Direction : Irène BUVATDirection : Ir : Irèène BUVATne BUVAT

QUANTIFICATION DES EXAMENS ONCOLOGIQUES

AU FLUORO-DÉOXYGLUCOSE

EN TOMOGRAPHIE PAR ÉMISSION DE POSITONS

QUANTIFICATION DES EXAMENS ONCOLOGIQUESQUANTIFICATION DES EXAMENS ONCOLOGIQUES

AU FLUORO-DAU FLUORO-DÉÉOXYGLUCOSEOXYGLUCOSE

EN TOMOGRAPHIE PAR EN TOMOGRAPHIE PAR ÉÉMISSION DE POSITONSMISSION DE POSITONS

Juliette FEUARDENT Juliette FEUARDENT –– Th Thèèse dse d’’imagerie mimagerie méédicale (3dicale (3èèmeme ann annéée)e)

JournJournéées Jeunes Chercheurs des Jeunes Chercheurs d’’Aussois - DAussois - Déécembre 2003cembre 2003

U494

Quantification des examens PET au 18F-FDG en oncologieQuantification des examens PET au 18F-FDG en oncologie

ÿ Contexteß Déroulement d’un examen PET au 18F-FDG

ß Formation des images PET

ß Intérêt des examens PET au 18F-FDG en oncologie

ÿ Problématique et objectifs

ÿ Méthodesß Acquisitions sur fantôme

ß Simulations Monte Carlo

ÿ Résultats

ÿ Conclusion et perspectives

ÿÿ ContexteContexte

ßß DDééroulement droulement d’’un examen PET au un examen PET au 1818F-FDGF-FDG

ßß Formation des images PETFormation des images PET

ßß IntIntéérrêêt des examens PET au t des examens PET au 1818F-FDG en oncologieF-FDG en oncologie

ÿÿ Probl Probléématique et objectifsmatique et objectifs

ÿÿ M Mééthodesthodesßß Acquisitions sur fantAcquisitions sur fantôômeme

ßß Simulations Monte CarloSimulations Monte Carlo

ÿÿ R Réésultatssultats

ÿÿ Conclusion et perspectives Conclusion et perspectives

Contexte Contexte

Examen au FDG marqué au 18F (18F-FDG)Examen au FDG marquExamen au FDG marquéé au au 1818F (F (1818F-FDG)F-FDG)

1) Patients a jeun depuis ~4h

2) Injection IV de 18F-FDG

• FDG : équivalent du glucose

• 18F : émetteur de b+

3) Attente au repos ~1h

4) Acquisition des images

Contexte Contexte

Formation des images PET : détection de coïncidencesFormation des images PET : dFormation des images PET : déétection de cotection de coïïncidencesncidences

b++e-b++e-

gg

gg

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 deréponse détectées

fi estimation de la distribution volumique duradiotraceur dans l’organisme

Contexte Contexte

• Atténuation des photons g

• Coïncidences fortuites

Phénomènes physiques affectant le signal PETPhPhéénomnomèènes physiques affectant le signal PETnes physiques affectant le signal PET

• Diffusion des photons g

• Temps mort

t

Intérêt du 18F-FDG en oncologieIntIntéérrêêt du t du 1818F-FDG en oncologieF-FDG en oncologie

÷ Diagnostic différentiel

÷ Bilan d’extension

÷ Détection de récidive

÷ Suivi thérapeutique

÷÷ Diagnostic diffDiagnostic difféérentielrentiel

÷÷ Bilan dBilan d’’extensionextension

÷÷ DDéétection de rtection de réécidivecidive

÷÷ Suivi thSuivi théérapeutiquerapeutique

Quantification des images PETQuantification des images PET : : estimation pr estimation préécise decise dela concentration de la concentration de 1818F-FDG dans les structures dF-FDG dans les structures d’’intintéérrêêtt

