On the detector response and the reconstruction of the source intensity distribution in small photon fields

On the detector response and the reconstruction of the source intensity distribution in small photon fields by Pavlos PAPACONSTADOPOULOS iii This PhD thesis pertains to the subject of small field dosimetry.Small photon fields, generally referring to fields smaller than 2 × 2 cm 2 , are routinely used in the clinic during modern radiotherapy treatment deliveries.However, several investigators have raised questions regarding the accuracy of the dosimetry in such conditions.An important issue involves the significant perturbations that are caused by most detectors in small field conditions.These perturbations will result in erroneous dose calculations during treatment planning and affect the treatment outcome.Currently it is still not clear which detector system should be preferred in small fields.In this work, the response of modern dosimeters is investigated via Monte Carlo simulations and experiments.Detector-specific correction and perturbation factors are reported for modern detector systems and their accuracy is evaluated experimentally.The need for off-axis corrections is also investigated, a less explored area in previous research.The calibration process, essential for some detector systems, is carefully examined and recommendations are provided.Another unexplored area that directly affects the dosimetry in small fields is the accurate knowledge of the X-ray source distribution.As the field size is reduced and becomes comparable to the X-ray source size, significant accelerator output variations are observed.In principle these variations can be predicted if direct source reconstruction methods are developed.Current source reconstruction methods require special equipment, not easily accessible in every clinic.In this work we suggest a novel approach for the source reconstruction problem, which requires no prior knowledge of the source's functional form nor any specialized equipment.The method is based on a maximum-likelihood expectation-maximization algorithm iv and utilizes small field photon fluence profiles.The method is evaluated and benchmarked against simulations and experiments and significant sources of uncertainties are identified.v Cette thèse de doctorat porte sur le sujet de la dosimétrie en petits champs.Les sources de photons dits en "petits champs " font généralement référence à des champs plus petits que 2 × 2 cm 2 et sont couramment utilisés en clinique durant les traitement de radiothérapie modernes.Cependant, plusieurs chercheurs ont soulevé des questions quant à l'exactitude de la dosimétrie dans de telles conditions.Une question importante concerne les perturbations considérables causées par la plupart des détecteurs dans des conditions utilisant des petits champs.Ces perturbations vont entraîner des calculs de doses erronés lors de la planification du traitement et ainsi affecter leur résultat.Actuellement, le système de détecteur à privilégier dans des conditions de petits champs n'a pas encore été déterminé.Dans ce travail, la réponse des dosimètres modernes est étudiée via des simulations Monte-Carlo, ainsi que dans des conditions expérimentales.Les facteurs de corrections et de perturbations spécifiques aux différents détecteurs modernes sont présentés dans cette étude, et leur exactitude est évaluée expérimentalement.La nécessité des corrections hors-axe est également étudiée, une zone moins explorée dans les précédents travaux de recherches.Le processus d'étalonnage, essentiel pour certains systèmes de détection, est méticuleusement examinée et des recommandations sont établies.Un autre domaine inexploré qui affecte directement la dosimétrie en petits champs est la connaissance précise de la distribution spatiale de la source de rayons X. Lorsque la taille du champ est considérablement réduite et devient comparable à la taille de la source, d'importantes variations en sortie de l'accélérateur linéaire sont observées.En principe, ces variations peuvent être prédites si des méthodes de reconstruction directe de la source vi à rayons X sont développés.Les méthodes de reconstruction de la source actuellement utilisées nécessitent des équipements spéciaux qui sont difficilement accessibles dans chaque clinique de radiothérapie.Dans cette étude, nous proposons une nouvelle approche pour résoudre le problème de la reconstruction de la source à rayons X qui ne nécessite aucune connaissance préalable de la forme fonctionnelle de la source, ni aucun équipement spécialisé.La méthode est basée sur un algorithme dénommé "maximum-likelihood expectation-maximization" et utilise des profils de fluence de photons en petits champs.La méthode est évaluée et comparée à des simulations et expériences de références, et d'importantes sources d'incertitudes sont identifiées.

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