Study and modelling of very high energy electrons (VHEE) radiation therapy - Institut Curie
Thèse Année : 2024

Study and modelling of very high energy electrons (VHEE) radiation therapy

Etude et modélisation de la radiothérapie par électrons de très haute énergie (VHEE)

Résumé

The development of innovative methods capable of reducing the sensitivity of healthy tissue to radiation, while maintaining the effectiveness of the treatment on the tumour, is a central aspect of improving the effectiveness of radiotherapy in the treatment of cancer. Among possible developments and methodological innovations, the combination of ultra-high dose rate irradiation (FLASH) and very high energy electrons (VHEE) could make it possible to exploit the radiobiological advantages of the FLASH effect for the treatment of deep tumours. In particular, VHEEs in the 100 to 250 MeV energy range would be particularly interesting from a ballistic and biological point of view for the application of FLASH irradiation in radiotherapy. This thesis therefore studies the possible use of VHEEs in radiotherapy, and in particular their use at ultra-high dose rates, thus assessing the feasibility of FLASH-VHEE radiotherapy. Although promising, several aspects of this technique need to be studied before it can be used in a clinical context. The first part of this work studies the machine parameters required to meet the constraints of FLASH irradiation. To this end, an analytical model for calculating the dose based on Fermi-Eyges multiple scattering theory was developed and tested. This analytical model has also been used to design and optimise a double-scattering system for VHEE therapy, in order to obtain field sizes greater than 15x15 cm², and to assess the possible adaptation of conventional particle beam conformation methods for FLASH-VHEE therapy. The second part of this work focuses on VHEE treatment planning and the evaluation of clinical plans. Four representative clinical cases were studied, for which pencil-beam scanning (PBS) and double scattering (DS) treatment plans were calculated. The influence of beam energy on plan quality was studied and the PBS and DS techniques were compared. A temporal description of the irradiation was also carried out, as well as the incorporation of a FLASH modification factor when evaluating the plan and its effect on healthy tissue in FLASH mode. Finally, the estimation of doses from secondary particles and radiation protection issues were addressed. A calculation of the secondary dose due to Bremsstrahlung photons and neutrons from the two dose delivery systems was developed in water. The secondary particle dose received by various organs was also assessed in the context of intracranial treatments and in order to demonstrate the advantage of VHEE beams over proton beams in terms of out-of-field neutron dose. In summary, the fast analytical models parameterised in this study allow the dose distribution produced by a VHEE system to be estimated with good accuracy, providing important information for the potential design of a VHEE system. The results of this work could support the development of FLASH-VHEE radiotherapy.
Le développement de méthodes innovantes susceptibles de réduire la sensibilité des tissus sains aux radiations, tout en maintenant l'efficacité du traitement sur la tumeur, est un aspect central de l'amélioration de l'efficacité de la radiothérapie pour le traitement du cancer. Parmi les développements et innovations méthodologiques possibles, la combinaison d'une irradiation à ultra-haut débit de dose (FLASH) et d'électrons de très haute énergie (VHEE) pourrait permettre d'exploiter les avantages radiobiologiques de l'effet FLASH pour le traitement des tumeurs profondes. En particulier, les VHEEs dans la gamme d'énergie de 100 à 250 MeV seraient particulièrement intéressants d'un point de vue balistique et biologique pour l'application des irradiations FLASH en radiothérapie. Cette thèse étudie donc l'utilisation possible des VHEEs en radiothérapie et en particulier leur utilisation à ultra-haut débit de dose, évaluant ainsi la faisabilité de la radiothérapie FLASH-VHEE. Bien que prometteuse, plusieurs aspects de cette technique doivent être étudiés avant qu'elle puisse être employée dans un contexte clinique. Une première partie du travail étudie les paramètres de la machine nécessaires pour répondre aux contraintes des irradiations FLASH. À cette fin, un modèle analytique de calcul de la dose basé sur la théorie de la diffusion multiple de Fermi-Eyges a été développé et testé. Ce modèle analytique a également été utilisé pour concevoir et optimiser un système de double diffusion pour la thérapie VHEE et ainsi obtenir des tailles de champ supérieures à 15x15 cm², et pour évaluer la possible adaptation des méthodes de conformation conventionnelles du faisceau de particules pour la thérapie FLASH-VHEE. La deuxième partie de ce travail porte sur la planification du traitement par VHEE et l'évaluation des plans cliniques. Quatre cas cliniques représentatifs ont été étudiés, pour lesquels des plans de traitement par balayage de mini-faisceau (PBS) et par double diffusion (DS) ont été calculés. L'influence de l'énergie du faisceau sur la qualité du plan a été étudiée et les techniques PBS et DS ont été comparées. Une description temporelle de l'irradiation a également été réalisée ainsi que l'incorporation d'un facteur de modification FLASH lors de l'évaluation du plan et de son effet sur les tissus sains en mode FLASH. Enfin, l'estimation des doses liées aux particules secondaires et les questions de radioprotection ont été abordées. Un calcul de la dose secondaire due aux photons de Bremsstrahlung et aux neutrons provenant des deux systèmes de délivrance de la dose a été développé dans l'eau. La dose dues aux particules secondaires reçues par divers organes a également été évaluée dans le cadre de traitements intracrâniens et afin de démontrer l'avantage des faisceaux VHEE par rapport aux faisceaux de protons en terme de dose neutrons hors champ. En résumé, les modèles analytiques accélérés et paramétrés dans cette étude permettent une estimation de la distribution de la dose produite par un système VHEE avec une bonne précision, ce qui fournit des informations importantes pour la conception éventuelle d'un système VHEE. Les résultats de ce travail pourraient soutenir le développement de la radiothérapie FLASH-VHEE.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04700089 , version 1 (17-09-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04700089 , version 1

Citer

Maria Grazia Ronga. Study and modelling of very high energy electrons (VHEE) radiation therapy. Medical Physics [physics.med-ph]. Université Paris-Saclay, 2024. English. ⟨NNT : 2024UPAST036⟩. ⟨tel-04700089⟩
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