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Physics-based energy spectrum optimization (PESO):  A new method to model the energy spectrum of a compact ultra-high dose rate electron linac for Monte Carlo dose calculation

Phys. Med. Biol. 70, 2025, 085002

Abstract:

FLASH radiotherapy (FLASH-RT) is an emerging treatment modality that delivers ultra-high dose rates (UHDR) to achieve effective tumor control while minimizing damage to healthy tissues—a phenomenon known as the FLASH effect. Accurate modeling of the electron energy spectrum is essential for UHDR linacs used in FLASH-RT to ensure reliable dose calculations and effective treatment planning. This study introduces a novel, physics-based method to reconstruct electron energy spectra specifically tailored for compact UHDR linacs lacking bending magnets, which present unique challenges for beam modeling. A physics-based energy spectrum optimization (PESO) algorithm was developed to model electron beam dynamics within a compact linac with minimal free parameters. The PESO approach was evaluated against two conventional methods—simulated annealing (SA) and Gaussian regression (GR)—using radiochromic film measurements in solid water phantoms for three applicator sizes (25 mm, 40 mm, and 60 mm) in both conventional and FLASH modes. Accuracy of the reconstructed isodoses and robustness against measurement errors was evaluated for each method. We successfully implemented the PESO algorithm to resolve the electron beam dynamics as a function of the electric field within the waveguide. The method constrained the solution to physically plausible spectra and achieved superior dosimetric accuracy compared to both GR and SA for the 6 MeV UHDR beam, while producing results comparable to SA (and better than GR) for the 9 MeV UHDR beam. PESO also demonstrated reduced sensitivity to measurement errors and maintained consistency, even for the low-energy tail components of UHDR electron beams. By incorporating physically based constraints into the beam modeling process, PESO offers improvements in the reliability and precision of electron energy spectrum reconstruction for UHDR linacs. This development addresses challenges in electron FLASH-RT dose calculation and may aid in the clinical implementation of FLASH radiotherapy.

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Deep learning for high-resolution dose prediction in high dose rate brachytherapy for
breast cancer treatment

Phys. Med. Biol. 69, 2024, 105011

Résumé:

Les simulations de Monte Carlo (MC) sont la référence pour le calcul précis de dose en radiothérapie, notamment en curiethérapie à haut débit de dose, où la prise en compte des hétérogénéités tissulaires est cruciale. Cependant, la durée du temps de calcul limite l’application pratique des simulations de MC. Des recherches antérieures ont utilisé l’apprentissage profond (DL) pour la prédiction de dose comme alternative aux simulations de MC. Bien que des prédictions de dose précises proches de MC aient été obtenues, les limites des cartes graphiques ont limité ces prédictions à de grands voxels de 3 mm × 3 mm × 3 mm. Cette étude visait à permettre des prédictions de dose aussi précises que les simulations de MC dans des voxels de 1 mm × 1 mm × 1 mm dans un délai acceptable en clinique. Des tomographies de 98 patients atteints d’un cancer du sein et traités par curiethérapie à haute intensité de dose avec une source d’iridium-192 ont été utilisées: 70 patients pour l’apprentissage, 14 pour la validation et 14 pour le test. Une nouvelle stratégie de recadrage basée sur la distance à la source radioactive a été conçue pour réduire la taille du volume, permettant un apprentissage efficace des modèles 3D de DL en utilisant des grilles de dose de 1 mm × 1 mm × 1 mm. En outre, une nouvelle architecture de DL combinant les différentes entrées du modèles aux niveaux des différentes couches de l’encodeur a été proposée pour prédire la dose transportée et déposée dans un milieu simulée par MC (Dm,m). Cette architecture fusionne les informations de la dose TG-43 transportée et déposée dans l’eau (Dw,w) avec la composition des tissus du patient à différentes couches. Différentes entrées décrivant la composition corporelle du patient ont été étudiées. L’approche proposée a démontré des performances de pointe, comparables à celles des simulations de MC Dm,m, mais 300 fois plus rapides. Le pourcentage moyen d’erreur absolue pour les indices dosimétriques entre les plans de traitement complets prédits par MC et DL était 0,17 % ± 0,15 % pour le V100 du volume cible du traitement, 0,30 % ± 0,32 % pour le D2cc de la peau, 0,82 % ± 0,79 % pour le D2cc du poumon, 0,34 % ± 0,29 % pour le D2cc de la paroi thoracique et 1,08 % ± 0,98 % pour le D2cc du cœur. Contrairement aux simulations de MC qui prennent du temps, la nouvelle stratégie proposée convertit efficacement les doses TG-43 Dw,w en doses Dm,m précises à haute résolution, permettant une intégration clinique.

