Patient-Derived Tumour Growth Modelling from Multi-Parametric Analysis of Combined Dynamic PET/MR Data

Gliomas are the most common primary brain tumours and are associated with poor prognosis. Among them, diffuse gliomas – which include their most aggressive form glioblastoma (GBM) – are known to be highly infiltrative. The diagnosis and follow-up of gliomas rely on positron emission tomography (PET) and magnetic resonance imaging (MRI). However, these imaging techniques do not currently allow to assess the whole extent of such infiltrative tumours nor to anticipate their preferred invasion patterns, leading to sub-optimal treatment planning. Mathematical tumour growth modelling has been proposed to address this problem. Reaction-diffusion tumour growth models, which are probably the most commonly used for diffuse gliomas growth modelling, propose to capture the proliferation and migration of glioma cells by means of a partial differential equation. Although the potential of such models has been shown in many works for patient follow-up and therapy planning, only few limited clinical applications have seemed to emerge from these works. This thesis aims at revisiting reaction-diffusion tumour growth models using state-of-the-art medical imaging and data processing technologies, with the objective of integrating multi-parametric PET/MRI data to further personalise the model. Brain tissue segmentation on MR images is first addressed with the aim of defining a patient-specific domain to solve the model. A previously proposed method to derive a tumour cell diffusion tensor from the water diffusion tensor assessed by diffusion-tensor imaging (DTI) is then implemented to guide the anisotropic migration of tumour cells along white matter tracts. The use of dynamic [S-methyl-11C]methionine ([11C]MET) PET is also investigated to derive patient-specific proliferation potential maps for the model. These investigations lead to the development of a microscopic compartmental model for amino acid PET tracer transport in gliomas. Based on the compartmental model results, a novel methodology is proposed to extract parametric maps from dynamic [11C]MET PET data using principal component analysis (PCA). The problem of estimating the initial conditions of the model from MR images is then addressed by means of a translational MRI/histology study in a case of non-operated GBM. Numerical solving strategies based on the widely used finite difference and finite element methods are finally implemented and compared. All these developments are embedded within a common framework allowing to study glioma growth in silico and providing a solid basis for further research in this field. However, commonly accepted hypothesis relating the outlines of abnormalities visible on MRI to tumour cell density iso-contours have been invalidated by the translational study carried out, leaving opened the questions of the initialisation and the validation of the model. Furthermore, the analysis of the temporal evolution of real multi-treated glioma patients demonstrates the limitations of the formulated model. These latter statements highlight current obstacles to the clinical application of reaction-diffusion tumour growth models and pave the way to further improvements.Les gliomes sont les tumeurs cérébrales primitives les plus communes et sont associés à un mauvais pronostic. Parmi ces derniers, les gliomes diffus – qui incluent la forme la plus agressive, le glioblastome (GBM) – sont connus pour être hautement infiltrants. Le diagnostic et le suivi des gliomes s'appuient sur la tomographie par émission de positons (TEP) ainsi que l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Cependant, ces techniques d'imagerie ne permettent actuellement pas d'évaluer l'étendue totale de tumeurs aussi infiltrantes ni d'anticiper leurs schémas d'invasion préférentiels, conduisant à une planification sous-optimale du traitement. La modélisation mathématique de la croissance tumorale a été proposée pour répondre à ce problème. Les modèles de croissance tumorale de type réaction-diffusion, qui sont probablement les plus communément utilisés pour la modélisation de la croissance des gliomes diffus, proposent de capturer la prolifération et la migration des cellules tumorales au moyen d'une équation aux dérivées partielles. Bien que le potentiel de tels modèles ait été démontré dans de nombreux travaux pour le suivi des patients et la planification de thérapies, seules quelques applications cliniques restreintes semblent avoir émergé de ces derniers. Ce travail de thèse a pour but de revisiter les modèles de croissance tumorale de type réaction-diffusion en utilisant des technologies de pointe en imagerie médicale et traitement de données, avec pour objectif d'y intégrer des données TEP/IRM multi-paramétriques pour personnaliser davantage le modèle. Le problème de la segmentation des tissus cérébraux dans les images IRM est d'abord adressé, avec pour but de définir un domaine propre au patient pour la résolution du modèle. Une méthode proposée précédemment permettant de dériver un tenseur de diffusion tumoral à partir du tenseur de diffusion de l'eau évalué par imagerie DTI a ensuite été implémentée afin de guider la migration anisotrope des cellules tumorales le long des fibres de matière blanche. L'utilisation de l'imagerie TEP dynamique à la [S-méthyl-11C]méthionine ([11C]MET) est également investiguée pour la génération de cartes de potentiel prolifératif propre au patient afin de nourrir le modèle. Ces investigations ont mené au développement d'un modèle compartimental pour le transport des traceurs TEP dérivés des acides aminés dans les gliomes. Sur base des résultats du modèle compartimental, une nouvelle méthodologie est proposée utilisant l'analyse en composantes principales pour extraire des cartes paramétriques à partir de données TEP dynamiques à la [11C]MET. Le problème de l'estimation des conditions initiales du modèle à partir d'images IRM est ensuite adressé par le biais d'une étude translationelle combinant IRM et histologie menée sur un cas de GBM non-opéré. Différentes stratégies de résolution numérique basées sur les méthodes des différences et éléments finis sont finalement implémentées et comparées. Tous ces développements sont embarqués dans un framework commun permettant d'étudier in silico la croissance des gliomes et fournissant une base solide pour de futures recherches dans le domaine. Cependant, certaines hypothèses communément admises reliant les délimitations des anormalités visibles en IRM à des iso-contours de densité de cellules tumorales ont été invalidée par l'étude translationelle menée, laissant ouverte les questions de l'initialisation et de la validation du modèle. Par ailleurs, l'analyse de l'évolution temporelle de cas réels de gliomes multi-traités démontre les limitations du modèle. Ces dernières affirmations mettent en évidence les obstacles actuels à l'application clinique de tels modèles et ouvrent la voie à de nouvelles possibilités d'amélioration.Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologieinfo:eu-repo/semantics/nonPublishe

