Etude de la dosimétrie par scintillateur plastique pour l'irradiation préclinique du petit animal à moyenne énergie

Small animal micro-irradiators designed for preclinical radiotherapy experiments mimic human clinical irradiation techniques thus facilitating the transposition of radiobiological research findings to clinical practice. These devices deliver millimetric x-ray beams of medium-energy (< 300 keV) which implies specific dosimetric issues. The objective of this thesis was the implementation of plastic scintillating fiber dosimetry in this specific field of use, for which few existing dosimeters are suitable. In a first part, beams from a micro-irradiator were characterized. Dosimetric measurements along with energy spectra Monte Carlo simulations allowed the study of the dosimeter prototype performances. In the second part of this work, excellent dosimetric properties of the detector such as repeatability, reproducibility and dose response linearity were shown. Then, a major issue was to determine the detector energy dependence, which is inherent to medium-energy dosimetry and also an intrinsic property of plastic scintillator, below 100 keV. A calibration method based on the simulated energy spectra was proposed to correct this dependence in preclinical conditions (mini-beams, small scattering volume). The dosimeter showed very conclusive results for treatment plan verification in a heterogene phantom and during rats in vivo experiments. The dosimeter also demonstrated promising performances for online control of the delivered dose to mobile tumors, subject to the animal respiratory movements.Les micro-irradiateurs pour la radiothérapie préclinique du petit animal permettent d’effectuer des irradiations au plus proche des techniques de traitement chez l’homme, facilitant la transposition de résultats d'études radiobiologiques à la clinique. La spécificité des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (< 300 keV) utilisés génère cependant des problématiques dosimétriques inédites. Ce travail de thèse a consisté à mettre en œuvre la dosimétrie par fibre scintillante plastique pour ce domaine d’utilisation, là où peu de détecteurs conviennent. Dans une première partie, les faisceaux d’un micro-irradiateur ont été caractérisés en dose d’une part et leur spectres en énergie obtenus par simulations Monte Carlo d’autre part, afin d’étudier les performances du dosimètre prototype. La deuxième partie a montré ses excellentes caractéristiques dosimétriques telles que la répétabilité, reproductibilité et linéarité de réponse. Un des enjeux majeurs a alors été de caractériser sa dépendance en énergie, problématique inhérente à la dosimétrie à moyenne énergie et intrinsèque au scintillateur plastique en dessous de 100 keV. Une méthode d’étalonnage a été proposée pour prendre en compte cette dépendance en conditions précliniques (mini-faisceaux et petit volume diffusant), à partir de spectres en énergie simulés. Le dosimètre a ensuite été utilisé pour la vérification de plans de traitement sur fantôme puis in vivo sur des rats, avec des résultats très concluants. Il a montré des performances prometteuses pour l’évaluation en temps réel de la dose délivrée aux tumeurs soumises aux mouvements respiratoires des animaux

Plastic scintillator dosimetry study for small animal preclinical irradiation at medium energy

Les micro-irradiateurs pour la radiothérapie préclinique du petit animal permettent d’effectuer des irradiations au plus proche des techniques de traitement chez l’homme, facilitant la transposition de résultats d'études radiobiologiques à la clinique. La spécificité des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (< 300 keV) utilisés génère cependant des problématiques dosimétriques inédites. Ce travail de thèse a consisté à mettre en œuvre la dosimétrie par fibre scintillante plastique pour ce domaine d’utilisation, là où peu de détecteurs conviennent. Dans une première partie, les faisceaux d’un micro-irradiateur ont été caractérisés en dose d’une part et leur spectres en énergie obtenus par simulations Monte Carlo d’autre part, afin d’étudier les performances du dosimètre prototype. La deuxième partie a montré ses excellentes caractéristiques dosimétriques telles que la répétabilité, reproductibilité et linéarité de réponse. Un des enjeux majeurs a alors été de caractériser sa dépendance en énergie, problématique inhérente à la dosimétrie à moyenne énergie et intrinsèque au scintillateur plastique en dessous de 100 keV. Une méthode d’étalonnage a été proposée pour prendre en compte cette dépendance en conditions précliniques (mini-faisceaux et petit volume diffusant), à partir de spectres en énergie simulés. Le dosimètre a ensuite été utilisé pour la vérification de plans de traitement sur fantôme puis in vivo sur des rats, avec des résultats très concluants. Il a montré des performances prometteuses pour l’évaluation en temps réel de la dose délivrée aux tumeurs soumises aux mouvements respiratoires des animaux.Small animal micro-irradiators designed for preclinical radiotherapy experiments mimic human clinical irradiation techniques thus facilitating the transposition of radiobiological research findings to clinical practice. These devices deliver millimetric x-ray beams of medium-energy (< 300 keV) which implies specific dosimetric issues. The objective of this thesis was the implementation of plastic scintillating fiber dosimetry in this specific field of use, for which few existing dosimeters are suitable. In a first part, beams from a micro-irradiator were characterized. Dosimetric measurements along with energy spectra Monte Carlo simulations allowed the study of the dosimeter prototype performances. In the second part of this work, excellent dosimetric properties of the detector such as repeatability, reproducibility and dose response linearity were shown. Then, a major issue was to determine the detector energy dependence, which is inherent to medium-energy dosimetry and also an intrinsic property of plastic scintillator, below 100 keV. A calibration method based on the simulated energy spectra was proposed to correct this dependence in preclinical conditions (mini-beams, small scattering volume). The dosimeter showed very conclusive results for treatment plan verification in a heterogene phantom and during rats in vivo experiments. The dosimeter also demonstrated promising performances for online control of the delivered dose to mobile tumors, subject to the animal respiratory movements

