Development and validation of Monte Carlo dose computations for contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy

La radiothérapie stéréotaxique par rayonnement synchrotron (SSRT) est une technique innovante utilisant un faisceau synchrotron de rayons X monochromatiques entre 50 et 100 keV. Une augmentation de dose par prise de contraste est obtenue localement par effet photoélectrique sur unélément lourd injecté dans le volume cible (tumeur cérébrale). Des essais cliniques de SSRT sont encours de préparation à l’ESRF (établissement européen de rayonnement synchrotron). Un systèmede planification de traitement (TPS) est nécessaire pour le calcul de l’énergie déposée au patient(dose) pendant le traitement. Une version dédiée du TPS ISOgray a donc été développée. Ce travaildécrit l’adaptation du TPS réalisée, particulièrement au niveau du module de simulation virtuelleet de dosimétrie. Pour un calcul de dose, le TPS utilise une simulation Monte Carlo spécifique desphotons polarisés et de basse énergie. Les simulations sont réalisées depuis la source synchrotron,à travers toute la géométrie de la ligne de lumière modélisée et dans le patient. Pour ce calcul, desmatériaux spécifiques ont été notamment ajoutés pour la modélisation voxélisée du patient, afin deprendre en compte la présence d’iode dans certains tissus. Le processus de calcul Monte Carlo a étéoptimisé en vitesse et précision. De plus, un calcul des doses absolues et des temps d’irradiation,particulier à la SSRT, a été ajouté au TPS. Grâce à des mesures de rendements, profils de dose, etdoses absolues, réalisées à l’ESRF en cuve à eau et en fantôme solide avec ou sans couche d’os, lecalcul de dose du TPS a été validé pour la SSRT.Contrast-enhanced stereotactic synchrotron radiation therapy (SSRT) is an innovative techniquebased on localized dose-enhancement effects obtained by reinforced photoelectric absorption inthe tumor. Medium energy monochromatic X-rays (50 - 100 keV) are used for irradiating tumorspreviously loaded with a high-Z element. Clinical trials of SSRT are being prepared at the EuropeanSynchrotron Radiation Facility (ESRF), an iodinated contrast agent will be used. In order tocompute the energy deposited in the patient (dose), a dedicated treatment planning system (TPS)has been developed for the clinical trials, based on the ISOgray TPS. This work focuses on the SSRTspecific modifications of the TPS, especially to the PENELOPE-based Monte Carlo dose engine. TheTPS uses a dedicated Monte Carlo simulation of medium energy polarized photons to compute thedeposited energy in the patient. Simulations are performed considering the synchrotron source, themodeled beamline geometry and finally the patient. Specific materials were also implemented inthe voxelized geometry of the patient, to consider iodine concentrations in the tumor. The computationprocess has been optimized and parallelized. Finally a specific computation of absolute dosesand associated irradiation times (instead of monitor units) was implemented. The dedicated TPSwas validated with depth dose curves, dose profiles and absolute dose measurements performedat the ESRF in a water tank and solid water phantoms with or without bone slabs