Permanent brachytherapy challenges and solutions : new plastic radioactive seeds and interseed effect correction for online prostate treatment dosimetry

(eng) The overall subject of this work was the dosimetric study of new, low energy photon sealed sources made of polymer for clinical brachytherapy application. A key goal was to resolve the problem of inaccuracies in real-time dosimetry that occur as a result of self-shielding by seeds (interseed effect), which is neglected by current treatment planning systems (TPS). Permanent brachytherapy implantation has become a popular treatment option in the management of early stage prostate cancer. Adjuvant stereotactic permanent seed breast implants, similar to those used in the treatment of prostate cancer, have also been developed, with encouraging results. With this mode of therapy, a high radiation dose can be delivered locally to the tumor with rapid dose fall-off in the surrounding normal tissue. Two known isotopes are commonly used: Iodine-125 (mean energy of 27 keV) and Palladium-103 (mean energy of 21 keV). At these low energies, dosimetric characteristics are very dependent on the internal design of the seed; hence, a thorough dosimetric study of any new source design is essential. Most marketed seeds have a metallic shell (titanium), which, however, causes artifacts that can disturb follow-up imaging. This problem prompted companies to develop plastic seeds to reduce these artifacts. The first part of the present work, therefore, describes a dosimetric study of two new seed models produced by the IBt-Bebig group, made with a biocompatible polymeric shell rather than titanium. Measurements with thermoluminescent detectors and Monte Carlo calculations using MCNP codes versions 4C and 5, were performed to determine the dosimetric characteristics of the seeds based on the AAPM Task Group No. 43 Updated (TG-43U1) recommendations. One of the major concerns in radiation treatment is the accuracy of calculated and delivered doses and their distributions relative to the prescribed dose. Currently, dose calculations for patient treatment in brachytherapy are based on the TG-43U1 protocol, which uses line or point source approximation, and assumes homogeneous medium dosimetry and negligible interseed effect because of the complexity of including these factors in the calculations; however, these assumptions do not accurately reflect the dose distribution for brachytherapy using low-energy photon emitters. The interseed effect is defined as the attenuation effect of one seed on the irradiation field of another implanted seed. The complexity of this effect involves many variables, e.g., seed construction, seed positions, distances between seeds and the density of implanted seeds per volume (seed/cm³). Many studies have shown non-negligible perturbations in the dose distributions of 125I and 103Pd coplanar aligned seeds when the interseed attenuation effect is ignored. Therefore, the Monte Carlo TPS is necessary to correct for these differences, and is a more accurate calculation method than TG-43U1 for implant dosimetry. However, general-purpose Monte Carlo codes have prohibitively long computing times, taking about 24h per calculation for one patient depending on computer performance, so this method cannot be used for real-time dosimetry. The second part of this thesis presents a more rapid Monte Carlo dose calculation engine, which has been developed using the MCNP5 code and takes into account the interseed effect. In general, seed dosimetric characteristics are determined using Monte Carlo (MC) simulations. However, such calculations can give different results depending on the MC calculation codes used. These codes can differ in their basic data or in the approximations made in the underlying physics. Experimentally, dosimetry can be performed using thermoluminescent dosimeters (TLDs). However, it is still a challenge to obtain data with high spatial resolution because of the large dose gradient and the very low dose rate (LDR). In this context, there is a need to develop new experimental methods that allow estimation of the dose deposited in the proximity of brachytherapy seeds. The third part of this work concentrates on attempts to develop a new dosimetry method, based on the reconstruction of dose using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging (EPRI).

