Conception de systèmes tomographiques à imageurs multiples pour la dosimétrie à scintillation volumétrique

Cette thèse se cadre dans le développement de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique. Étant donné la complexité des distributions de dose de radiation qu’impliquent les techniques modernes de traitement en radiothérapie externe, il est nécessaire d’avoir des outils cliniques offrant une mesure complète d’une distribution tridimensionnelle (3D) de dose administrée par un accélérateur linéaire médical. Des solutions prometteuses, ayant une capacité de mesure intéressante autant spatialement que temporellement, résident dans la dosimétrie à scintillation volumétrique. Dans le but de faciliter le développement de prototypes expérimentaux, cette thèse met de l’avant un processus de conception généralisé qui exploite les fonctionnalités de tracé réel de rayons d’un logiciel de conception optique. L’approche proposée permet une modélisation optique complète de systèmes tomographiques employant multiples caméras — de type standard ou plénoptique — pour imager la lumière fluorescente émise d’un volume scintillant sous l’effet de la radiation. La thèse fournit le bagage à la fois contextuel et théorique de la physique médicale et de l’ingénierie optique nécessaire à la compréhension et l’appréciation des travaux présentés, tout en cadrant la motivation de ceux-ci dans une réalité clinique, soit celle de la radiothérapie externe. Les contributions principales de la thèse se divisent en trois portions. D’abord, des travaux de simulation valident le processus généralisé de modélisation optique de systèmes à imageurs multiples et le calcul de leur modèle tomographique au moyen d’un logiciel de conception optique. Ensuite, à partir du processus de simulation de prototypes virtuels, une étude de faisabilité démontre la mise en application d’un prototype expérimental employant de multiples caméras plénoptiques pour des mesures volumétriques en dosimétrie à scintillation. Enfin, une analyse comparative entre l’emploi des caméras standards versus plénoptiques dans le contexte de tomographie à émission est présentée, puis des pistes à explorer sont discutées afin de mieux élucider la question de leur apport tomographique respectif. En somme, le processus de conception généralisé mis de l’avant dans cette thèse découple et simplifie les étapes de développement expérimental, offrant une flexibilité accrue de design de futurs outils cliniques pour la dosimétrie 3D. Ce travail ouvre la voie au développement d’une nouvelle génération de systèmes de dosimétrie à scintillation volumétrique.This thesis simplifies and generalizes the developmental workflow of volumetric scintillation dosimetry systems. Due to the high complexity of radiation dose distributions delivered to patients by means of modern radiotherapy treatment techniques, it is essential to have clinical tools capable of measuring the full three-dimensional (3D) dose distributions delivered by medical linear accelerators. Imaging-based volumetric scintillation dosimetry offers promising solutions with potential for both high spatial and temporal resolution. To ease the development of experimental prototypes, this thesis puts forth a generalized design workflow based on the real ray tracing capabilities of optical design software. The proposed method allows for a complete and precise optical modeling of tomographic systems composed of multiple cameras, either standard or plenoptic, used to image the fluorescent light emission induced by radiation in translucent scintillator volumes. This thesis provides the reader with both the contextual and theoretical background in medical physics and optical engineering to understand fully and to appreciate the work carried out in the context of external beam radiation therapy. The main contributions of the thesis are three-fold. First, a simulative study serves to validate the generalized workflow for optical and tomographic modeling of multiple imager-based scintillation dosimetry systems using optical design software. Subsequently, a feasibility study demonstrates the simulation-to-experimental implementation of a tomographic-based prototype using multiple plenoptic camera images of a plastic scintillator volume for volumetric dose measurements. Finally, a comparative analysis between the use of sandard versus plenoptic cameras in the context of emission computed tomography is carried out, leading to the discussion of potential future work needed to better define and quantify the tomographic contribution of each respective type of imaging system. Concretely, the generalized design workflow based on the innovative use of optical design software elaborated within the pages of this thesis both simplifies and decouples the phases of prototype development, offering increased flexibility in designing future clinical tools for 3D dosimetry. This work thus paves the way for developing next-generation measurement systems in volumetric scintillation dosimetry and other tomography-based imaging applications