Mise en place de l'imagerie tri-modalité (TEP-CT-IRM ) en radiothérapie stéréotaxique

Implementation of trimodality imaging (PET-CT-MRI) in stereotactic radiotherapy.

• Auteur / Autrice : Pauline Hinault
• Direction : Su Ruan, Pierre Vera
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systemes informatiques
• Date : Soutenance le 16/11/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale mathématiques, information et ingénierie des systèmes (Caen)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'informatique, de traitement de l'information et des systèmes (Saint-Etienne du Rouvray, Seine-Maritime ; 2006-...)
• Partenaire(s) de recherche : établissement co-accrédité : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Jury : Président / Présidente : Julian-Mickaël Biau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Dubray
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Soléakhéna Ken, Charlotte Robert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomodensitométrie

Stéréotaxie

Imagerie médicale

Radiochirurgie

Radiothérapie

Imagerie par résonance magnétique

Mots clés libres

Trimodalité

Radiothérapie stéréotaxique

IRM

Trimodality

Stereotactic radiotherapy

MRI

Résumé

L’imagerie médicale est une technique essentielle pour le traitement des cancers par radiothérapie (RT). Si la TDM est l’imagerie de référence pour la détermination des volumes d’intérêt et le calcul de dose, d’autres modalités, telles que la TEP et l’IRM, permettent d’améliorer la précision de la segmentation du volume cible.Dans notre étude, la mise en place de l’imagerie trimodalité a nécessité :— L’optimisation des séquences IRM dédiées à la radiothérapie.— L’évaluation des incertitudes de positionnement d’une acquisition d’une modalitéd’imagerie à autre.— L’évaluation des distorsions géométriques sur lamodalité IRM.Nos résultats montrent qu’il convient de trouver un compromis pour optimiser les séquences IRM en radiothérapie. Bien que l’on observe une diminution du rapport S/Bet de l’uniformité avec les antennes dédiées à la RT, elles sont les seules compatibles avec l’acquisition d’images en position du traitement. Nous avons constaté que la bandepassante est l’un des principaux paramètres qui influence la qualité image. Nos travaux nous ont permis d’optimiser deux séquences utilisées pour le traitement respectivement des tumeurs ORL par arcthérapie et des lésions intracrâniennes en conditions stéréotaxiques. Malgré ces optimisations, nos résultats montrent que les distorsions géométriquespeuvent atteindre 1,5mmet qu’il est indispensable de les prendre en compte notamment lors du traitement par RT stéréotaxique intracrânienne où la précision requise est de l’ordre du millimètre.Notre travail a porté également sur l’évaluation des incertitudes de positionnement de 2 configurations de trimodalité TEP/TDM-IRM. L’une concerne un système de transfertdu patient entre l’imageur TEP/TDM et l’IRM. Pour l’autre, le patient se lève entre les deux examens. Nous avons évalué les incertitudes engendrées par l’algorithme de recalage d’images et pu montrer qu’elles sont très inférieures aux incertitudes de positionnement du patient. Nos résultats montrent que les incertitudes en translation sont, enmoyenne, inférieures à 4 mm et en rotation inférieures à 0,5°. Dans le cas du traitement des tumeurs ORL, utilisant un masque thermoformé, nous avons constaté que la solution trimodalité à l’aide d’un système de transfert ne permet pas de réduire de manière significative les incertitudes de positionnement par rapport à la configuration où le patient se lève entre deux examens, et que des améliorations sont à apporter au système de transfert afin de tenir compte des très fortes contraintes liées à la RT. Enfin, nous avons développé une méthode permettant de tenir compte des distorsions géométriques induites par le système et par le patient lors de la planification dutraitement. L’ensemble de ces distorsions a été évalué sur une cohorte rétrospective de 20 patients (26 lésions) traités par radiothérapie stéréotaxique intracrânienne. Avec la méthode développée, nous avons obtenu pour 4 lésions (c’est à dire 15 % d’entre elles) une différence au niveau de la Dmin (Dose minimale) reçue par le "Planning Target Volume" (PTV) dépassant les 5 %, à savoir 5,4 %, 9,1 %, 9,8 % et 10,5 %, montrant l’importance de l’optimisation des séquences IRM et le développement d’outils pour évaluer facilement les conséquences des distorsions du PTV sur la recherche des objectifs de dose.

Medical imaging is an essential technique for the treatment of cancers with radiotherapy (RT). While CT is the reference imaging for volume delineation and dose calculation,other modalities, such as PET and MRI, can improve the accuracy of target volume segmentation.In our study, the implementation of trimodality imaging required :— The optimization ofMRI sequences dedicated to radiotherapy.— The evaluation of the uncertainties of positioning of an acquisition from one imagingmodality to another.— Evaluation of geometric distortions on theMRImodality.Our results show that a compromise must be found to optimizeMRI sequences in radiotherapy. Although we observe a decrease in SNR and uniformity with coils dedicatedto RT, they are the only ones compatible with image acquisition in the treatment position. We have found that bandwidth is one of the main parameters that influence image quality. Our work allowed to optimize two sequences used for the treatment of H&N tumors by arctherapy and intracranial lesions in stereotactic conditions. Despite these optimizations,our results show that geometric distortions can reach 1.5mmand that it is essential to take them into account, especially for intracranial stereotactic RT treatment where the spatial accuracy is about a millimeter. Our work has also focused on the evaluation of the positioning uncertainties of twoPET/CT-MRI trimodality configurations.One concerns a transfer system between the PET/CT and theMRI.For the other, the patient stands up is re-positioned between the two acquisitions. We have evaluated the uncertainties generated by the image registration algorithm and have shown that they are much smaller than the patient positioning uncertainties. Our results show that the uncertainties in translation are, on average, less than 4 mmand in rotation less than 0.5°. In the case of H&N tumor treatment, using a thermoformed mask, we have found that the trimodality solution using a transfer system does not significantly reduce the positioning uncertainties compared to the configuration where the patient stands up between two acquisitions. Improvements should be made to the transfer system in order to take into account the very strong requirements related to RT. Finally, we developed a method to take into account the geometric distortions induced by the system and by the patient during radiotherapy treatment planning. All these distortions were evaluated on a retrospective cohort of 20 patients (26 lesions) treated by intracranial stereotactic radiotherapy. With the developed method, we obtained for 4 lesions (i.e. 15% of them) a difference in the Dmin received by the PTV exceeding 5%, i.e. 5.4%, 9.1%, 9.8% and 10.5%, showing the importance of optimizing MRI sequences and developing tools to easily assess the consequences of PTV distortions on dose objectivesoptimization process.