Dosimétrie des systèmes IRM-LINAC utilisés en radiothérapie externe : caractérisation des faisceaux et évaluation des distributions de dose

MR-LINAC are radiotherapy devices that combine a linear accelerator (LINAC) and a magnetic resonance imager (MRI), allowing an improved tumor tracking. Dosimetric issues associated with the presence of the static magnetic field have been discussed in the literature. The aim of this thesis is to develop dosimetric tools and robust protocols for use on MRI-LINACs to enhance the knowledge of the doses delivered to patients treated with these devices. The first part of the work focuses on determining output factors (OF) in small fields on this device and studying detectors' responses. No significant variation in response was observed for EBT3 films exposed to different durations in the presence of the magnetic field (0.35 T). This high-resolution 2D detector was then used to perform several series of OF measurements on an MRidian MR-LINAC, which were then compared with measurements using active detectors (ionization chambers, diodes, microdiamond) as well as with data from the treatment planning system (TPS). A good agreement was observed between the measured OF and those calculated by the TPS for field sizes larger than or equal to 2.5x2.5 cm²; an underestimation of the TPS OF was observed for smaller field sizes (0.83x0.83 cm²: 6% for films and f 4% on average for solid active detectors). After applying TRS483 correction factors, measurements with active detectors converge with those obtained with films. These discrepancies with the TPS suggest the need for a more robust adjustment of the TPS algorithm for small fields. Measurements were complemented by Monte Carlo simulations using the Geant4 code to establish correction factors in the presence of a magnetic field for active detectors. The second part focuses on the feasibility of MRI reading of TruView dosimetric gels (ModusQA) manufactured in the laboratory to evaluate dose distributions. These gels, characterized by MRI reading (measuring T2 relaxation time), exhibited a dose-response linearity up to 7 Gy, along with relatively low sensitivity compared to the literature. Significant thermal sensitivity and gel inhomogeneity between the gel surface and deeper layers were observed in non-irradiated gels, and protocols were implemented to address these issues. The feasibility of using dosimetric gels for patient quality control in MR-Linac has been demonstrated, but an enhancement of gel sensitivity is required to achieve reliable dosimetry with this protocol.L'IRM-LINAC est un appareil de radiothérapie guidée par l'imagerie combinant un accélérateur linéaire (LINAC) et un imageur par résonance magnétique (IRM), permettant un meilleur suivi de la tumeur. Des problématiques dosimétriques, associées à la présence du champ magnétique statique, ont été soulevées dans la littérature. L'objectif de la thèse est de développer des outils dosimétriques et des protocoles robustes utilisables sur les IRM-LINAC afin d'améliorer la connaissance des doses délivrées aux patients traités avec ces appareils. La première partie du travail se concentre sur la détermination des facteurs d'ouverture du collimateur (FOC) en petits champs sur cet appareil et sur l'étude de la réponse des détecteurs. Comme aucune variation significative de réponse n'a été observée pour des films EBT3 exposés à différentes durées en présence du champ magnétique (0,35 T), ce détecteur 2D à haute résolution a été utilisé pour réaliser plusieurs séries de mesures de FOC sur un IRM-LINAC MRidian qui ont ensuite été comparées aux mesures par détecteurs actifs (chambres d'ionisation, diodes, microdiamant) ainsi qu'aux données du TPS. Un bon accord est observé entre les FOC mesurés et ceux calculés par le TPS pour les tailles de champ supérieures ou égales à 2,5x2,5 cm², une sous-estimation du FOC TPS est observée pour les tailles de champ inférieures (champ 0,83x0,83 cm² : 6% pour les films, et 4% en moyenne pour les détecteurs actifs solides). Après application des facteurs correctifs du TRS483, les mesures par détecteurs actifs convergent vers celles obtenues avec les films. Ces écarts avec le TPS tendent à suggérer la nécessité d'un ajustement plus robuste de l'algorithme du TPS pour les petits champs. Les mesures sont complétées par des simulations Monte-Carlo réalisées avec le code Geant4 pour établir des facteurs correctifs en présence d'un champ magnétique pour les détecteurs actifs. La seconde partie porte sur la faisabilité de lecture par IRM de gels dosimétriques TruView (ModusQA), fabriqués au laboratoire, pour évaluer des distributions de dose. Ces gels caractérisés par lecture IRM (mesure du temps de relaxation T2), ont montré une linéarité de la réponse en dose jusqu'à 7 Gy ainsi qu'une sensibilité faible comparativement à la littérature. Une sensibilité thermique importante et une inhomogénéité du gel entre la surface du gel et le gel situé plus en profondeur ont été observées pour des gels non-irradiés, et des protocoles ont été mis en place pour s'en affranchir. La faisabilité d'utilisation de gels dosimétriques pour la réalisation de contrôle qualité patient sur l'IRM-Linac a été démontrée, une amélioration de la sensibilité du gel est nécessaire afin d'obtenir une dosimétrie fiable avec ce protocole

