Méthodes de génération et de validation de champs de déformation pour la recombinaison de distribution de dose à l’aide d’images 4DCT dans le cadre d’une planification de traitement de cancers pulmonaires

Des efforts de recherche considérables ont été déployés afin d'améliorer les résultats de traitement de cancers pulmonaires. L'étude de la déformation de l'anatomie du patient causée par la ventilation pulmonaire est au coeur du processus de planification de traitement radio-oncologique. À l'aide d'images de tomodensitométrie quadridimensionnelles (4DCT), une simulation dosimétrique peut être calculée sur les 10 ensembles d'images du 4DCT. Une méthode doit être employée afin de recombiner la dose de radiation calculée sur les 10 anatomies représentant une phase du cycle respiratoire. L'utilisation de recalage déformable d'images (DIR), une méthode de traitement d'images numériques, génère neuf champs vectoriels de déformation permettant de rapporter neuf ensembles d'images sur un ensemble de référence correspondant habituellement à la phase d'expiration profonde du cycle respiratoire. L'objectif de ce projet est d'établir une méthode de génération de champs de déformation à l'aide de la DIR conjointement à une méthode de validation de leur précision. Pour y parvenir, une méthode de segmentation automatique basée sur la déformation surfacique de surface à été créée. Cet algorithme permet d'obtenir un champ de déformation surfacique qui décrit le mouvement de l'enveloppe pulmonaire. Une interpolation volumétrique est ensuite appliquée dans le volume pulmonaire afin d'approximer la déformation interne des poumons. Finalement, une représentation en graphe de la vascularisation interne du poumon a été développée afin de permettre la validation du champ de déformation. Chez 15 patients, une erreur de recouvrement volumique de 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] et une différence relative des volumes de 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] ont été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Une distance symétrique moyenne 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], une distance symétrique moyenne quadratique de 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] et une distance symétrique maximale 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] ont aussi été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Finalement, 320 ± 51 bifurcations ont été détectées dans le poumons droit d'un patient, soit 92 ± 10 et 228 ± 45 bifurcations dans la portion supérieure et inférieure respectivement. Nous avons été en mesure d'obtenir des champs de déformation nécessaires pour la recombinaison de dose lors de la planification de traitement radio-oncologique à l'aide de la méthode de déformation hiérarchique des surfaces. Nous avons été en mesure de détecter les bifurcations de la vascularisation pour la validation de ces champs de déformation.Purpose: To allow a reliable deformable image registration (DIR) method for dose calculation in radiation therapy and to investigate an automatic vessel bifurcations detection algorithm for DIR assessment to improve lung cancer radiation treatment. Methods: 15 4DCT datasets are acquired and deep exhale respiratory phases are exported to Varian treatment planning system (TPS) Eclipse^{\text{TM}} for contouring. Voxelized contours are smoothed by a Gaussian filter and then transformed into a surface mesh representation. Such mesh is adapted by rigid and elastic deformations based on hierarchical surface deformation to match each subsequent lung volumes. The segmentation efficiency is assessed by comparing the segmented lung contour and the TPS contour considering two volume metrics, defined as Volumetric Overlap Error (VOE) [%] and Relative Volume Difference (RVD) [%] and three surface metrics, defined as Average Symmetric Surface Distance (ASSD) [mm], Root Mean Square Symmetric Surface Distance (RMSSD) [mm] and Maximum Symmetric Surface Distance (MSSD) [mm]. Vesselness filter was applied within the segmented lung volumes to identify blood vessels and airways. Segmented blood vessels and airways were skeletonised using a hierarchical curve-skeleton algorithm based on a generalized potential field approach. A graph representation of the computed skeleton was generated to assign one of three labels to each node: the termination node, the continuation node or the branching node. Results: The volume metrics obtained are a VOE of 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] and a RVD of 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] respectively for left and right lung. The surface metrics computed are an ASSD of 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], a RMSSD of 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] and a MSSD of 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] respectively for left and right lung. 320 ± 51 bifurcations were detected in the right lung of a patient for the 10 breathing phases. 92 ± 10 bifurcations were found in the upper half of the lung and 228 ± 45 bifurcations were found in the lower half of the lung. Discrepancies between ten vessel trees were mainly ascribed to the segmentation methode. Conclusions: This study shows that the morphological segmentation algorithm can provide an automatic method to capture an organ motion from 4DCT scans and translate it into a volume deformation grid needed by DIR method for dose distribution combination. We also established an automatic method for DIR assessment using the morphological information of the patient anatomy. This approach allows a description of the lung’s internal structure movement, which is needed to validate the DIR deformation fields

