Ce travail de thèse est centré sur l'établissement de modèles prédictifs de toxicité radio-induite et sur l’étude de leur intérêt en cas de radiothérapie par modulation d’intensité. Six modèles NTCP ont été implémentés et leur paramètres identifiés pour la prédiction des toxicités rectale et vésicale tardives dans le cancer de la prostate. Leur capacité prédictive a été démontrée pour les deux organes. Par ailleurs, le modèle LKB a été utilisé pour la prédiction de l’œsophagite aiguë en cas de radiothérapie du cancer bronchique non à petites cellules. Ensuite, le bénéfice tiré de l’incorporation du paramètre de dose équivalent uniforme (EUD) pour la planification inverse de la radiothérapie par modulation d’intensité (IMRT) a été évalué. L’évaluation de cette approche a montré une baisse significative de la dose dans les parois vésicale et rectale. L’incorporation de plusieurs modèles biologiques dans le processus d’optimisation de l’IMRT a aussi été réalisée. Des fonctions objectif ont été établies pour les différents facteurs biologiques comme le NTCP, l’EUD et le TCP. Les résultats dosimétriques obtenus montrent la supériorité de l’optimisation basée sur des facteurs biologiques sur celle reposant uniquement sur des facteurs physiques. Enfin, les modèles NTCP classiques ont été améliorés en intégrant un paramètre radiobiologique supplémentaire, le rapport α/β. Ce rapport α/β a été identifié pour différents types de toxicité. Avec ce nouveau paramètre, les modèles NTCP peuvent finalement être étendus à des patients traités suivant différents fractionnements, les traitements hypofractionnés étant de plus en plus utilisés.