Dosimetry of MR-LINAC used in external radiotherapy

L'IRM-LINAC est un appareil de radiothérapie guidée par l'imagerie combinant un accélérateur linéaire (LINAC) et un imageur par résonance magnétique (IRM), permettant un meilleur suivi de la tumeur. Des problématiques dosimétriques, associées à la présence du champ magnétique statique, ont été soulevées dans la littérature. L'objectif de la thèse est de développer des outils dosimétriques et des protocoles robustes utilisables sur les IRM-LINAC afin d'améliorer la connaissance des doses délivrées aux patients traités avec ces appareils. La première partie du travail se concentre sur la détermination des facteurs d'ouverture du collimateur (FOC) en petits champs sur cet appareil et sur l'étude de la réponse des détecteurs. Comme aucune variation significative de réponse n'a été observée pour des films EBT3 exposés à différentes durées en présence du champ magnétique (0,35 T), ce détecteur 2D à haute résolution a été utilisé pour réaliser plusieurs séries de mesures de FOC sur un IRM-LINAC MRidian qui ont ensuite été comparées aux mesures par détecteurs actifs (chambres d'ionisation, diodes, microdiamant) ainsi qu'aux données du TPS. Un bon accord est observé entre les FOC mesurés et ceux calculés par le TPS pour les tailles de champ supérieures ou égales à 2,5x2,5 cm², une sous-estimation du FOC TPS est observée pour les tailles de champ inférieures (champ 0,83x0,83 cm² : 6% pour les films, et 4% en moyenne pour les détecteurs actifs solides). Après application des facteurs correctifs du TRS483, les mesures par détecteurs actifs convergent vers celles obtenues avec les films. Ces écarts avec le TPS tendent à suggérer la nécessité d'un ajustement plus robuste de l'algorithme du TPS pour les petits champs. Les mesures sont complétées par des simulations Monte-Carlo réalisées avec le code Geant4 pour établir des facteurs correctifs en présence d'un champ magnétique pour les détecteurs actifs. La seconde partie porte sur la faisabilité de lecture par IRM de gels dosimétriques TruView (ModusQA), fabriqués au laboratoire, pour évaluer des distributions de dose. Ces gels caractérisés par lecture IRM (mesure du temps de relaxation T2), ont montré une linéarité de la réponse en dose jusqu'à 7 Gy ainsi qu'une sensibilité faible comparativement à la littérature. Une sensibilité thermique importante et une inhomogénéité du gel entre la surface du gel et le gel situé plus en profondeur ont été observées pour des gels non-irradiés, et des protocoles ont été mis en place pour s'en affranchir. La faisabilité d'utilisation de gels dosimétriques pour la réalisation de contrôle qualité patient sur l'IRM-Linac a été démontrée, une amélioration de la sensibilité du gel est nécessaire afin d'obtenir une dosimétrie fiable avec ce protocole.MR-LINAC are radiotherapy devices that combine a linear accelerator (LINAC) and a magnetic resonance imager (MRI), allowing an improved tumor tracking. Dosimetric issues associated with the presence of the static magnetic field have been discussed in the literature. The aim of this thesis is to develop dosimetric tools and robust protocols for use on MRI-LINACs to enhance the knowledge of the doses delivered to patients treated with these devices. The first part of the work focuses on determining output factors (OF) in small fields on this device and studying detectors' responses. No significant variation in response was observed for EBT3 films exposed to different durations in the presence of the magnetic field (0.35 T). This high-resolution 2D detector was then used to perform several series of OF measurements on an MRidian MR-LINAC, which were then compared with measurements using active detectors (ionization chambers, diodes, microdiamond) as well as with data from the treatment planning system (TPS). A good agreement was observed between the measured OF and those calculated by the TPS for field sizes larger than or equal to 2.5x2.5 cm²; an underestimation of the TPS OF was observed for smaller field sizes (0.83x0.83 cm²: 6% for films and f 4% on average for solid active detectors). After applying TRS483 correction factors, measurements with active detectors converge with those obtained with films. These discrepancies with the TPS suggest the need for a more robust adjustment of the TPS algorithm for small fields. Measurements were complemented by Monte Carlo simulations using the Geant4 code to establish correction factors in the presence of a magnetic field for active detectors. The second part focuses on the feasibility of MRI reading of TruView dosimetric gels (ModusQA) manufactured in the laboratory to evaluate dose distributions. These gels, characterized by MRI reading (measuring T2 relaxation time), exhibited a dose-response linearity up to 7 Gy, along with relatively low sensitivity compared to the literature. Significant thermal sensitivity and gel inhomogeneity between the gel surface and deeper layers were observed in non-irradiated gels, and protocols were implemented to address these issues. The feasibility of using dosimetric gels for patient quality control in MR-Linac has been demonstrated, but an enhancement of gel sensitivity is required to achieve reliable dosimetry with this protocol

Refining the mandibular osteoradionecrosis rat model by in vivo longitudinal µCT analysis

International audienceAbstract Osteoradionecrosis (ORN) is one of the most feared side effects of radiotherapy following cancers of the upper aero-digestive tract and leading to severe functional defects in patients. Today, our lack of knowledge about the physiopathology restricts the development of new treatments. In this study, we refined the ORN rat model and quantitatively studied the progression of the disease. We tested the impact of radiation doses from 20 to 40 Gy, delivered with incident 4MV X-ray beams on the left mandible of the inbred Lewis Rat. We used micro-computed tomography (µCT) to obtain in vivo images for longitudinal bone imaging and ex vivo images after animal perfusion with barium sulphate contrast agent for vessel imaging. We compared quantification methods by analyzing 3D images and 2D measurements to determine the most appropriate and precise method according to the degree of damage. We defined 25 Gy as the minimum irradiation dose combined with the median molar extraction necessary to develop non-regenerative bone necrosis. µCT image analyses were correlated with clinical and histological analyses. This refined model and accurate methods for bone and vessel quantification will improve our knowledge of the progression of ORN pathology and allow us to test the efficacy of new regenerative medicine procedures