Traitement du cancer pulmonaire non à petites cellules par radiothérapie stéréotaxique d’ablation

Les néoplasies pulmonaires demeurent la première cause de décès par cancer au Québec représentant près de 6000 décès par année. Au cours des dernières années, la radiothérapie stéréotaxique d’ablation (SABR) s’est imposée comme un traitement alternatif à la résection anatomique pour les patients inopérables atteints d’un cancer pulmonaire non à petites cellules de stade précoce. Il s’agit d’une modalité de traitement qui permet d’administrer des doses élevées, typiquement 30-60 Gy en 1-8 fractions, dans le but de cibler précisément le volume de traitement tout en épargnant les tissus sains. Le Centre Hospitalier de l’Université de Montréal s’est muni en 2009 d’un appareil de SABR de fine pointe, le CyberKnife™ (CK), un accélérateur linéaire produisant un faisceau de photons de 6 MV dirigé par un bras robotisé, permettant d’administrer des traitements non-coplanaires avec une précision infra-millimétrique. Ce mémoire est dédié à la caractérisation de certains enjeux cliniques et physiques associés au traitement par CK. Il s’articule autour de deux articles scientifiques revus par les pairs. D’une part, une étude prospective clinique présentant les avantages de la SABR pulmonaire, une technique qui offre un excellent contrôle tumoral à long terme et aide au maintien de la qualité de vie et de la fonction pulmonaire. D’autre part, une étude de physique médicale illustrant les limites de l’acquisition d’images tomodensitométriques en auto-rétention respiratoire lors de la planification de traitement par CK.Lung neoplasia remains the leading cause of cancer death accounting for nearly 6,000 deaths per year in Quebec. In recent years, stereotactic ablative radiotherapy (SABR) has emerged as an alternative treatment to anatomical resection for inoperable patients suffering from early stage non-small cell lung cancer. This technique can deliver highly focused doses such as 30-60 Gy in 1-8 fractions in order to target precisely the treatment volume while sparing healthy tissue. In 2009, the Centre Hospitalier de l’Université de Montréal acquired a robotic SABR apparatus, the CyberKnife™ (CK), a linear accelerator mounted on a moving arm producing non-coplanar photon beams of 6 MV with millimetric precision. This thesis presents two scientific peer reviewed articles adressing some clinical and physical challenges with CK. On one hand, a clinical prospective study reporting the advantages of lung SABR, a technic that offers excellent long-term tumor control and helps maintain the quality of life and lung function. On the other hand, a medical physics study exposing the limits of computed tomography scan acquisition in breath-holding for CK treatment planning

Simulation du Mouvement Pulmonaire pour un Traitement Oncologique - Application à la Radiothérapie et à l'Hadronthérapie

ISBN-13: 978-613-1-56604-2 ISBN-10:6131566046L'objectif de ces travaux est d'améliorer le traitement curatif du cancer du poumon par radiothérapie conformationnelle et hadronthérapie. Il s'agit de simuler, dans un cas concret, le mouvement et les déformations des poumons d'un patient. Grâce à plusieurs collaborations médicales, nous avons défini des conditions initiales et des conditions limites pour obtenir un modèle biomécanique suivant les lois de la mécanique des milieux continus et personnalisé à un patient. Le calcul mécanique est réalisé sur un poumon fixé au niveau du médiastin et soumis à une dépression homogène tout autour avec prise en compte des grandes déformations. Une contrainte supplémentaire de gestion du contact de la surface du poumon autorisant le glissement est ajoutée pour reproduire le comportement réel des organes et plus spécialement celui de l'enveloppe des poumons : la plèvre. Une étude a par ailleurs été menée sur la conversion des données prédites du modèle en scanner 4D afin de préparer la dosimétrie

Quelle est l'activité du TRM en protonthérapie ?: observation et analyse de la pratique au Centre de Proton Thérapie de l'Institut Paul Scherrer à Villigen : travail de Bachelor