Initial Condition Assessment for Reaction-Diffusion Glioma Growth Models: A Translational MRI-Histology (In)Validation Study

Reaction-diffusion models have been proposed for decades to capture the growth of gliomas. Nevertheless, these models require an initial condition: the tumor cell density distribution over the whole brain at diagnosis time. Several works have proposed to relate this distribution to abnormalities visible on magnetic resonance imaging (MRI). In this work, we verify these hypotheses by stereotactic histological analysis of a non-operated brain with glioblastoma using a 3D-printed slicer. Cell density maps are computed from histological slides using a deep learning approach. The density maps are then registered to a postmortem MR image and related to an MR-derived geodesic distance map to the tumor core. The relation between the edema outlines visible on T2-FLAIR MRI and the distance to the core is also investigated. Our results suggest that (i) the previously proposed exponential decrease of the tumor cell density with the distance to the core is reasonable but (ii) the edema outlines would not correspond to a cell density iso-contour and (iii) the suggested tumor cell density at these outlines is likely overestimated. These findings highlight the limitations of conventional MRI to derive glioma cell density maps and the need for other initialization methods for reaction-diffusion models to be used in clinical practice

Théorie des avatars : à la recherche de Winston Smith (Paul Heintz à la FRAC Lorraine)

Compte rendu de l'exposition liée au projet plurimédiatique 'Character' de Paul Heintz, présentée au FRAC Lorraine de septembre 2021 à février 2022

Inspirations littéraires de l'exposition

Depuis une vingtaine d’années, les interactions entre le monde littéraire et celui de l’exposition et des musées ont connu un essor considérable, sous différentes formes. Outre les nombreuses expositions consacrées à la littérature – écrivain·e·s, œuvres, thématiques –, qui contribuent à sa patrimonialisation et qui sont probablement les plus nombreuses, d’autres types d’expositions mobilisent une matière littéraire pour se constituer, en déclinant des scénographies d’œuvres ou d’installations qui, en tant qu’ensembles d’objets signifiants, actualisent et prolongent un ou plusieurs textes littéraires. Cette mobilisation de modèles littéraires dans l’exposition se situe à la croisée de domaines dont les systèmes de valeurs, les traditions et les modes de fonctionnement ne se recoupent pas nécessairement. Leurs interactions et les productions qu’elles proposent soulèvent par conséquent nombre d’interrogations : Quelles sont les motivations de ces recours à la littérature ? Quelles en sont les formes privilégiées (focalisation sur un écrivain, sur une œuvre particulière ?) ? Comment la littérature peut-elle alimenter le geste curatorial ? Dans quelle mesure de telles entreprises ne relèvent-elles pas d’une forme d’instrumentalisation de la littérature (par la mise en avant d’un grand nom, par exemple) ? Comment la dimension littéraire s’y trouve-t-elle non seulement redéployée, mais aussi justifiée ? Dans quelle mesure assiste-t-on (ou non) à des formes de littérarisation de l’exposition ? Dans quels types de programmation de telles expositions prennent-elles place ? Quelle en est la réception ? Et, plus largement, quelle est la place de la littérature, de nos jours, dans le monde des musées et centres d’art ? C’est à ces questions que se consacre ce dossier de la revue Captures

Bibliographie des RIMELL — Expositions de la littérature et du livre

Le domaine des études littéraires a connu ces vingt dernières années une évidente extension de ses objets d’investigation. Dans ce contexte, l’étude de l’exposition de la littérature, dans son acception la plus large, constitue indéniablement un champ de recherche en gestation. Celui-ci a été marqué en 2014 par la création du site www.litteraturesmodesdemploi.org, pionnier en matière d’exposition de la littérature. Cette création a été suivie, en 2016, par celle des RIMELL, réseau de Recherches internationales sur la muséographie et l’exposition de la littérature et du livre qui s’est donné pour mission de fédérer les recherches sur ces questions. Dans le but de dresser un état des lieux de la recherche, les RIMELL ont pris l’initiative de constituer une bibliographie. Mise à la disposition des chercheurs·euses et du public, elle se déclinera bientôt sous la forme d’une bibliographie critique présentant brièvement chacune des publications recensées dans cette bibliographie

