Développement de tests et de procédures innovants pour la conception et l'évaluation d'une nouvelle technologie de TEP/TDM : du fantôme à l'humain - TEL - Thèses en ligne Access content directly
Theses Year : 2023

Development of innovative tests and procedures supporting the design and evaluation of a new technology of PET/CT : from phantom to human

Développement de tests et de procédures innovants pour la conception et l'évaluation d'une nouvelle technologie de TEP/TDM : du fantôme à l'humain

Abstract

Positron Emission Tomography (PET) coupled with Computed Tomography (CT) is commonly used in oncology at various stages of the management of many cancers, either for diagnosis, treatment follow-up or monitoring. However, the technical performances of PET have so far been limited in detecting lesions smaller than 10 mm in diameter, preventing the quantification of metabolic activity in small volumes. Various hardware and software improvements, such as detection geometry, embedded electronics and reconstruction algorithms, have improved the overall performances of PET. To assess these performances, scientific experts from national and international authorities provide users and manufacturers with standardized procedures. These are useful for evaluating and comparing systems using test objects, but are unrealistic in terms of clinical practice. Regarding clinical data, the gold standard method for determining diagnostic accuracy is based on lesion detection. It is assessed by the rates of true positives and true negatives from patient examinations. Diagnostic accuracy can only be obtained by anatomocytopathological analysis of biopsies. Simulation provides an alternative method to the use of physical data through computational modeling. The most realistic is particle-tracking-based simulation, which is generically referred to as Monte Carlo method. A major limitation in particle-tracking simulation is the significant computation time which limits the generation of large datasets. Analytical simulation is another method that models the average probability of photon interactions instead of individual photon tracking. By combining physical data with fast analytical simulation, we are able to quickly generate significant sets of imaging configurations from a PET-CT system. As part of a research collaboration, we have a dedicated workstation and software solution for modelling, simulation and reconstruction of PET data. The simulation method used is based on the Insertion of Synthetic Lesion (ISL). The ISL consists in embedding synthetic information with known characteristics such as location, volume, shape and activity into pre-acquired data using system modeling. The aim is to use the method on physical data to create a scalable ground truth that meets clinical needs. In a first experimental study, we evaluate the accuracy of the ISL method in multiple scenarios in comparison to equivalent physical experiments. It is a first validation step performed on standardized objects. In a second study, we apply the ISL method to clinical examinations from two PET-CT systems. From this study, we highlight differences in clinical performances between the devices and establish a clinical trial model to quantify these differences. Finally, the clinical trial study the relevance of the ISL method applied to examinations of the same patients acquired consecutively on different PET-CT systems. The methodology used provides a cross-comparison of the performances under clinical conditions. ISL makes it possible to evaluate the differences in performances between two PET-CT scanners with a limited number of experiments or examinations. By using synthetically modified clinical images, it is possible to produce a ground truth in a realistic anatomical model and thus supports the clinical optimization of PET-CT scanners.
La Tomographie par Emission de Positons (TEP) couplée à la TomoDensitoMétrie (TDM) est couramment utilisée en oncologie dans la prise en charge de nombreux cancers, que ce soit pour le diagnostic, le suivi du traitement ou la recherche de récidive. Cependant, les performances techniques de la TEP ont été jusqu'à présent limitées pour la détection des lésions d'un diamètre inférieur à 10 mm, empêchant ainsi la quantification de l'activité métabolique des petits volumes. Diverses tentatives d'amélioration matérielle ou logicielle, telles que la géométrie de la détection, l'électronique embarquée et les algorithmes de reconstruction, ont permis l'amélioration des performances globales de la TEP. Pour évaluer ces performances, des experts scientifiques d'autorités nationales et internationales fournissent aux utilisateurs et aux fabricants des procédures normalisées. Celles-ci sont utiles pour évaluer et comparer les systèmes en utilisant des objets-test, mais sont éloignées de la pratique clinique en termes de réalisme. En ce qui concerne les données cliniques, la méthode de référence pour déterminer la précision du diagnostic est basée sur la détection de lésions. Elle est exprimée par les taux de vrais positifs et de vrais négatifs à partir d'examens de patients. La vérité diagnostique ne peut être obtenue que par une analyse anatomocytopathologique effectuée à partir de biopsies. La simulation constitue une méthode alternative à l'utilisation de données physiques par le biais de la modélisation informatique. La plus exacte est la méthode statistique basée sur le suivi des particules, communément appelée méthode de Monte Carlo. L'une des principales limites de ce type de simulation est un temps de calcul important qui limite la génération de grands ensembles de données. La simulation analytique est une méthode simplifiée qui modélise la probabilité moyenne des interactions entre photons au lieu du suivi individuel des photons. En combinant des données physiques avec une simulation analytique rapide, nous pouvons rapidement générer des volumes de données importants et permettre l'exploration des capacités des systèmes TEP. Dans le cadre d'une collaboration de recherche, nous disposons d'une station de travail et d'une solution logicielle dédiées à la modélisation, la simulation et la reconstruction des données TEP. La méthode de simulation utilisée est l'Insertion de Données Synthétiques (IDS). Elle consiste à intégrer, à l'aide d'une modélisation précise du système, des informations artificielles dans des données avant la reconstruction en images. L'objectif est d'utiliser cette méthode sur des données et ainsi créer une vérité de terrain modulable répondant aux besoins cliniques. Dans une première étude expérimentale, nous évaluons la précision de la méthode dans de multiples scénarios en comparaison avec des expériences physiques équivalentes. Il s'agit d'une première étape de validation réalisée sur des objets normés. Dans une deuxième étude, nous appliquons la méthode de simulation à des examens cliniques provenant de deux systèmes TEP-TDM. Cette étude nous a permis de mettre en évidence les différences de performances cliniques entre les dispositifs et d'établir un modèle d'essai clinique pour quantifier ces différences. Finalement, l'essai clinique a permis d'étudier la pertinence de la méthode d'IDS appliquée à des examens de mêmes patients acquis consécutivement sur des systèmes TEP-TDM différents. La méthodologie adoptée permet la comparaison croisée des performances des dispositifs dans des conditions cliniques. L'IDS permet d'évaluer, avec un nombre limité d'expérimentations ou d'examens, les différences de performance entre TEP-TDM. En utilisant des images cliniques modifiées synthétiquement, il est en effet possible de produire une vérité de terrain dans un modèle anatomique réaliste et ainsi guider efficacement l'optimisation clinique des TEP-TDM.
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tel-04576049 , version 1 (15-05-2024)

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  • HAL Id : tel-04576049 , version 1

Cite

Quentin Maronnier. Développement de tests et de procédures innovants pour la conception et l'évaluation d'une nouvelle technologie de TEP/TDM : du fantôme à l'humain. Imagerie médicale. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2023. Français. ⟨NNT : 2023TOU30292⟩. ⟨tel-04576049⟩
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