BUT : La présente étude cherche à connaître l’activité des techniciens en radiologie médicale en protonthérapie et à mettre en lumière ses différences par rapport à la radiothérapie conventionnelle. La radiothérapie représente un domaine d’activité important pour le TRM. Son rôle et ses responsabilités ont considérablement évolué au cours de ces dix dernières années. Exerçant un métier en constante mutation, le technicien devra, à l’avenir, s’adapter continuellement à la course aux radiothérapies innovantes, galvanisées par une croissance effrénée des avancées technologiques. La protonthérapie est la forme la plus sophistiquée de la radiothérapie. A ce titre, elle constitue une arme aboutie et précise pour traiter certains cancers. Cette technique de pointe demeure néanmoins peu répandue puisque, en Suisse, seul un centre en est équipé, à savoir Le Centre de Proton Thérapie de l’Institut Paul Scherrer. METHODOLOGIE : Pour décrire l’activité du TRM en protonthérapie et dresser un portrait comparatif par rapport à la radiothérapie photonique, plusieurs méthodes qualitatives de recueil de données ont été retenues. L’observation directe et les entretiens semi-directifs ont été jugés probants. Les entretiens, en particulier, permettent, par l’interrogation du sujet, de se centrer sur son discours. L’observation directe, elle, en plus d’être conduite sur le terrain où se déroulent les activités étudiées, autorise un accès instantané aux actions telles qu’effectivement réalisées ainsi qu’aux gestes professionnels tels que concrètement effectués. RESULTATS : Au vu des éléments recueillis et analysés, l’activité du TRM en protonthérapie semble être relativement identique à celle pratiquée en radiothérapie traditionnelle. Ceci dit, par l’intermédiaire de nos questionnements, de nos entretiens et de nos observations, il a tout de même été possible d’établir un inventaire composé d’une multitude de détails et de nuances rendant compte des spécificités et des particularités de cette activité. CONCLUSION : Actuellement, les thérapies modernes traitant le cancer englobent plusieurs méthodes de traitement, dont la plus répandue est la chirurgie suivie de l’irradiation. Fors l’aspect purement physique, il s’est révélé particulièrement instructif et opportun de documenter ce domaine ultraspécialisé de l’irradiation des tumeurs, dans la mesure où aucune étude n’avait, jusqu’à ce jour, étudié la place centrale occupée par le TRM au sein de ce processus thérapeutique

Mise en cohérence spatiale et temporelle de données TEP-TDM acquises en respiration libre pour l'évaluation du cancer pulmonaire

Les mouvements respiratoires associés à une durée d'acquisition longue entraînent un flou des images TEP/TDM, altérant l'interprétation du médecin, l'évaluation de la réponse thérapeutique et la mise en place de traitements de radiothérapie avancés. L'objectif de la recherche est une revue et une optimisation des techniques permettant la limitation du mouvement respiratoire et la détection de la trajectoire des tumeurs pulmonaires sur les images TEP/TDM. Dans un premier temps, le dispositif de référence permettant la synchronisation de l'examen TEP/TDM à la respiration a été caractérisé. Plusieurs méthodes de tri rétrospectif des données TEP/TDM à partir de ce dispositif, permettant l'amélioration de la quantification des images et une réduction de moitié de la durée d'acquisition, sont présentées et évaluées sur des données cliniques. Un nouveau dispositif de synchronisation respiratoire spirométrique, créé au sein d'un consortium, a également été caractérisé à partir d'expériences sur fantôme respiratoire pour permettre une synchronisation temps réel performante des images TEP/TDM. Ce dispositif est dorénavant en phase d'étude clinique de phase I. Une synthèse finale résume les principaux travaux réalisés montrant l'optimisation de la synchronisation respiratoire en TEP/TDM. Les intérêts de l'examen TEP/TDM synchronisé à la respiration sont discutés en fonction de ses indications pour la prise en charge des patients atteints de cancer pulmonaire. Quelques perspectives sont également proposées dans l'objectif d'améliorer la quantification des tumeurs en TEP/TDM.The respiratory movements associated with a long acquisition duration cause blurred images PET/CT, leading to misinterpretation of physician, inaccurate assessment of therapeutic response or radiation therapy. The objective of the research is a review and an optimization of techniques limiting the impact of respiratory motion and detecting the trajectory of lung tumors on PET/CT images (4D PET/CT). First, the gold standard respiratory gating device for 4D PET/CT was characterized. Several PET/CT retrospective binning methods to improve the image quantification and halving the acquisition duration are presented and evaluated on clinical data. A new spirometric gating device, created by a consortium, was also characterized from experiments on respiratory phantom to allow real-time synchronization of PET/CT images. This system is now under Phase I clinical trial. A conclusion summarizes the main results showing the optimization of respiratory gating in PET/CT. The interests of the 4D PET/CT examination are discussed according to the indications for the treatment of patients with lung cancer. Some prospects are also proposed with the aim to improve the quantification of tumors in PET/CT

Analyse et optimisation des performances de la technique VMAT pour son utilisation en radiothérapie

