Analysis and optimisation of performance of the VMAT technique for its use in radiotherapy

La technique de radiothérapie VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy), diffusée en 2009, combine les avantages des techniques d'arc thérapie dynamique aux avantages des techniques de radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (RCMI) par faisceaux stationnaires. L'objectif de la thèse est de rendre optimales les conditions de mise en œuvre du VMAT autour d'un accélérateur linéaire d'électrons Synergy/Elekta afin de sécuriser la technique et de pouvoir bénéficier de l'apport clinique potentiellement attendu. Sur la base d'une analyse de l'influence des différents paramètres de la chaîne de traitement, nous proposons des éléments d'optimisation du traitement à la fois sur la planification dosimétrique et sur le contrôle de son exécution sur la machine. Nous montrons que si la qualité de l'optimisation de la technique dépend des caractéristiques intrinsèques de l'accélérateur, elle est également fortement influencée par le paramétrage du système de planification des traitements (TPS). Nous mettons en évidence des différences comparées des collimateurs Beam Modulateur (largeur de lames de 4 mm) et MLCi2 (largeur de lames de 10 mm) tant sur le plan de la distribution de dose obtenue que sur l'efficience. Nous montrons que, si pour deux principaux TPS commercialisés (Pinnacle/Philips et Monaco/Elekta) les distributions de dose aux volumes cibles sont peu modifiées, les différences de méthodes implémentées influencent la distribution de dose aux tissus sains. Nous proposons des programmes de contrôles de qualité au niveau de l'accélérateur, des plans dosimétriques de traitement et de l'exécution des traitements. Afin de garantir un niveau de confiance élevé sur la dose délivrée, nous proposons une méthode d'évaluation de la fluence délivrée en cours de traitement basée sur l'analyse des paramètres machines. Nous établissons que le processus de traitement VMAT optimisé fournit des performances de qualité supérieure que les techniques de RCMI par faisceaux stationnaires pour quatre localisations tumorales majeures étudiées.VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) technique has been introduced in 2009, it combines advantage of arctherapy techniques with advantage of IMRT (Intensity Modulated Radio Therapy) techniques delivered with stationary beams. The purpose of the thesis is to optimise implementation conditions of VMAT for a Synergy/Elekta linear accelerator in order to secure the technique and to be able to benefit from potentially expected clinical improvement. From analysis of influence of various work flow parameters, we propose treatment optimisation factors both on dosimetric planning and on delivering control on the accelerator. We show that if optimisation quality depends on intrinsic accelerator characteristics, it also depends very much on configuration of treatment planning system (TPS). We highlight compared differences between Beam Modulateur (leaf width of 4 mm) and MLCi2 (leaf width of 10 mm) on dose distribution and on efficiency. We show that if differences of dose distributions are small for two major TPS (Pinnacle/Philips and Monao/Elekta), the differences of implemented methods affect dose distribution of healthy tissues. We suggest quality control set for accelerators, for treatment plans and for treatment delivery. In order to provide a high safety level on delivered dose, we suggest an evaluation method of the real fluence provided during treatment delivery by analysing accelerator parameters. We establish that optimised process of VMAT treatment provides better performance than RCMI techniques delivered with stationary beams for the four major cancer cases that has been studied