Classification, feature extraction and prediction of side effects in prostate cancer radiotherapy

par Aureline Fargeas

Thèse de doctorat en Traitement du signal et télécommunications

Sous la direction de Renaud De Crevoisier.

Soutenue le 29-06-2016

à Rennes 1 , dans le cadre de MATISSE , en partenariat avec Universite Bretagne Loire (ComuE) et de Laboratoire de Traitement du Signal et de l'Image (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Classification, extraction de données et prédiction de la toxicité rectale en radiothérapie du cancer de la prostate


  • Résumé

    Le cancer de la prostate est l'un des cancers les plus fréquents chez l'homme. L'un des traitements standard est la radiothérapie externe, qui consiste à délivrer un rayonnement d'ionisation à une cible clinique, en l'occurrence la prostate et les vésicules séminales. Les objectifs de la radiothérapie externe sont la délivrance d'une dose d'irradiation maximale à la tumeur tout en épargnant les organes voisins (principalement le rectum et la vessie) pour éviter des complications suite au traitement. Comprendre les relations dose/toxicité est une question centrale pour améliorer la fiabilité du traitement à l'étape de planification inverse. Des modèles prédictifs de toxicité pour le calcul des probabilités de complications des tissus sains (normal tissue complication probability, NTCP) ont été développés afin de prédire les événements de toxicité en utilisant des données dosimétriques. Les principales informations considérées sont les histogrammes dose-volume (HDV), qui fournissent une représentation globale de la distribution de dose en fonction de la dose délivrée par rapport au pourcentage du volume d'organe. Cependant, les modèles actuels présentent certaines limitations car ils ne sont pas totalement optimisés; la plupart d'entre eux ne prennent pas en compte les informations non-dosimétrique (les caractéristiques spécifiques aux patients, à la tumeur et au traitement). De plus, ils ne fournissent aucune compréhension des relations locales entre la dose et l'effet (dose-espace/effet relations) car ils n'exploitent pas l'information riche des distributions de planification de dose 3D. Dans un contexte de prédiction de l'apparition de saignement rectaux suite au traitement du cancer de la prostate par radiothérapie externe, les objectifs de cette thèse sont : i) d'extraire des informations pertinentes à partir de l'HDV et des variables non-dosimétriques, afin d'améliorer les modèles NTCP existants et ii) d'analyser les corrélations spatiales entre la dose locale et les effets secondaires permettant une caractérisation de la distribution de dose 3D à l'échelle de l'organe. Ainsi, les stratégies visant à exploiter les informations provenant de la planification (distributions de dose 3D et HDV) ont été proposées. Tout d'abord, en utilisant l'analyse en composantes indépendantes, un nouveau modèle prédictif de l'apparition de saignements rectaux, combinant d'une manière originale l'information dosimétrique et non-dosimétrique, a été proposé. Deuxièmement, nous avons mis au point de nouvelles approches visant à prendre conjointement profit des distributions de dose de planification 3D permettant de déceler la corrélation subtile entre la dose locale et les effets secondaires pour classer et/ou prédire les patients à risque de souffrir d'un saignement rectal, et d'identifier les régions qui peuvent être à l'origine de cet événement indésirable. Plus précisément, nous avons proposé trois méthodes stochastiques basées sur analyse en composantes principales, l'analyse en composantes indépendantes et la factorisation discriminante en matrices non-négatives, et une méthode déterministe basée sur la décomposition polyadique canonique de tableaux d'ordre 4 contenant la dose planifiée. Les résultats obtenus montrent que nos nouvelles approches présentent de meilleures performances générales que les méthodes prédictives de la littérature.


  • Résumé

    Prostate cancer is among the most common types of cancer worldwide. One of the standard treatments is external radiotherapy, which involves delivering ionizing radiation to a clinical target, in this instance the prostate and seminal vesicles. The goal of radiotherapy is to achieve a maximal local control while sparing neighboring organs (mainly the rectum and the bladder) to avoid normal tissue complications. Understanding the dose/toxicity relationships is a central question for improving treatment reliability at the inverse planning step. Normal tissue complication probability (NTCP) toxicity prediction models have been developed in order to predict toxicity events using dosimetric data. The main considered information are dose-volume histograms (DVH), which provide an overall representation of dose distribution based on the dose delivered per percentage of organ volume. Nevertheless, current dose-based models display limitations as they are not fully optimized; most of them do not include additional non-dosimetric information (patient, tumor and treatment characteristics). Furthermore, they do not provide any understanding of local relationships between dose and effect (dose-space/effect relationship) as they do not exploit the rich information from the 3D planning dose distributions. In the context of rectal bleeding prediction after prostate cancer external beam radiotherapy, the objectives of this thesis are: i) to extract relevant information from DVH and non-dosimetric variables, in order to improve existing NTCP models and ii) to analyze the spatial correlations between local dose and side effects allowing a characterization of 3D dose distribution at a sub-organ level. Thus, strategies aimed at exploiting the information from the radiotherapy planning (DVH and 3D planned dose distributions) were proposed. Firstly, based on independent component analysis, a new model for rectal bleeding prediction by combining dosimetric and non-dosimetric information in an original manner was proposed. Secondly, we have developed new approaches aimed at jointly taking advantage of the 3D planning dose distributions that may unravel the subtle correlation between local dose and side effects to classify and/or predict patients at risk of suffering from rectal bleeding, and identify regions which may be at the origin of this adverse event. More precisely, we proposed three stochastic methods based on principal component analysis, independent component analysis and discriminant nonnegative matrix factorization, and one deterministic method based on canonical polyadic decomposition of fourth order array containing planned dose. The obtained results show that our new approaches exhibit in general better performances than state-of-the-art predictive methods.


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