Le but de cette thèse est de développer les techniques et les connaissances en imagerie par particules chargées pour l’application en radiothérapie par hadrons. Dans un premier temps, les techniques d’estimation de parcours sont étudiées de façon phénoménologique et subséquemment retrouvée depuis une approache physique théorique, pour chaque ion depuis le proton jusqu’au carbone. Les techniques prenant en compte la connaissance préalable du milieu ont aussi été étudiées pour obtenir l’estimé de parcours le plus précis pour toute particule chargée. À l’aide de cet estimé de parcours précis et rapide, nous nous sommes par la suite penchés sur le problème de la reconstruction tomographique par particules chargées. La première étape de ce processus était l’inclusion de l’algorithme d’estimation de parcours développé précédemment dans les techniques conventionnelles de reconstruction itérative tomographique, telle que la reconstruction algébrique itérative, par particules chargées. Nous nous sommes rapidement aperçus de la lenteur du processus de reconstruction itérative et des problèmes de convergence reliés à ce type d’optimisation. Face à ces difficultés, nous avons décidé de développer notre propre algorithme de reconstruction tomographique dont la principale différence est l’optimisation individuelle des projections radiographiques. L’idée principale de notre algorithme est de diviser l’objet de la reconstruction en voxels et de retrouver le pouvoir d’arrêt d’une colonne de voxels de façon à ce qu’il maximise la probabilité de l’énergie perdue des protons qui la traversent. Le parcours des protons dans chaque colonne de voxels est calculé par l’algorithme de prédiction de parcours développé au début de la thèse. De cette façon, nous optimisons la résolution spatiale des radiographies individuellement. Les nouvelles radiographies peuvent par la suite être utilisées comme données d’entrée dans un algorithme conventionnel de reconstruction tomographique. La reconstruction tomographique nécessite un grand nombre de projections et celles-ci peuvent être longues à acquérir, ce qui est problématique dans un contexte clinique où le temps de faisceau est précieux et limité. Il existe donc une exigence d’efficacité et d’optimisation de la procédure. Dans cette optique, la prochaine partie de cette thèse s’est concentrée sur l’utilisation d’un ensemble limité de radiographies pour retrouver les paramètres de pouvoir d’arrêt dans les tissus, et ce de façon spécifique à un patient. La rationnelle de ce projet est que les radiographies peuvent être acquises rapidement, directement avant le traitement. Nous avons étudié la possibilité de combiner cet ensemble limité de radiographies avec l’image tomodensitométrique à simple énergie acquise lors du diagnostic. Une méthode permettant d’effectuer ce processus à été développée et évaluée sur différents fantômes anthropomorphiques représentant différentes sections du corps humain. Il a été prouvé qu’avec un nombre limité de radiographies, acquérable rapidement avant le traitement, il est possible de retrouver le pouvoir d’arrêt massique dans les tissus spécifiques à un patient avec une grande précision (< 1% d’erreur par rapport à la référence). Pour terminer la thèse, nous avons procédé à l’application expérimentale des différents algorithmes développés théoriquement. En collaboration avec le DKFZ (Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Allemagne), le HIT (Heavy Ion Therapy facility, Heidelberg, Allemagne) et la collaboration proton-CT (Loma Linda University, University of California San Francisco, University of California Santa Cruz, University Baylor, États-Unis) nous avons mis en place une expérience de tomographie par particules d’hélium. Nous avons pu utiliser le synchrotron du HIT en combinaison avec le détecteur proton-CT développé par la collaboration éponyme pour produire et détecter à la fois en entrée et en sortie un faisceau de particules chargées traversant un médium pré-déterminé. Cette étude nous a permis d’évaluer le bruit et la précision atteignable en imagerie tomographique par particules chargées. / The goal of this thesis is to develop methodology and knowledge in charged particle imaging for application in hadron radiotherapy. First, the various existing algorithm to estimate the path of a charged particle crossing a medium have been studied as a function of their efficiency and accuracy. To find an optimal solution for those two constraints, a phenomenological model has been developed that predict the most likely particle path in a medium. It was subsequently grounded in a solid physical background and extended to every ion up to carbon. Furthermore, prior-knowledge techniques were introduced to obtain the highest accuracy in the path estimate prediction for any ions. With these techniques in hand, we then approached the problem of tomographic reconstruction of charged particle radiographies. The first step of the work was to introduce the