmixing Based on Constrained Bilinear or Linear-Quadratic Matrix Factorization

Unsupervised hyperspectral unmixing methods aim to extract endmember spectra and infer the proportion of each of these spectra in each observed pixel when considering linear mixtures. However, the interaction between sunlight and the Earth’s surface is often very complex, so that observed spectra are then composed of nonlinear mixing terms. This nonlinearity is generally bilinear or linear quadratic. In this work, unsupervised hyperspectral unmixing methods, designed for the bilinear and linear-quadratic mixing models, are proposed. These methods are based on bilinear or linear-quadratic matrix factorization with non-negativity constraints. Two types of algorithms are considered. The first ones only use the projection of the gradient, and are therefore linked to an optimal manual choice of their learning rates, which remains the limitation of these algorithms. The second developed algorithms, which overcome the above drawback, employ multiplicative projective update rules with automatically chosen learning rates. In addition, the endmember proportions estimation, with three alternative approaches, constitutes another contribution of this work. Besides, the reduction of the number of manipulated variables in the optimization processes is also an originality of the proposed methods. Experiments based on realistic synthetic hyperspectral data, generated according to the two considered nonlinear mixing models, and also on two real hyperspectral images, are carried out to evaluate the performance of the proposed approaches. The obtained results show that the best proposed approaches yield a much better performance than various tested literature methods

Reactivity of N-methyl-N-(polyfluorobenzyl)acetamides and N-methyl-N-(polyfluorobenzyl)benzamides in Pd-catalyzed C–H bond arylation

International audienceThe influence of fluoro substituents on the aryl group of N-methyl-N-benzylacetamides and N-methyl-N-benzylbenzamides on the regioselectivity of palladium-catalyzed direct arylations was studied. With these (poly)fluoro-substituted tertiary benzamides, the arylations proceed very regioselectively at the C–H bond flanked by two fluoro substituents using 2.5 mol% of air-stable palladium catalysts and PivOK/N,N-dimethylacetamide (DMA) as the reaction conditions. For these reactions, a variety of substituents on the aryl bromide, such as ester, propionyl, acetyl, formyl, nitro, nitrile, methoxy, or methyl, was tolerated. Nitrogen-containing heteroaryl bromides were also successfully used. These results reveal that under our reaction conditions, fluoro substituents act as better directing groups than amides in palladium-catalyzed direct arylations

Imagerie en Megavolt cone-beam computed Tomography MV CBCT 6 MV : Simulation et évaluation GATE v6.2 Monte Carlo d'un imageur portal avec application spécifique en ORL

International audienc