QUANTIFICATION DES EXAMENS ONCOLOGIQUES AU FLUORO-DÉOXYGLUCOSE EN TOMOGRAPHIE PAR ÉMISSION DE POSITONS

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1 Journées Jeunes Chercheurs d Aussois d - Décembre D 2003 U494 QUANTIFICATION DES EXAMENS ONCOLOGIQUES AU FLUORO-DÉOXYGLUCOSE OXYGLUCOSE EN TOMOGRAPHIE PAR ÉMISSION DE POSITONS Juliette FEUARDENT Thèse d imagerie d médicale m (3 ème année) Direction : Irène BUVAT

2 Quantification des examens PET au 18 F-FDG en oncologie Contexte Déroulement d un d examen PET au 18 F-FDG Formation des images PET Intérêt t des examens PET au 18 F-FDG en oncologie Problématique et objectifs Méthodes Acquisitions sur fantôme Simulations Monte Carlo Résultats Conclusion et perspectives

3 Contexte Examen au FDG marqué au 18 F ( 18 F-FDG) 1) Patients a jeun depuis ~4h 2) Injection IV de 18 F-FDG FDG : équivalent du glucose 18 F : émetteur de b + 3) Attente au repos ~1h 4) Acquisition des images

4 Contexte Formation des images PET : détection d de coïncidences b + +e - g g 1) Émission de b + 2) Annihilation avec un e - fi émission de 2 photons g à 180 3) Détection des lignes de réponse formées par les paires de photons g 4) Reconstruction tomographique à partir des lignes de réponse détectées fi estimation de la distribution volumique du radiotraceur dans l organisme

5 Contexte Phénomènes nes physiques affectant le signal PET Atténuation des photons g Diffusion des photons g Coïncidences fortuites Temps mort t

6 Contexte Intérêt t du 18 F-FDG en oncologie Diagnostic différentiel Bilan d extensiond Détection de récidiver Suivi thérapeutique Quantification des images PET : estimation précise de la concentration de 18 F-FDG dans les structures d intd intérêt

7 Problématique Phénomènes nes affectant les valeurs de SUV (Standardized Uptake value) SUV = Concentration du radiotraceur dans la tumeur Activité injectée / Poids du patient Phénomènes nes physiologiques taux de glucose sanguin durée e séparant s l administration l du FDG du début d de l acquisition Phénomènes nes physiques atténuation des photons g émis en coïncidence diffusion des photons g émis en coïncidence détection de coïncidences fortuites effet de volume partiel (EVP) SUV : index pertinent sur des images corrigées de ces phénomènes

8 Objectifs?? SUV = X +/-???? Détermination de l impact l respectif des différents phénomènes nes affectant les valeurs de SUV Développement de protocoles de traitement du signal PET minimisant les biais de quantification bénin? malin? Évaluation de l intérêt t de ces protocoles pour une meilleure caractérisation risation des anomalies

9 Méthodes : étude bibliographique > Caractérisation des biais affectant les valeurs de SUV Paramètres d acquisition : - Influence de la présence d activité hors du champ de vue - Influence de la durée de l acquisition en émission * Paramètres de traitement : - Impact de la méthode de reconstruction tomographique - Impact de la carte des coefficients d atténuation utilisée pour la correction d atténuation * - Impact de la correction de l EVP - Impact de la correction de diffusion - Influence du calcul de l index : SUVmoy ou SUVmax * > Détermination de l importance relative de ces biais * études en termes de SUV

10 Méthodes : acquisitions sur fantôme > Acquisitions en mode 3D avec la caméra CPET (Philips). Fantôme thoracique Data Spectrum incluant des sphères dans les poumons et dans le médiastin m pour simuler des tumeurs (diamètres de 10,5, 16, 22 et 33 mm) Champ de vue Fantôme thoracique SUV théoriques > Paramètres étudiés à partir de ces acquisitions : carte Cs Deux durées d acquisition d en émission : 6 et 18 min. Présence de sources extérieures au champ de vue. Impact de la carte utilisée e pour la correction d attd atténuation acquisition en transmission du CPET (carte Cs). acquisition scanner X (carte CT). Comparaison de 2 index : SUVmoy et SUVmax. carte CT Valeur moyenne ou max dans ROI anatomique

