Development and evaluation of an intraoperative beta imaging probe for radio-guided solid tumor surgery

par Sara Spadola

Thèse de doctorat en Imagerie médicale et radioactivité

Sous la direction de Yves Charon.

Le président du jury était Bruno Espagnon.

Le jury était composé de Yves Charon, Bruno Espagnon, Riccardo Faccini, Thomas Patzak, Stéphane Palfi, Laurent Ménard.

Les rapporteurs étaient Riccardo Faccini, Thomas Patzak.

  • Titre traduit

    Développement et évaluation d'un imageur beta per-opératoire pour guider la chirurgie des tumeurs solides


  • Résumé

    Les tumeurs solides relèvent pour un très grand nombre de cas d’un traitement chirurgical. La réussite thérapeutique dépend de la qualité, de la précision de l’exérèse et de la capacité à « visualiser » les résidus tumoraux. Pour ce faire, différents marqueurs sont disponibles sur le marché, notamment radioactifs. Depuis peu, des émetteurs de positrons spécifiques sont disponibles, relançant l’intérêt des techniques de chirurgies radioguidées. Les objectifs de ces travaux ont été la conception, le développement et l’optimisation d’un détecteur de positons pour la localisation de la tumeur avant exérèse et des amas tumoraux résiduels après exérèse. L’avantage de la détection des positons est leur parcours dans les tissus mous, de quelques millimètres. Leur détection est donc plus précise et de meilleure sensibilité (1 à 3 ordres de grandeurs) que la détection de rayonnements gamma. Elle consiste en une technique d’imagerie de contact sur une profondeur de quelques millimètres. Nous avons donc développé 2 prototypes d’imageurs beta+ composés de photomultiplicateurs en silicone (SiPM). Le SiPM sont des photomultiplicateurs présentant les mêmes caractéristiques que les tubes photomultiplicateurs (PMT), tout en étant sensibles à une faible luminosité et de très petite dimension, ce qui est parfaitement adapté à la problématique. La tête de détection du premier prototype est l’association d’un scintillateur organique sur une matrice de SiPM. Cette configuration permet de réduire le bruit dû à la contamination du signal par des rayonnements gamma. La seconde configuration inclus une méthode de soustraction permettant d’améliorer la discrimination du bruit Gamma, sans l’éliminer totalement. Pour ce faire, un assemblage de deux scintillateurs séparés par un guide de lumière est utilisé. Le signal issu des extrémités du scintillateur sont discriminés par l’analyse des différentes distributions de lumière sur la matrice SiPM. Dans les deux cas, le détecteur a été conceptualisé de façon à positionner la tête de détection dans un boitier mécanique comprenant une électronique de lecture miniaturisée. Différents designs de la sonde Beta+, prenant en compte le matériau et l’épaisseur du scintillateur, la fenêtre de propagation lumineuse et le réflecteur optique ont été simulés avec MonteCarlo et mesurés expérimentalement. Ces paramètres ont été optimisés de façon à ce que la sonde offre les meilleures performances en termes de sensibilité de détection des positons, discrimination du bruit Gamma, résolution et distorsion spatiale et uniformité de réponse. L’influence des différents algorithmes de reconstruction sur les performances spatiales ont été étudiées et une première étude préclinique du détecteur sur fantôme a pu être réalisée avec la première configuration de détecteur.


  • Résumé

    Extent and accuracy of surgical resection is a crucial step in the therapy of operable solid tumors. The recent availability of specific tumor-seeking agents, positron labeled, renewed the interest for radioguided surgery. The detection of beta particles, due to their short range, allows a more sensitive and accurate tumor localization. Since no mechanical collimation is necessary, it is possible to design probes with a sensitivity increased by one to three orders of magnitude compared to gamma detectors. The beta particle short range also reduces the contamination from distal non-specific radiotracers uptake region, which results in a increased signal-to-noise-ratio. Conversely, beta detection requires sensors to be extremely compact in order to operate in contact with the surveyed tissues in narrow surgical cavities. This thesis takes place in that context. Its aim was to develop an intraoperative positron imaging probe based on the silicon photomultiplier technology (SiPM) and to evaluate its ability to perform in real time tumor localization and post-operative control of the surgical cavity. During this work, two prototypes of intraoperative positron imaging probe were developed. The first detector design is based on the use of a single organic scintillator coupled to an array of SiPMs. This configuration uses a small sensitive volume to reduce the contamination noise coming from the annihilation gamma rays. The second version of the probe implements a subtraction method allowing to improve gamma rejection efficiency. This configuration uses a stack of two scintillators separated by a light guide. The events interacting in the top and the bottom scintillator are discriminated by the analysis of the different light distributions on the SiPM array. Different designs of the positron imaging probes, including scintillator material and thickness, light spreading window and optical reflector, were investigated with Montecarlo simulations and measurements. Their impact on the probes performances were optimized in terms of positron sensitivity, gamma ray rejection efficiency, spatial resolution and bias and uniformity of response. The effect of different reconstruction algorithm on spatial performances was also studied. Finally, the objective of developing an intraoperative probe fully operational in the operating room has been achieved by the design of dedicated miniaturized electronic readouts and mechanical housing. In the last part of my thesis, the evaluation of the single scintillator configuration in a realistic clinical environment was performed with 18F-FDG phantoms. We showed that the low intrinsic sensitivity of this probe to gamma radiations allows to detect tumor volumes as small as 14 mg for uptake properties corresponding to currently available radiotracers and acquisition times compatible with the surgery duration.


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