Segmentation et étude par simulations Monte Carlo de l’apport de la synchronisation respiratoire en imagerie TEP ou 18F-FDG à visée de radiothérapie conformationnelle des tumeurs pulmonaires

par Sébastien Vauclin

Thèse de doctorat en Sciences et technologie de l'information et de la communication. Traitement du signal et des images

Sous la direction de Sébastien Hapdey.

Soutenue en 2009

à Rouen .


  • Résumé

    Pour la planification du traitement en radiothérapie externe, l'imagerie fonctionnelle thoracique par Tomographie d'Emission de Positons (TEP) au 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (18F-FDG) montre actuellement un grand intérêt dans la définition du volume cible tumoral, en particulier pour les patients présentant des cancers bronchiques "non à petites cellules". Pour cela, il est indispensable de disposer d'une méthode de segmentation automatique performante et de synchroniser de façon efficace l'acquisition des données TEP à la respiration du patient. Dans cet objectif, 3 méthodes de seuillage automatique et itératif (Méthodes №1, №2 et №3) inspirées d'approches de la littérature, mais avec des modifications algorithmiques notables ont été implémentées et étudiées à l'aide d'expérimentations sur des fantômes physiques, ainsi que sur des données patients. Les résultats obtenus ont été confrontés à ceux d'un seuillage fixe à 40% de l'intensité maximale au sein de l'hyperfixation (I_MaxHyp), ainsi qu'aux contourages "manuels" de deux médecins nucléaires expérimentés. Il ressort de ce travail que la Méthode №2 est la plus performante tout en étant facile à mettre en œuvre en routine clinique. Du point de vue de la restitution des volumes lésionnels sur fantômes physiques, les erreurs de mesure commises avec cette approche sont en médiane égale à 0,33 mL et 50% d'entre elles (c. -à-d. L'étendue interquartile) sont respectivement comprises entre -0,97 mL et 0,76 mL. Ensuite, l'apport de la synchronisation respiratoire a été étudié. Pour cela, des examens TEP thoraciques au 18F-FDG synchronisés en phase à la respiration ont été simulés par méthode Monte Carlo à l'aide du logiciel GATE, de la modélisation de la caméra TEP SIEMENS Biograph Sensation 16 Hi-Rez et du fantôme numérique thoracique voxelisé 4D NCAT. L'apport de la synchronisation respiratoire a été mis en avant et il a également été montré qu'il apparaît préférable de reconstruire les données acquises avec un nombre de pas temporels permettant d'optimiser les résultats obtenus en fonction de la finalité recherchée. En effet, un découpage du cycle respiratoire en 8, 5 et 3 pas temporels semble respectivement le mieux adapté pour la mesure des volumes lésionnels d'occupation réels couverts par les tumeurs au cours de la respiration, vis-à-vis de la restitution de l' I_MaxHyp et pour la détectabilité visuelle des tumeurs. Ces travaux devraient avoir un impact significatif sur la planification du traitement en radiothérapie externe.


  • Résumé

    For external radiotherapy treatment planning, Positron Emission Tomography (PET) using 2-[18F]fluoro-2-deoxy-D-glucose (18F-FDG) thoracic functional imaging currently demonstrate a great interest in the definition of the tumoral target volume, especially in patients with "Non Small Cell Lung Cancers". To that end, it is essential to have efficient automatic segmentation method and to accuratly synchronize the acquisition of PET data to the patient breathing. For this purpose, 3 automatic and iterative thresholding methods (Methods №1, №2 and №3) inspired of literature approaches, but with significant algorithmic modifications were implemented and studied using data acquired on physical phantoms, as well as patients. The results were compared with those of a fixed threshold of 40% of the maximum intensity within the hyperfixation (I_MaxHyp), as well as the "manual" delineation of two experimented nuclear physicians. This work underlines that the Method №2 is the most accurate while being easy to implement in clinical routine. From the point of view of functionnal volume restitution on physical phantoms, measurement errors committed with this approach are in median equal to 0. 33 mL and 50% of them (i. E. The interquartile range) are respectively included between -0. 97 mL et 0. 76 mL. Then, the contribution of respiratory gating was studied. To that end, 18F-FDG phase respiratory-gated PET thoracic exams were simulated by Monte Carlo method using the GATE software, the SIEMENS Biograph Sensation 16 Hi-Rez PET scanner model and the 4D NCAT numerical thoracic voxelised phantom. The contribution of respiratory gating was emphasized and it was also shown that it seems preferable to reconstruct the acquired data with a number of temporal frames allowing to optimize obtained results according to the desired purpose. Indeed, a respiratory cycle sampling of 8, 5 and 3 frames seems respectively the best adapted for the measurement of real functionnal occupancy volumes covered by the lesions during breathing, towards the restitution of I_MaxHyp and for the visual detectability of tumors. These works should have a significant impact on the treatment planning in external radiotherapy.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (283 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr.. Contient des articles en anglais

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  • Bibliothèque : Université de Rouen. Service commun de la documentation. Section sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 09/ROUE/S009
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  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : 09/ROUE/S009
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