La technique de radiothérapie VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy), diffusée en 2009, combine les avantages des techniques d'arc thérapie dynamique aux avantages des techniques de radiothérapie conformationnelle avec modulation d'intensité (RCMI) par faisceaux stationnaires. L'objectif de la thèse est de rendre optimales les conditions de mise en œuvre du VMAT autour d'un accélérateur linéaire d'électrons Synergy/Elekta afin de sécuriser la technique et de pouvoir bénéficier de l'apport clinique potentiellement attendu. Sur la base d'une analyse de l'influence des différents paramètres de la chaîne de traitement, nous proposons des éléments d'optimisation du traitement à la fois sur la planification dosimétrique et sur le contrôle de son exécution sur la machine. Nous montrons que si la qualité de l'optimisation de la technique dépend des caractéristiques intrinsèques de l'accélérateur, elle est également fortement influencée par le paramétrage du système de planification des traitements (TPS). Nous mettons en évidence des différences comparées des collimateurs Beam Modulateur (largeur de lames de 4 mm) et MLCi2 (largeur de lames de 10 mm) tant sur le plan de la distribution de dose obtenue que sur l'efficience. Nous montrons que, si pour deux principaux TPS commercialisés (Pinnacle/Philips et Monaco/Elekta) les distributions de dose aux volumes cibles sont peu modifiées, les différences de méthodes implémentées influencent la distribution de dose aux tissus sains. Nous proposons des programmes de contrôles de qualité au niveau de l'accélérateur, des plans dosimétriques de traitement et de l'exécution des traitements. Afin de garantir un niveau de confiance élevé sur la dose délivrée, nous proposons une méthode d'évaluation de la fluence délivrée en cours de traitement basée sur l'analyse des paramètres machines. Nous établissons que le processus de traitement VMAT optimisé fournit des performances de qualité supérieure que les techniques de RCMI par faisceaux stationnaires pour quatre localisations tumorales majeures étudiées.VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) technique has been introduced in 2009, it combines advantage of arctherapy techniques with advantage of IMRT (Intensity Modulated Radio Therapy) techniques delivered with stationary beams. The purpose of the thesis is to optimise implementation conditions of VMAT for a Synergy/Elekta linear accelerator in order to secure the technique and to be able to benefit from potentially expected clinical improvement. From analysis of influence of various work flow parameters, we propose treatment optimisation factors both on dosimetric planning and on delivering control on the accelerator. We show that if optimisation quality depends on intrinsic accelerator characteristics, it also depends very much on configuration of treatment planning system (TPS). We highlight compared differences between Beam Modulateur (leaf width of 4 mm) and MLCi2 (leaf width of 10 mm) on dose distribution and on efficiency. We show that if differences of dose distributions are small for two major TPS (Pinnacle/Philips and Monao/Elekta), the differences of implemented methods affect dose distribution of healthy tissues. We suggest quality control set for accelerators, for treatment plans and for treatment delivery. In order to provide a high safety level on delivered dose, we suggest an evaluation method of the real fluence provided during treatment delivery by analysing accelerator parameters. We establish that optimised process of VMAT treatment provides better performance than RCMI techniques delivered with stationary beams for the four major cancer cases that has been studied.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Analyse de l'implémentation d'un service d'impression 3D médicale

Projet dirigé présenté à la Faculté de médecine en vue de l'obtention du grade de Maîtrise en génie biomédicalLe génie biomédical du CHU Ste-Justine utilise l’impression 3D pour économiser pour des composants simples d’appareils biomédicaux. En 2017, un stage avait pour but d’explorer les applications cliniques. L’utilisation d’intérêt ciblée est la planification chirurgicale. Ce rapport présente un aperçu des technologies d’impression 3D, un aperçu des implications de ces technologies, une revue de littérature et un portrait de l’impression 3D médicale dans quelques centres hospitaliers par un balisage. Le déploiement d’un service d’impression 3D soulève plusieurs enjeux légaux, réglementaires et organisationnels. Ceux-ci ont été identifiés et analysés. De plus, ce rapport présente un plan d’affaires préliminaire avec des recommandations pour la mise en place d’un service au court-, moyen- et long-terme.The biomedical engineering department at the CHU Sainte-Justine currently uses 3D printing in order to save on simple parts for biomedical devices by creating in-house alternatives. During the summer of 2017, an intern had the mandate to explore the potential clinical applications of 3D printing at CHU Sainte-Justine. The primary use targeted was surgical planning. This report presents an overview of existing 3D printing technologies, a glimpse of the implications of 3D printing technologies, literary review and a portrait of medical 3D printing in a few hospitals around the world. The implementation of a 3D printing service raises legal, regulatory and organisational concerns. These have been identified and analysed. A preliminary business plan with recommendations for the establishment of a service divided in short, mid and long term