ContexteContexte

Phénomènes physiologiques– taux de glucose sanguin– durée séparant l’administration du FDG du début de

l’acquisition

PhPhéénomnomèènes physiologiquesnes physiologiques–– taux de glucose sanguintaux de glucose sanguin–– durduréée se sééparant lparant l’’administration du FDG du dadministration du FDG du déébut debut de

ll’’acquisitionacquisition

Concentration du radiotraceur dans la tumeur

SUV =Activité injectée / Poids du patient

Concentration du radiotraceur dans la tumeur

SUV =Activité injectée / Poids du patient

Phénomènes physiques– atténuation des photons g émis en coïncidence– diffusion des photons g émis en coïncidence– détection de coïncidences fortuites– effet de volume partiel (EVP)

PhPhéénomnomèènes physiquesnes physiques–– attattéénuation des photons nuation des photons gg éémis en comis en coïïncidencencidence–– diffusion des photons diffusion des photons gg éémis en comis en coïïncidencencidence–– ddéétection de cotection de coïïncidences fortuitesncidences fortuites–– effet de volume partiel (EVP)effet de volume partiel (EVP)

ProblématiqueProblématique

SUV : index pertinent sur des images corrigées de cesphénomènes

Phénomènes affectant les valeurs de SUV(Standardized Uptake value)PhPhéénomnomèènes affectant les valeurs de SUVnes affectant les valeurs de SUV((Standardized Uptake Standardized Uptake value)value)

¸ Détermination de l’impact respectifdes différents phénomènes affectantles valeurs de SUV

¸ Développement de protocoles detraitement du signal PET minimisantles biais de quantification

¸ Évaluation de l’intérêt de cesprotocoles pour une meilleurecaractérisation des anomalies

¸̧ DDéétermination de ltermination de l’’impact respectifimpact respectifdes diffdes difféérents phrents phéénomnomèènes affectantnes affectantles valeurs de SUVles valeurs de SUV

¸̧ D Dééveloppement de protocoles developpement de protocoles detraitement du signal PET minimisanttraitement du signal PET minimisantles biais de quantificationles biais de quantification

¸̧ ÉÉvaluation de lvaluation de l’’intintéérrêêt de cest de cesprotocoles pour une meilleureprotocoles pour une meilleurecaractcaractéérisation des anomaliesrisation des anomalies

ObjectifsObjectifs

??

???

SUV = X +/- ?

bénin ? malin ?

Méthodes : étude bibliographiqueMéthodes : étude bibliographique

• 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 lacorrection d’atténuation *- Impact de la correction de l’EVP- Impact de la correction de diffusion- Influence du calcul de l’index : SUVmoy ou SUVmax *

* études en termes de SUV

> Caractérisation des biais affectant les valeurs de SUV

> Détermination de l’importance relative de ces biais

> Acquisitions en mode 3D avec la cam> Acquisitions en mode 3D avec la camééra CPET (Philips).ra CPET (Philips).

FantFantôôme thoracique Data me thoracique Data SpectrumSpectrum incluant des sph incluant des sphèèresres

dans les poumons et dans le mdans les poumons et dans le méédiastin pour simuler des tumeursdiastin pour simuler des tumeurs(diam(diamèètres de 10,5, 16, 22 et 33 mm).tres de 10,5, 16, 22 et 33 mm).

Méthodes : acquisitions sur fantômeMéthodes : acquisitions sur fantôme

810

SUV théoriques

> Param> Paramèètres tres éétuditudiéés s àà partir de ces acquisitions : partir de ces acquisitions :

Deux durDeux duréées des d’’acquisition en acquisition en éémission : mission : 6 et 18 min6 et 18 min..

PrPréésence de sources extsence de sources extéérieures au champ de vue.rieures au champ de vue.

