Optimization of proton arc therapy treatment plans

Proton arc therapy (PAT) is a novel modality to treat cancer, involving continuous rotation of the irradiation device around the patient while delivering a proton beam to the tumor. Compared to conventional fixed-angle proton beam delivery, PAT paves a promising treatment avenue, with numerous possible irradiation directions, to improve plan quality and streamline the treatment workflow. Nevertheless, this increased degree of freedom also becomes a burden for its clinical implementation, in particular in the treatment planning optimization step. The cornucopia of irradiation directions increases the complexity of the associated treatment planning optimization problem. It requires substantial computational power as well as the development of new algorithms and objectives to yield optimal treatment plans. This thesis is dedicated to addressing this challenge and providing potential solutions to it.

(fre) La protonthérapie par arc (ArcPT) est une nouvelle modalité de traitement du cancer où l'appareil d'irradiation tourne continûment autour du patient tout en administrant un faisceau de protons à la tumeur. Comparée à l'administration conventionnelle à angles fixes, l’ArcPT pourrait améliorer la qualité des plans de traitement grâce aux nombreuses directions d'irradiation possibles et pourrait aussi simplifier le flux de travail. Néanmoins, ce plus grand degré de liberté pose également un défi pour son intégration clinique, notamment lors de l'étape d'optimisation du plan de traitement, qui cherche la meilleure configuration de faisceaux et leurs intensités respectives. La multitude de directions d'irradiation augmente la complexité du problème d'optimisation, nécessitant une grande puissance de calcul ainsi que le développement de nouveaux algorithmes et fonctions objectifs pour obtenir des plans de traitement optimaux. Cette thèse relève ce défi et propose des solutions potentielles à cette problématique.