Compensation du mouvement respiratoire dans les images TEP/TDM thoraciques

Cette thèse traite du mouvement respiratoire dans l'imagerie TEP/TDM. L'imagerie TEP est une modalité à exposition longue très influencée par les mouvements involontaires du patient. Ces mouvements produisent des artéfacts dont les conséquences sont sérieuses pour le diagnostic car les tumeurs paraissent plus larges et moins actives. Cette thèse contribue à la résolution de ce problème. En plus de proposer l'architecture d'un système d'acquisition TEP/TDM synchronisée à la respiration, on y développe trois méthodes de traitement de signal et d'images qui peuvent être appliquées pour résoudre différents sous-problèmes: Une méthode originale de segmentation et caractérisation du signal respiratoire pour découvrir les patterns respiratoires "normaux" du patient, une méthode de reconstruction TDM-4D qui permet d'obtenir des images anatomiques du corps à chaque niveau respiratoire désiré et un algorithme itératif amélioré pour reconstruire des images TEP-4D compensées en mouvement respiratoire. Toutes ces méthodes et algorithmes ont été validés et testés sur des données simulées, des données de fantômes, et des données réelles de patients. ABSTRACT : This thesis deals with respiratory motion in PET/CT images. It is well known that PET is a modality that requires a long exposure time. During this time, patients moves and breath. These motions produce undesirable artefacts that alter seriously the images and their precision. This has important consequences when diagnosing thoracic, and particularly pulmonary, cancer. Tumours appear larger than they really are and their activity is weaker. This thesis proposes to contribute to solving these problems.We propose the architecture of an integrated PET/CT acquisition system synchronized to respiration. We also develop signal and image processing methods that can be applied to eliminating respiratory artefacts in CT and PET images. The thesis brings three main contributions : An original respiratory signal segmentation and characterization to detect "normal" respiratory patterns, a 4D-CT reconstruction method that creates 3D images of the whole body for any respiratory level and an enhanced iterative algorithm for reconstructing 4D-PET images without respiratory artefacts. The developed methods have validated and tested on simulated, phantom and real patients' data

Optimisation de l'effet radiobiologique d'un traitement de radiothérapie interne vectorisée des tumeurs neuroendocrines

Les médicaments radiopharmaceutiques ciblant les récepteurs peptidiques tels que les analogues de la somatostatine ont un réel potentiel et un fort intérêt pour à la fois le diagnostic et le traitement des tumeurs neuroendocrines (TNE) non-opérables, par radiothérapie interne vectorisée (RIV). La toxicité des traitements par radiopeptides analogues de la somatostatine limite leur développement clinique. Le développement de nouveaux peptides ciblant d'autres types de récepteurs tels que le ceux de la cholécystokinine (CCK) est une solution dont l'intérêt a été montré par les travaux de notre équipe, basés sur un analogue CCK novateur. Ce travail en trois volets décrit dans un premier temps le radiomarquage de l'analogue CCK, par des radionucléides émetteurs β- tels que l'yttrium 90 et le lutétium 177 adaptés à la thérapie, en plus de l'indium 111 pour le diagnostic, les capacités de complexation et la stabilité de ce nouvel analogue peptidique CCK. Une étude in vivo préliminaire sur modèle murin a permis d'étudier la faisabilité d'un traitement de RIV. Une troisième étude a été réalisée in vitro sur deux lignées cellulaires tumorales par le traitement à l'aide d'une molécule antitumorale caractérisée dans notre équipe, à travers la réexpression d'une voie de signalisation cellulaire. Ce travail a permis de montrer l'intérêt potentiel de l'utilisation des analogues CCK en RIV en association thérapeutique pour la prise en charge de certaines TNE.Radiopharmaceuticals targeting peptide receptors such as somatostatin analogues have a real potential and a strong interest in both diagnosis and treatment of non-operable neuroendocrine tumors (NET) in peptide receptor radionuclide therapy (PRRT). The toxicity of somatostatin radiopeptide analogs treatments limits their clinical development. The development of new peptides targeting other receptors such as cholecystokinin (CCK) receptors is a new solution, based on an innovative CCK analog that has been developed and studied in our team. This three-part study first describes the radiolabeling of the CCK analogue by β- emitting radionuclides adapted to therapy such as yttrium 90 and lutetium 177, in addition indium 111 for diagnosis, the complexation and stability capacities of this novel peptide analogue CCK. In a preliminary in vivo study on a murine model we experiment the feasibility of a treatment of RIV. A third study was carried out in vitro on two tumor cell lines by treatment with an antitumor molecule characterized in our team, through the reexpression of a cell signaling pathway. This work allowed us to show the potential interest of using this original CCK analog in RIV with therapeutic association for the control of NET cancer