Impact de la carte utilisImpact de la carte utiliséée pour la correction de pour la correction d’’attattéénuationnuation•• acquisition en transmission du CPET (carte acquisition en transmission du CPET (carte CsCs).).•• acquisition scanner X (carte CT). acquisition scanner X (carte CT).Comparaison de 2 index :Comparaison de 2 index : SUVmoy et SUVmax. SUVmoy et SUVmax.

carte Cs carte CT

Valeur moyenneou max dans ROIanatomique

Fantômethora-cique

Champ de vue

Méthodes : mise en œuvre de correction de l’EVPMéthodes : mise en œuvre de correction de l’EVP

> Effet de volume partiel (EVP)

> Correction de l’EVP

Utilisation des coefficients de recouvrement (RC)

• Simulations numériques avec modélisation de la réponse du détecteur parun filtre Gaussien (FWHM ~ RS)

• Calcul de coefficients de recouvrement (RC) pour chaque taille de sphèreconsidérée

Inversion d’une matrice de contamination croidée (CC)

• Matrice de contamination croisée décrivant les interactions entrecompartiments

• Modélisation des effets de l’atténuation et de la correction d’atténuation

- résolution spatiale (RS) limitée dudétecteur

- échantillonnage de l’image

A0 : activité réelle AM : activité mesurée

EVP fi AM < A0

Méthodes : étude et validation de simulateurs PET au FDGMéthodes : 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» réalistesfi 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, entermes de :

• résolution spatiale• fraction de diffusé• taux de comptage• sensibilité• propriétés statistiques

• profile transaxial d’activité(cylindre homogène)

• distribution d’activité hétérogèneet voxellisée (Zubal)

Résultats : validation d’un simulateur d’acquisitions PET au FDGRésultats : validation d’un simulateur d’acquisitions PET au FDG

> GATE (en collaboration avec l’Université de Lausanne)

Validation de GATE pour les acquisitions PET sur le CPET: en cours.

> Validation de SimSET

Unified description and validation of Monte Carlo simulators in PET. I Buvat, I Castiglioni, JFeuardent, MC Gilardi. Conf. Rec. IEEE Nuclear Science Symp. and Medical Imaging Conf. 2003.

12,115,412,7Sensibilité(Kcps/Bq/mL)

32 %36 %35 %Fraction dediffusé

4,3 mm5,8 mm4,8 mmRésolutionspatiale aucentre (FWHM)

PET-EGSSimSETMesures

Résultats : impact respectif des phénomènes affectant les SUVRésultats : impact respectif des phénomènes affectant les SUV

• 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 CTqu’avec la carte Cs (impact de la carte utilisé Ï quand diamètre Ó, ∅ = 22mm : -14 %). Pas d’impact pour les sphères du médiastin.

• Correction de l’effet de volume partiel (EVP) fi réduction significative desbiais (∅ = 22 mm : - 41% dans les poumons, - 33% dans le médiastin).

Base = absence de sourceextérieure au champ de vue,acquisition de 6 min, carte Cs,sans correction EVP.

Sphères de 22 mm de diamètre.

Acquisitions réalisées avec le CPET.

Résultats : protocole de quantification préconisé et biais résultantsRésultats : protocole de quantification préconisé et biais résultants

Reliability of SUV estimates in FDG PET as a function of the acquisition and processingprotocols. J Feuardent, M Soret, O De Dreuille, H Foehrenbach, I Buvat. Conf. Rec. IEEE NuclearScience Symp. and Medical Imaging Conf. 2003.

> 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%

∅ = 16 mm 63% 26%

∅ = 22 mm 39% 8%

∅ = 33 mm 19% -13%

• biais > 15% pour les lésions de diamètre < 2 cm

Conditionsproches desprotocolescliniques actuels

Protocolepréconisé

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

• Conclusion : mise en évidence de l’influence relative dedifférents phénomènes affectant les SUV.

¸ Suivant le protocole d’acquisition et de traitement des images PET,les SUV peuvent varier d’un facteur ≥ 2 : comparaison impossibled’un centre à l’autre en l’absence de protocole standardisé.

¸ Même avec le protocole minimisant les biais que nous avonsidentifié, les erreurs d’estimation des SUV sont ≥ 15 % pour leslésions de diamètre inférieur à 2 cm.

• Perspectives :

¸ Amélioration des protocoles en identifiant les méthodes etparamètres conduisant aux résultats les moins biaisés.

¸ Étude de l’apport d’une quantification moins biaisée pour lacaractérisation des tumeurs et le suivi thérapeutique.