aforementioned path estimate method into a conventional charged particle reconstruction algorithm such as the algebraic reconstruction technique. This process requires a large calculation time that prevents an efficient reconstruction in a clinical work-flow, and suffer from convergence problems that leave the images with a high-noise level. Thus, it was decided to develop our own tomographic reconstruction algorithm in which the main difference resided in the optimization of individual projections. In our algorithm, the object was discretized into voxels and the average relative stopping power through voxel columns defined from the source to the detector pixels is optimized such that it maximizes the likelihood of the proton energy loss. The length spent by individual protons in each column is calculated through the path estimate. In this way, the spatial resolution of individual radiographies is optimized. The new radiographies can then be fed into a conventional X-ray tomographic algorithm, such as FDK, for a high resolution pCT reconstruction. The tomographic reconstruction requires a large number of projections and each can be individually long to acquire. This might cause problem into a clinical context where the beam time is costly and limited. There is a demand for efficiency in the procedure, which requires optimization of the algorithms. In this context, the next part of the thesis consisted on developing a method to utilize a subset of proton radiographies to retrieve stopping power parameters specific to the patient. This was done because a fewer number of radiographies can be acquired rapidly prior to the treatment. We studied the possibility of combining those subset of proton radiographies (usually either a single radiography or a pair) with single-energy X-ray tomographic images acquired prior for diagnostic. A new algorithm was develop to combine these two types of images and evaluated against various anthropomorphic phantoms that represents three body sites, the lung, the pelvis and the head. It has been shown that with a limited number of radiographies, it is possible to retrieve stopping power specific to the patient with an RMS error to the ground truth below 1%. The last part of the work was the experimental validation of the various algorithms developed. In collaboration with the (Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg), the HIT (Heavy Ion Therapy facility, Heidelberg) and the pCT collaboration (Loma Linda University, University of California San Francisco, University of California Santa Cruz, University Baylor), we designed an experiment to acquire charged particle tomographic images. To do so, we used the HIT’s synchrotron to produce a collimated beam of charged particle combined with the pCT detector to detect the particle before and after having crossed a pre-determined medium. This study allowed us to evaluate the noise, the spatial resolution and the precision achievable with charged particle imaging tomography.

Cette thèse a pour sujet le développement d’un détecteur à fibre scintillante plastique pour la dosimétrie des faisceaux de photons de basses énergies. L’objectif principal du projet consiste à concevoir et caractériser cet instrument en vue de mesurer la dose de radiation reçue au cours des examens d’imagerie diagnostique et interventionnelle. La première section est consacrée à la conception de six différents systèmes et à l’évaluation de leur performance lorsqu’ils sont exposés à des rayonnements de hautes et basses énergies. Tous les systèmes évalués présentaient un écart type relatif (RSD) de moins de 5 % lorsqu’ils étaient exposés à des débits de dose de plus de 3 mGy/s. Cette approche systématique a permis de déterminer que le tube photomultiplicateur répondait le mieux aux conditions d’exposition propres à la radiologie. Ce dernier présentait une RSD de moins de 1 % lorsque le débit de dose était inférieur à 0.10 mGy/s. L’étude des résultats permis également de suggérer quelques recommandations dans le choix d’un système en fonction de l’application recherchée. La seconde partie concerne l’application de ce détecteur à la radiologie interventionnelle en procédant à des mesures de dose à la surface d’un fantôme anthropomorphique. Ainsi, plusieurs situations cliniques ont été reproduites afin d’observer la précision et la fiabilité du détecteur. Ce dernier conserva une RSD inférieure à 2 % lorsque le débit de dose était supérieur à 3 mGy/min et d’environ 10 % au débit le plus faible (0.25 mGy/min). Les mesures sur fantôme montrèrent une différence de moins de 4 % entre les mesures du détecteur et celles d’une chambre d’ionisation lors du déplacement de la table ou du bras de l’appareil de fluoroscopie. Par ailleurs, cette différence est demeurée sous les 2 % lors des mesures de débit de dose en profondeur. Le dernier sujet de cette thèse porta sur les fondements physiques de la scintillation dans les scintillateurs plastiques. Les différents facteurs