11 Méthodes : mise en œuvre de correction de l EVP > Effet de volume partiel (EVP) - résolution spatiale (RS) limitée du détecteur - échantillonnage de l image A 0 : activité réelle A M : activité mesurée EVP fi A M < A 0 > Correction de l EVP Utilisation des coefficients de recouvrement (RC) Simulations numériques avec modélisation de la réponse du détecteur par un filtre Gaussien (FWHM ~ RS) Calcul de coefficients de recouvrement (RC) pour chaque taille de sphère considérée Inversion d une matrice de contamination croidée (CC) Matrice de contamination croisée décrivant les interactions entre compartiments Modélisation des effets de l atténuation et de la correction d atténuation

12 Méthodes : étude et validation de simulateurs PET au FDG > Simulations Monte Carlo d acquisitions PET au FDG - Modélisation des phénomènes physiques intervenant dans ces acquisitions (atténuation et diffusion des photons émis en coïncidence, coïncidences aléatoires, temps mort, ) fi Études de méthodes de correction de ces phénomènes et de méthodes de reconstruction tomographique - Simulation d un grand nombre d «examens PET» réalistes fi Étude de la variabilité des SUV estimées à partir de ces données > SimSET vs. PET-EGS (en collaboration avec l Hôpital San Raffaele de Milan) - Validation du code SimSET pour les acquisitions PET sur le CPET, en termes de : résolution spatiale fraction de diffusé taux de comptage sensibilité propriétés statistiques profile transaxial d activité (cylindre homogène) distribution d activité hétérogène et voxellisée (Zubal)

13 Résultats : validation d un simulateur d acquisitions PET au FDG > Validation de SimSET Mesures SimSET PET-EGS Résolution spatiale au centre (FWHM) 4,8 mm 5,8 mm 4,3 mm Fraction de diffusé 35 % 36 % 32 % Sensibilité (Kcps/Bq/mL) 12,7 15,4 12,1 Unified description and validation of Monte Carlo simulators in PET. I Buvat, I Castiglioni, J Feuardent, MC Gilardi. Conf. Rec. IEEE Nuclear Science Symp. and Medical Imaging Conf > GATE (en collaboration avec l Université de Lausanne) Validation de GATE pour les acquisitions PET sur le CPET: en cours.

14 Résultats : impact respectif des phénomènes affectant les SUV Base = absence de source extérieure au champ de vue, acquisition de 6 min, carte Cs, sans correction EVP. Sphères de 22 mm de diamètre. Acquisitions réalisées avec le CPET. Sources extérieures au champ de vue fi variation des SUV 11%. Durée d acquisition en émission Ï fi variation des SUV 5 %. Carte d atténuation : dans les poumons, biais + faibles avec la carte CT qu avec la carte Cs (impact de la carte utilisé Ï quand diamètre Ó, = 22 mm : -14 %). Pas d impact pour les sphères du médiastin. Correction de l effet de volume partiel (EVP) fi réduction significative des biais ( = 22 mm : - 41% dans les poumons, - 33% dans le médiastin).

15 Résultats : protocole de quantification préconisé et biais résultants > Protocole de traitement minimisant les biais : acquisition de 6 min sans activité extérieure au champ de vue correction d atténuation avec une carte issue d une acquisition CT correction des coïncidences diffusées et fortuites correction de l effet de volume partiel (méthode CC) calcul des SUV à partir de la valeur moyenne dans la ROI > Biais observés : en terme de sous-estimation / valeur théorique : = 10,5 mm 79% 40% Conditions = 16 mm 63% proches des 26% = 22 mm 39% protocoles 8% = 33 mm 19% cliniques actuels -13% biais > 15% pour les lésions de diamètre < 2 cm Protocole préconisé Reliability of SUV estimates in FDG PET as a function of the acquisition and processing protocols. J Feuardent, M Soret, O De Dreuille, H Foehrenbach, I Buvat. Conf. Rec. IEEE Nuclear Science Symp. and Medical Imaging Conf

16 Conclusion et perspectives Conclusion : mise en évidence de l influence relative de différents phénomènes affectant les SUV. Suivant le protocole d acquisition et de traitement des images PET, les SUV peuvent varier d un facteur 2 : comparaison impossible d un centre à l autre en l absence de protocole standardisé. Même avec le protocole minimisant les biais que nous avons identifié, les erreurs d estimation des SUV sont 15 % pour les lésions de diamètre inférieur à 2 cm. Perspectives : Amélioration des protocoles en identifiant les méthodes et paramètres conduisant aux résultats les moins biaisés. Étude de l apport d une quantification moins biaisée pour la caractérisation des tumeurs et le suivi thérapeutique.