Inspirations littéraires de l’exposition. D’une matrice curatoriale contemporaine : Présentation du dossier

Nombreuses ces dernières années sont les expositions qui assignent à la littérature une fonction d’objet, de matrice ou de modèle — de façon plus ou moins revendiquée — dans le cadre de propositions curatoriales issues du monde de l’art contemporain. Elles s’inscrivent en réalité dans un essor de plus grande ampleur des expositions touchant à la littérature, une tendance que ce dossier entend explorer.In recent years, many exhibitions have assigned literature the function of object, matrix or model — in a more or less assertive way — within the framework of curatorial proposals from the contemporary art world. They are in fact part of a larger boom in exhibitions dealing with literature, a trend that this dossier intends to explore

Une exposition sous influences. Amberes au M HKA d’Anvers, d’après le roman éponyme de Roberto Bolaño

Construire une exposition d’art contemporain à partir d’un roman, tel est le défi que s’est lancé le M HKA en 2019, en prenant pour point de départ le premier roman de Roberto Bolaño, Amberes. À partir d’une telle démarche, on se propose de voir comment une oeuvre littéraire peut sous-tendre le geste curatorial : quelle est la nature du rôle séminal du roman, et de son auteur plus largement, et en quoi ont-ils eu une incidence sur la teneur et la forme de l’exposition, ainsi que sur le regard que nous sommes invité·e·s à poser sur les oeuvres données à voir et sur leur rassemblement au M HKA?Building a contemporary art exhibition based on a novel is the challenge that the M HKA took on in 2019. This novel, Amberes, was the first written by Roberto Bolaño. From this singular project, we aim to see how a literary work can underpin the curatorial gesture: what is the nature of the seminal role of the novel, and more broadly of its author, and how do they impact the content and form of the exhibition, as well as the way that we, as visitors, are invited to look at the works on view and their display at the M HKA

Une exposition sous influences : Amberes au M HKA d’Anvers, d’après le roman éponyme de Roberto Bolaño

Construire une exposition d’art contemporain à partir d’un roman, tel est le défi que s’est lancé le M HKA en 2019, en prenant pour point de départ le premier roman de Roberto Bolaño, Amberes. À partir d’une telle démarche, on se propose de voir comment une œuvre littéraire peut sous-tendre le geste curatorial : quelle est la nature du rôle séminal du roman, et de son auteur plus largement, et en quoi ont-ils eu une incidence sur la teneur et la forme de l’exposition, ainsi que sur le regard que nous sommes invité·e·s à poser sur les œuvres données à voir et sur leur rassemblement au M HKA?Building a contemporary art exhibition based on a novel is the challenge that the M HKA took on in 2019. This novel, Amberes, was the first written by Roberto Bolaño. From this singular project, we aim to see how a literary work can underpin the curatorial gesture: what is the nature of the seminal role of the novel, and more broadly of its author, and how do they impact the content and form of the exhibition, as well as the way that we, as visitors, are invited to look at the works on view and their display at the M HKA

Initial condition assessment for reaction-diffusion glioma growth models: A translational MRI/histology (in)validation study

Diffuse gliomas are highly infiltrative tumors whose early diagnosis and follow-up usually rely on magnetic resonance imaging (MRI). However, the limited sensitivity of this technique makes it impossible to directly assess the extent of the glioma cell invasion, leading to sub-optimal treatment planing. Reaction-diffusion growth models have been proposed for decades to extrapolate glioma cell infiltration beyond margins visible on MRI and predict its spatial-temporal evolution. These models nevertheless require an initial condition, that is the tumor cell density values at every location of the brain at diagnosis time. Several works have proposed to relate the tumor cell density function to abnormality outlines visible on MRI but the underlying assumptions have never been verified so far. In this work we propose to verify these assumptions by stereotactic histological analysis of a non-operated brain with glioblastoma using a tailored 3D-printed slicer. Cell density maps are computed from histological slides using a deep learning approach. The density maps are then registered to a postmortem MR image and related to an MR-derived geodesic distance map to the tumor core. The relation between the edema outlines visible on T2 FLAIR MRI and the distance to the core is also investigated. Our results suggest that (i) the previously suggested exponential decrease of the tumor cell density with the distance to the tumor core is not unreasonable but (ii) the edema outlines may in general not correspond to a cell density iso-contour and (iii) the commonly adopted tumor cell density value at these outlines is likely overestimated. These findings highlight the limitations of using conventional MRI to derive glioma cell density maps and point out the need of validating other methods to initialize reaction-diffusion growth models and make them usable in clinical practice