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Accuracy of an electromagnetic tracking enabled afterloader based on the automated registration with CT phantom images

Medical Physics 2024, 51, 799-808

Résumé:

La technologie de suivi électromagnétique (EMT) a été recherchée pour des applications en curiethérapie, montrant un grand potentiel pour automatiser la reconstruction d’implants et surmonter les limitations basées sur l’imagerie telles que le contraste et la résolution spatiale. L’un des défis de cette technologie est qu’elle ne partage pas intrinsèquement le même référentiel que l’imagerie médicale du patient. Dans cette recherche, un nouveau fantôme a permis d’évaluer avec succès l’exactitude des reconstructions basées sur l’EMT, de cathéters et d’un applicateur gynécologique (GYN) du type tige et anneau dans trois endroits différents : un environnement sans perturbation (aucun objet métallique à proximité), une salle de curiethérapie avec un appareil de tomodensitométrie (TDM) sur rails et une salle de curiethérapie avec un appareil d’imagerie par résonance magnétique (IRM). Une méthode de recalage basée uniquement sur la géométrie de l’applicateur, reconstruite avec un capteur EMT et la bibliothèque d’applicateurs solides du TPS, a été validée et montre une exactitude cliniquement acceptable (≤ 2mm), comparable à la reconstruction basée sur la TDM mais en quelques minutes. Comme l’applicateur est également visible en IRM, cette méthode pourrait potentiellement être utilisée en clinique dans un flux de travail de curiethérapie interstitielle GYN EMT-IRM.

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Direct in-water radiation dose measurements using Cherenkov emission corrected signals from polarization imaging for a clinical radiotherapy application

Scientific Reports 2022, 12, 9608

Résumé:

Le rayonnement Cherenkov est une lumière bleutée émise dans l’eau lorsqu’irradiée par la majorité des faisceaux utilisés pour le traitement par radiothérapie. Son utilisation pourrait ainsi permettre le développement de dosimètres eau-équivalents permettant des mesures en temps réel. Toutefois, l’émission Cherenkov est anisotrope, ce qui impose actuellement une incertitude limitante pour les mesures de dose. Dans ce travail, l’imagerie polarisée est proposée et décrite comme une méthode permettant de corriger le signal Cherenkov pour ainsi mesurer précisément la dose en 2D. L’utilisation de la méthode résulte en une concordance entre le signal Cherenkov corrigé en polarisation et des mesures de référence par films à l’intérieur de 3%. En comparaison, l’émission Cherenkov brute présentait des écarts allant jusqu’à 60% pour des rendements en profondeur par faisceaux d’électrons et 20% pour les faisceaux de photons. Compte tenu de l’information supplémentaire qu’elle offre, l’imagerie polarisée s’avère être une méthode prometteuse pour améliorer les mesures de dose utilisant la radioluminescence, directement dans le milieu de référence: l’eau.

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Medical range radiation dosimeter based on polymer-embedded fiber-bragg gratings

Sensors 2021, 21, 8139

Résumé:

Les dosimètres à réseaux de Bragg sont utilisés comme dosimètres dans le domaine de l’énergie nucléaire pour des doses allant jusqu’à 100 kilograys (kGy), mais n’ont guère été testés pour les faibles doses de quelques grays (Gy) nécessaires en radiothérapie. Ayant la capacité d’avoir plusieurs points de mesure au sein d’une seule fibre optique, ce type de dosimètre permet une détection multipoint tout en ayant une taille submillimétrique. Nous rapportons que l’intégration d’une fibre de silice dopée FBG dans un matériau polymère permet une dose minimale détectable de 0,3 Gy pour le rayonnement γ. La détection pour ce type de détecteur semble également basée sur la dilatation thermique radio-induite du polymère environnant (calorimétrie) puisque nous obtenons une concordance entre le modèle théorique développé, en assumant que notre détecteur est un calorimètre, et les mesures expérimentales.