Etude de la dosimétrie par scintillateur plastique pour l'irradiation préclinique du petit animal à moyenne énergie

Small animal micro-irradiators designed for preclinical radiotherapy experiments mimic human clinical irradiation techniques thus facilitating the transposition of radiobiological research findings to clinical practice. These devices deliver millimetric x-ray beams of medium-energy (< 300 keV) which implies specific dosimetric issues. The objective of this thesis was the implementation of plastic scintillating fiber dosimetry in this specific field of use, for which few existing dosimeters are suitable. In a first part, beams from a micro-irradiator were characterized. Dosimetric measurements along with energy spectra Monte Carlo simulations allowed the study of the dosimeter prototype performances. In the second part of this work, excellent dosimetric properties of the detector such as repeatability, reproducibility and dose response linearity were shown. Then, a major issue was to determine the detector energy dependence, which is inherent to medium-energy dosimetry and also an intrinsic property of plastic scintillator, below 100 keV. A calibration method based on the simulated energy spectra was proposed to correct this dependence in preclinical conditions (mini-beams, small scattering volume). The dosimeter showed very conclusive results for treatment plan verification in a heterogene phantom and during rats in vivo experiments. The dosimeter also demonstrated promising performances for online control of the delivered dose to mobile tumors, subject to the animal respiratory movements.Les micro-irradiateurs pour la radiothérapie préclinique du petit animal permettent d’effectuer des irradiations au plus proche des techniques de traitement chez l’homme, facilitant la transposition de résultats d'études radiobiologiques à la clinique. La spécificité des faisceaux millimétriques de moyenne énergie (< 300 keV) utilisés génère cependant des problématiques dosimétriques inédites. Ce travail de thèse a consisté à mettre en œuvre la dosimétrie par fibre scintillante plastique pour ce domaine d’utilisation, là où peu de détecteurs conviennent. Dans une première partie, les faisceaux d’un micro-irradiateur ont été caractérisés en dose d’une part et leur spectres en énergie obtenus par simulations Monte Carlo d’autre part, afin d’étudier les performances du dosimètre prototype. La deuxième partie a montré ses excellentes caractéristiques dosimétriques telles que la répétabilité, reproductibilité et linéarité de réponse. Un des enjeux majeurs a alors été de caractériser sa dépendance en énergie, problématique inhérente à la dosimétrie à moyenne énergie et intrinsèque au scintillateur plastique en dessous de 100 keV. Une méthode d’étalonnage a été proposée pour prendre en compte cette dépendance en conditions précliniques (mini-faisceaux et petit volume diffusant), à partir de spectres en énergie simulés. Le dosimètre a ensuite été utilisé pour la vérification de plans de traitement sur fantôme puis in vivo sur des rats, avec des résultats très concluants. Il a montré des performances prometteuses pour l’évaluation en temps réel de la dose délivrée aux tumeurs soumises aux mouvements respiratoires des animaux

In vivo surface dosimetry with a scintillating fiber dosimeter in preclinical image‐guided radiotherapy

