par Houyoux, Guillaume 
Président du jury Verhoeven, Caroline
Promoteur Reynaert, Nick
Publication Non publié, 2026-04-10
Président du jury Verhoeven, Caroline
Promoteur Reynaert, Nick
Publication Non publié, 2026-04-10
Thèse de doctorat
| Résumé : | L’hadronthérapie utilisant des protons et des ions légers offre théoriquement des avantages significatifs par rapport à la radiothérapie conventionnelle par photons, grâce à une meilleure conformation de dose et à des propriétés radiobiologiques favorables. Son bon déroulement en clinique nécessite une dosimétrie de référence précise afin de garantir que la dose absorbée délivrée au patient correspond à celle demandée à la machine. Bien que l’utilisation de chambres d’ionisation constituent le standard en dosimétrie de référence, le facteur de correction de qualité du faisceau (kQ) appliqué à la réponse du détecteur demeure une source dominante d’incertitude, en particulier pour les faisceaux d’ions légers tels que l’hélium et le carbone. L’objectif principal de cette thèse était de déterminer et d’étudier les facteurs correctifs kQ pour des chambres d’ionisation en hadronthérapie au moyen de simulations Monte Carlo. Le but final étant de comprendre et de réduire les incertitudes associées aux mesures de dose absorbée dans l’eau dans des conditions cliniques de référence. Après une introduction aux fondements physiques, biologiques et dosimétriques de la radiothérapie et de l’hadronthérapie (chapitre 1), la base théorique des facteurs kQ et leur dérivation par simulation Monte Carlo sont présentées (chapitre 2). La première étude originale examine l’impact des tolérances de fabrication sur les facteurs kQ calculés par Monte Carlo pour des chambres d’ionisation plan-parallèles dans des faisceaux de protons (chapitre 3). Ce travail montre que des écarts géométriques réalistes liés aux tolérances de fabrication n’introduisent qu’une incertitude supplémentaire limitée, ce qui soutient l’utilisation de leurs géométries nominales dans des simulations Monte Carlo. L’influence de l’implémentation Monte Carlo elle-même est ensuite analysée par la comparaison de différentes versions du code de simulation Geant4 pour la dosimétrie des faisceaux de protons (chapter 4). Cette étude met en évidence des changements non négligeables pouvant résulter de l’utilisation de différentes versions d’un même code Monte Carlo, mettant en garde la communauté scientifique contre une utilisation aveugle de ces outils. Par la suite, les facteurs kQ de multiples détecteurs cliniques sont déterminés pour des faisceaux de protons et d’ions légers (chapitre 5). Une attention particulière a été portée aux effets de la fragmentation nucléaire ainsi qu’à la dépendance en l’énergie du faisceau, notamment pour des faisceaux d’hélium et de carbone. Enfin, la contribution des incertitudes de type B liées aux propriétés des matériaux des détecteurs et à leur modélisation a été quantifiée pour des faisceaux de protons et d’ions carbone (chapitre 6), offrant une compréhension plus complète de l’incertitude globale en dosimétrie de référence. Dans l’ensemble, les résultats de cette thèse soutiennent et nuances l’intégration des facteurs kQ calculées par Monte Carlo dans les codes de bonne pratique en dosimétrie et contribuent à améliorer la précision et la fiabilité de la dosimétrie de référence en hadronthérapie. |
| Particle therapy with protons and light ions theoretically offers significant advantages over conventional photon radiotherapy due to its superior dose conformity and favourable radiobiological properties. Its proper implementation in the clinic requires accurate reference dosimetry measurements to ensure that the delivered absorbed dose to a patient corresponds to what is requested to the machine. While ionisation chambers represent the current standard instruments to perform reference dosimetry, their beam quality correction factor (kQ) applied to the reading of the detector remains a dominant source of uncertainty, particularly for light ion beams such as helium and carbon ions. The overarching objective of this thesis was to derive and study the beam quality correction factors for ionisation chambers in particle therapy by means of Monte Carlo simulations, with the ultimate goal of understanding and reducing uncertainties in absorbed dose-to-water measurements under clinical reference conditions. After introducing the physical, biological and dosimetric foundations of radiotherapy and particle therapy (chapter 1), the theoretical basis of beam quality correction factors and their calculation using Monte Carlo methods is presented (chapter 2). The first original study investigates the impact of manufacturing tolerances on Monte Carlo calculated kQ factors for plane-parallel ionisation chambers in proton beams (chapter 3). This work demonstrates that realistic geometric deviations arising from manufacturing tolerances introduce only a limited additional uncertainty, supporting the use of nominal detector geometries in Monte Carlo simulations. The influence of the Monte Carlo implementation itself is then examined by comparing different versions of the Geant4 simulation toolkit for proton beam dosimetry (chapter 4). This study highlights the non-trivial changes that can arise from different versions of the same Monte Carlo code, warning the scientific community about blind use of such tools. Subsequently, the beam quality correction factors of multiple clinical detectors are derived for clinical proton and light ion beams (chapter 5). A particular attention was dedicated to the effects of nuclear fragmentation and to the presence of beam energy dependency especially for helium and carbon ion beams. Finally, the contribution of Type-B uncertainties related to detector material properties and modelling was quantified for proton and carbon ion beams (chapter 6), providing a more complete understanding of the uncertainty budget in Monte Carlo based reference dosimetry. Together, the results of this thesis support and nuance the continued integration of Monte Carlo calculated kQ values into dosimetry codes of practice and contribute to improved accuracy and reliability of reference dosimetry in modern particle therapy. |