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Medical range radiation dosimeter based on polymer-embedded fiber-bragg gratings

Sensors 2021, 21, 8139

Résumé:

Les dosimètres à réseaux de Bragg sont utilisés comme dosimètres dans le domaine de l’énergie nucléaire pour des doses allant jusqu’à 100 kilograys (kGy), mais n’ont guère été testés pour les faibles doses de quelques grays (Gy) nécessaires en radiothérapie. Ayant la capacité d’avoir plusieurs points de mesure au sein d’une seule fibre optique, ce type de dosimètre permet une détection multipoint tout en ayant une taille submillimétrique. Nous rapportons que l’intégration d’une fibre de silice dopée FBG dans un matériau polymère permet une dose minimale détectable de 0,3 Gy pour le rayonnement γ. La détection pour ce type de détecteur semble également basée sur la dilatation thermique radio-induite du polymère environnant (calorimétrie) puisque nous obtenons une concordance entre le modèle théorique développé, en assumant que notre détecteur est un calorimètre, et les mesures expérimentales.

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Small-cavity chamber dose response in megavoltage photon beams coupled to magnetic fields

Physics in Medicine & Biology, 65, Dec 2020.

Résumé
L’intégration émergente de l’IRM aux appareils de radiothérapie permettra un traitement de tumeurs cancéreuses plus précis. Calibrer ces appareils s’effectuera en présence de champs magnétiques dont l’effet sur les détecteurs n’est pas complètement élucidé. Cette étude vise à étudier la sensibilité des détecteurs à petites cavités dans les champs magnétiques via des mesures expérimentales et des simulations Monte Carlo dans le but de supporter la caractérisation dosimétrique de ces nouveaux appareils. Nos résultats démontrent que le champ magnétique met en évidence les imperfections géométriques des détecteurs. De légers écarts entre la géométrie réelle et modélisée, qui seraient conventionnellement négligeables, peuvent s’amplifier dans le contexte de la radiothérapie guidée par IRM. Une caractérisation précise du volume sensible actif est essentielle pour la modélisation des chambres d’ionisation à petite cavité. Finalement, les résultats suggèrent que les simulations Monte Carlo doivent être validées expérimentalement en présence de champs magnétiques dus à la sensibilité de ces détails.

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A novel 169Yb-based dynamic-shield intensity modulated brachytherapy delivery system for prostate cancer,

Published : Medical Physics, 47 (3), March 2020

Abstract:

Intensity-modulated brachytherapy (IMBT) is a brachytherapy technique that uses static or dynamic shielded applicators or sources to provide directional dose distribution. In prostate cancer, IMBT is desirable to reduce the dose delivered to organs at risk, such as the urethra, or to allow an increase in dose without an associated increase in urethral dose. In this study, we designed and developed a system that can deliver dynamic IMBT using a 169Yb source for prostate cancer. The system is a portable device that controls the rotation of platinum shields inserted into interstitial catheters. A treatment planning study was then performed with a Monte Carlo planning system (RapidBrachyMCTPS) to demonstrate the superiority of IMBT with 169Yb over conventional high dose rate brachytherapy with 192Ir for prostate cases. IMBT plans achieved significantly lower urethral D10 without affecting other plan quality indices. Finally, the dose distribution around the source with/without shielding was experimentally verified using a multipoint scintillation detector.

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Characterization of a binary system composed of luminescent quantum dots for liquid scintillation

Published : Physics in Medicine & Biology, Volume 63, Number 17

Abstract :

The presented paper deals with liquid dispersions of colloidal quantum dots (cQDs). It aims to characterize them as binary liquid scintillators and to compare them to organic scintillators currently used in the field of medical physics. Scintillation intensity measurements were carried out for three dispersions with different solvents, hexane, toluene and alkylbenzene, but in which the same cQDs are incorporated. Three aspects of the scintillation of cQDs were studied: the dependence of the scintillation efficiency on the nature of the solvent, the comparison of the scintillation efficiency with a commercial organic scintillator and the energy transfer between the cQDs and the solvent. Following this systematic characterization, the dispersion of cQDs in alkylbenzene was found to be the best choice as a potential liquid dosimeter composed of cQDs.