influençant l’émission lumineuse ont été analysés afin d’identifier leur contribution respective. Ainsi, la réponse du détecteur augmente de près d’un facteur 4 entre un faisceau de 20 kVp et 250 kVp. De ce signal, la contribution de la fluorescence produite dans la fibre claire était inférieure à 0.5 % lorsque les fibres étaient exposées sur 10 cm par des faisceaux de 20 à 250 kVp. Le phénomène d’extinction de la fluorescence par ionisation a également été étudié. Ainsi, l’atténuation du signal variait en fonction de l’énergie du faisceau et atteignit environ 20 % pour un faisceau de 20 kVp. En conclusion, cette étude suggère que les détecteurs à fibres scintillantes peuvent mesurer avec précision la dose de radiation reçue en imagerie diagnostique et interventionnelle, mais une calibration rigoureuse s’avère essentielle. / This thesis deals with the development of a plastic scintillation detector for low energy photon eams. The main goal of the project consists in the design and characterization of this tool in the aim of measuring the radiation dose involved during diagnostic and interventional radiology examinations. The first section is devoted to the design of six different systems and to their performance evaluation when they are exposed to high and low energy radiation. For all photodetectors, the relative standard deviation (RSD) was less than 5% for dose rates higher than 3 mGy/s. This systematic approach identified the photomultiplier tube as the most appropriate photodetector for radiology specific beam qualities. Indeed, its RSD was less than 1% when the dose rate was below 0.10 mGy/s. The result analysis allowed the suggestion of some guidelines for the selection of an appropriate detector for a specific application. The second part was about this detector application to interventional radiology procedures by performing dose measurements at an anthropomorphic phantom surface. Several clinically relevant setups were reproduced to observe the detector’s accuracy and reliability. The RSD remained under 2% when the dose rate was more than 3 mGy/min and about 10% at the lowest dose rate (0.25 mGy/min). Phantom measurements showed a dose rate difference between the detector and the ion chamber of less than 4% when moving the table’s height or rotating the fluoroscope gantry. Moreover, this difference was below 2% for depth dose rate measurements. The last subject of this thesis was about the fundamental physics of scintillation within the plastic scintillators. The factors affecting the light emission were analyzed in order to identify their respective contribution. The detector’s response increased by a factor of about 4 when the tube potential varied between 20 kVp and 250 kVp. The clear optical response was below 0.5%of the scintillator’s light when the fibers were exposed on 10 cm-long by these beam qualities. he ionization quenching phenomenon was also investigated. The signal attenuation varied with the beam energy and reached about 20% for a 20 kVp beam quality. In conclusion, this study suggests that the plastic scintillation detectors can accurately measure the radiation dose involved in diagnostic and interventional radiology, but a rigorous calibration is essential.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Thèse d'exercice : Médecine. Médecine générale : Paris 12 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. 46 f. ill. Bibliogr. f. 42-44.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Reproduction de : Thèse d'exercice : Médecine : Nancy 1 : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre.

Th.--Méd.--Nancy 1, 1983. N°: 233.

L’appendicite aiguë est la pathologie abdominale aiguë courante et la plus fréquente parmi celles qui nécessitent une intervention chirurgicale rapide. L’imagerie occupe une place croissante dans son diagnostic parce qu’elle tente d’éviter simultanément les appendicectomies inutiles et les perforations appendiculaires compliquées de péritonite tout en recherchant des pathologies alternatives. Si plusieurs techniques d’imagerie sont disponibles – dont la radiographie sans préparation de l’abdomen (dont la performance est faible) et l’imagerie par résonance magnétique (peu disponible, en particulier en urgence) – l’ultrasonographie (US) et la tomodensitométrie (TDM) occupent des positions centrales. Nos études ont investigué la performance de ces dernières, en considérant notamment la réduction de la dose d’irradiation et le recours aux contrastes artificiels. En effet, l’irradiation liée à l’usage de la TDM est à considérer puisque les patients souffrant d’appendicite aiguë sont jeunes (en moyenne 30 ans) tout comme le recours aux contrastes associé à des coûts, de l’inconfort et des risques. Enfin, la performance de ces techniques étant susceptibles d’être influencée par la corpulence des patients et leur quantité de graisse intra-abdominale, l’influence de ces paramètres sur la performance a été évaluée.