(fre) Le thème général de ce travail est l'étude dosimétrique des nouvelles sources, émettrices des photons de basse énergie, scellées en polymère, pour une application clinique de brachythérapie. Un objectif clé est de résoudre le problème des inexactitudes dosimétriques en temps réel due à l'atténuation crée par les grains (ou effet interseed), qui est négligée par les systèmes actuels de planification de traitement (TPS). La brachythérapie par implants permanents est devenue une option de traitement populaire pour la prise en charge du cancer de prostate au stade précoce. Des traitements adjuvants par implants permanents stéréotaxique ont également été développés dans le cancer du sein avec des résultats encourageants. Avec ce mode de traitement, une forte dose de rayonnement peut être localement délivrée à la tumeur en épargnant les tissus normaux avoisinant. Deux isotopes connus sont couramment utilisés: l'iode-125 (d’une énergie moyenne de 27 keV) et du palladium-103 (d’une énergie moyenne de 21 keV). À ces basses énergies, les caractéristiques dosimétriques sont très dépendantes de la structure interne du grain, de sorte qu’une étude dosimétrique approfondie de toute nouvelle source est essentielle. La plupart des grains commercialisés ont une capsule métallique (titane) qui provoque des artefacts dans l’image, pouvant perturber le suivi monographique des patients. Ce problème a incité les entreprises à développer des grains en plastique pour réduire ces artefacts. La première partie du présent travail décrit une étude dosimétrique de deux nouveaux modèles de grains produits par le groupe IBt Bebig. Leur capsule est constituée de polymère biocompatible, plutôt que de titane. Des mesures à l’aide de détecteurs thermoluminescents et des calculs de Monte Carlo utilisant le code MCNP (version 4C et 5) ont été effectués pour déterminer les caractéristiques dosimétriques des grains, sur base des recommandations du Groupe de Travail révisé n ° 43 AAPM (TG-43U1). Une des préoccupations majeures dans le traitement de radiothérapie est la précision des doses calculées et délivrées, et leur distribution en regarde de la dose prescrite. Actuellement, les calculs de dose pour les patients traités par brachythérapie sont basés sur le protocole TG-43U1, qui utilise l’approximation de la source linaire ou ponctuelle, et qui présuppose que le milieu dosimétrique est homogène et l’effet interseed négligeable, en raison de la difficulté apprendre en compte ces facteurs dans le calcul. Ce présupposé ne reflète pas la distribution réelle de dose pour la brachythérapie utilisant des émetteurs de photons de base énergie. L’effet de l’interseed est défini comme l’effet d’atténuation d’un grain sur le champ d’irradiation d’un autre grain implanté. La complexité de cet effet est due aux nombreuses variables telles par exemple, la structure du grain, la position des grains, la distance entre les grains et la densité des grains implantés par volume (grain/cm³). De nombreuses études ont montré des perturbations non négligeables de distribution de la dose par des grains coplanaires alignés d'iode-125 ou de palladium-103, lorsque l'effet d'atténuation (interseed) est ignoré. D’où l’utilité du TPS Monte Carlo pour corriger ces différences, celui-ci étant une méthode de calcul plus précis que TG-43U1 pour le calcul dosimétrique des implants. Toutefois, les codes Monte-Carlo exigent un temps de calcul d’une lenteur prohibitive, fonction de la performance de l’ordinateur qui prend environ 24h par calcul pour un patient. Cette méthode ne peut donc pas être utilisée pour la dosimétrie en temps réel. La deuxième partie de cette thèse présente un moteur de calcul de dose plus rapide basé sur la méthode Monte Carlo, développé en utilisant le code MCNP5 et prenant en compte l'effet de l’interseed. En général, les caractéristiques dosimétriques de grains sont déterminées en utilisant les simulations Monte Carlo (MC). Ces calculs peuvent donner des résultats différents selon les codes utilisés, lesquels codes peuvent différer dans leurs données de base ou dans les approximations physiques sous-jacentes. Expérimentalement, la dosimétrie peut être réalisée à l'aide de dosimètres thermoluminescents (TLD). Cependant, il reste difficile d’obtenir des données d’une haute résolution spatiale, en raison du fort gradient de dose et du faible débit de dose (LDR). Il est dès lors nécessaire de développer de nouvelles méthodes expérimentales qui permettent l'estimation de la dose déposée à proximité des grains de brachythérapie. La troisième partie de ce travail se concentre sur les tentatives de développer une nouvelle méthode dosimétrique, basée sur la reconstruction de la dose en utilisant l'imagerie par résonance paramagnétique électronique (EPRI).