CERVOXY COLLInternational audiencePURPOSE: New preclinical image-guided irradiators and treatment planning systems represent a huge progress in radiobiology. Nevertheless, quality control of preclinical treatments is not as advance as in clinical radiotherapy and in vivo dosimetry is little developed. In this study, we evaluate the use of a scintillating fiber dosimeter called DosiRat to verify the agreement between the doses planned with SmART-Plan and the measured doses during small animal irradiations.METHODS: In vivo dosimetry was first evaluated with DosiRat through dose measurements performed at the surface of a 3 × 9 × 3 cm3 phantom. Measured and planned doses were compared for different irradiation conditions (prescription point, anterior and posterior beams, 5 mm and 10 mm irradiation fields). In a second phase, measured and planned doses were compared for rat brain irradiations performed with anterior beams, with DosiRat positioned at the beam entrance. Comparisons were performed for different tube currents (1.3 and 13 mA), collimations (5, 10 and 25 mm diameter) and planned doses (0.1, 0.5, 2 and 10 Gy).RESULTS: In the case of the phantom irradiations, planned and measured doses showed discrepancies smaller than the 5 % accuracy of the TPS, except in cases in which the dosimeter was not centered in the irradiation field. The differences were larger for animal irradiations (from -3.3 % to 8.8 %) because of variations of the beam energy spectrum and the non-equivalence between materials at medium and low energy.CONCLUSIONS: This study highlighted the complexity to implement one-dimension in vivo dosimetry in orthovoltage millimetric beams. Nevertheless, DosiRat is well adapted to in vivo dosimetry because of its small volume and its direct reading and allowed in vivo control of planned doses for anterior beams down to 5 mm diameter

The dosimetric parameters impact on local recurrence in stereotactic radiotherapy for brain metastases

International audienceObjectives: Stereotactic radiotherapy (SRT) for brain metastases (BM) allows very good local control (LC). However, approximately 20 to 30% of these lesions will recur. The objective of this retrospective study was to evaluate the impact of dosimetric parameters on LC in cerebral SRT.Methods: Patients treated with SRT for 1-3 BM between January 2015 and December 2018 were retrospectively included. A total of 349 patients with 538 lesions were included. The median gross tumor volume (GTV) was 2 cm3 (IQR, 0-7). The median biological effective dose with α/β = 10 (BED10) was 60 Gy (IQR, 32-82). The median prescription isodose was 71% (IQR, 70-80). Correlations with LC were examined using the Cox regression model.Results: The median follow-up period was 55 months (min-max, 7-85). Median overall survival was 17.8 months (IQR, 15.2-21.9). There were 95 recurrences and LC at 1 and 2 years was 87.1% (95% CI, 84-90) and 78.1% (95% CI, 73.9-82.4), respectively. Univariate analysis showed that systemic treatment, dose to 2% and 50% of the planning target volume (PTV), BED10 &gt; 50 Gy, and low PTV and GTV volume were significantly correlated with better LC. In the multivariate analysis, GTV volume, isodose, and BED10 were significantly associated with LC.Conclusion: These results show the importance of a BED10 &gt; 50 Gy associated with a prescription isodose &lt;80% to optimize LC during SRT for BM

Monte Carlo-based software for 3D personalized dose calculations in image-guided radiotherapy

International audienceBACKGROUND AND PURPOSE: Image-guided radiotherapy (IGRT) involves frequent in-room imaging sessions contributing to additional patient irradiation. The present work provided patient-specific dosimetric data related to different imaging protocols and anatomical sites. MATERIAL AND METHODS: We developed a Monte Carlo based software able to calculate 3D personalized dose distributions for five imaging devices delivering kV-CBCT (Elekta and Varian linacs), MV-CT (Tomotherapy machines) and 2D-kV stereoscopic images from BrainLab and Accuray. Our study reported the dose distributions calculated for pelvis, head and neck and breast cases based on dose volume histograms for several organs at risk. RESULTS: 2D-kV imaging provided the minimum dose with less than 1 mGy per image pair. For a single kV-CBCT and MV-CT, median dose to organs were respectively around 30 mGy and 15 mGy for the pelvis, around 7 mGy and 10 mGy for the head and neck and around 5 mGy and 15 mGy for the breast. While MV-CT dose varied sparsely with tissues, dose from kV imaging was around 1.7 times higher in bones than in soft tissue. Daily kV-CBCT along 40 sessions of prostate radiotherapy delivered up to 3.5 Gy to the femoral heads. The dose level for head and neck and breast appeared to be lower than 0.4 Gy for every organ in case of a daily imaging session. CONCLUSIONS: This study showed the dosimetric impact of IGRT procedures. Acquisition parameters should therefore be chosen wisely depending on the clinical purposes and tailored to morphology. Indeed, imaging dose could be reduced up to a factor 10 with optimized protocols