<p><p>A travers quatre études, nous avons montré que l’US et la TDM sans contraste IV ou entérique ont des performances similaires quant au diagnostic d’appendicite aiguë et de pathologies alternatives, indépendamment de l’expérience du radiologue et de la corpulence du patient. Néanmoins, les examens non concluants (sans diagnostic d’appendicite aiguë ni de pathologie alternative mais où l’appendice n’est pas vu) sont plus fréquents en US qu’en TDM. L’appendice normal, dont la visualisation permet d’exclure le diagnostic d’appendicite aiguë, est plus fréquemment visible en TDM qu’en US, mais en TDM la reproductibilité quant à considérer la même structure comme étant l’appendice dépend du lecteur. L’injection IV de contraste iodé n’augmente pas la proportion d’appendices détectés mais la reproductibilité d’un lecteur particulier. Aucune caractéristique du sujet ni de son appendice, y compris son environnement abdominal, ne permet de prédire cette reproductibilité. La performance de la TDM est constante quelle que soit la dose d’irradiation ou le recours au contraste IV et/ou entérique, indépendamment de la corpulence du patient. La hiérarchie de l’information apportée par les signes évocateurs d’appendicite aiguë n’est pas influencée par la dose; l’infiltration de la graisse péri-appendiculaire et le diamètre appendiculaire en étant les signes les plus prédictifs, malgré le moindre rapport signal/bruit de l’image générée à faible dose. La fréquence de visualisation de l’appendice est aussi indépendante de cette dose. L’exactitude du diagnostic dépend principalement du lecteur mais pas du contraste – quelle qu’en soit la voie d’administration (orale ou IV) – ni de la dose d’irradiation. Le genre du patient influence cependant cette exactitude, le diagnostic étant plus fréquemment correct chez l’homme que chez la femme, en particulier dans les pathologies alternatives.<p><p>En conclusion, comme les techniques US et TDM que nous avons investiguées ont des performances équivalentes, les risques associés à l’irradiation et au contraste doivent intervenir dans leur choix. L’US, utilisée en première intention, devrait être complétée par la TDM si son résultat n’est pas concluant. Dans ce cas, la TDM devrait être réalisée, toujours à basse dose d’irradiation, d’abord sans puis, si nécessaire, avec contraste IV et/ou oral.<p> / Doctorat en Sciences médicales / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La radiomique propose de combiner des caractéristiques images avec celles issues de la clinique, de la génomique, de la protéomique, etc . . .afin de mettre en place une médecine personnalisée dans la prise en charge du cancer. L’objectif est d’anticiper, à partir d’un examen initial, les chances de survie du patient ou la probabilité de la maladie de répondre à un traitement. En médecine, des méthodes statistiques classiques sont généralement utilisées comme l’analyse de Mann-Whitney pour les études prédictives et l’analyse des courbes de survie de Kaplan-Meier pour les études pronostiques. Cependant, l’augmentation du nombre de caractéristiques étudiées pose des problèmes pour l’utilisation de ces statistiques. C’est pour cela que nous nous sommes orientés vers l’utilisation des algorithmes d’apprentissage automatique et des méthodes de sélectionde caractéristiques. Ces méthodes sont résistantes aux grandes dimensions, ainsi qu’aux relations non-linéaires entre caractéristiques. Nous avons proposé 2 méthodes de sélection des caractéristiques basées sur la méthode d’apprentissage automatique des forêts aléatoires. Nos méthodes ont permis la sélection de sous-ensembles de caractéristiques prédictives et pronostiques sur 2 bases de données (cancer de l’oesophage et du poumon). Nos algorithmes ont montré les meilleures performances de classification comparées aux méthodes statistiques classiques et aux autres méthodes de sélection des caractéristiques étudiées. / Radiomics proposes to combine image features with those extracted from other modalities (clinical, genomic, proteomic) to set up a personalized medicine in the management of cancer. From an initial exam, the objective is to anticipate the survival rate of the patient or the treatment response probability. In medicine, classical statistical methods are generally used, such as theMann-Whitney analysis for predictive studies and analysis of Kaplan-Meier survival curves for prognostic studies. Thus, the increasing number of studied features limits the use of these statistics. We have focused our works on machine learning algorithms and features selection methods. These methods are resistant to large dimensions as well as non-linear relations between features. We proposed two features selection strategy based on random forests. Our methods allowed the selection of subsets of predictive and prognostic features on 2 databases (oesophagus and lung cancers). Our algorithms showed the best classification performances compared to classical statistical methods and other features selection strategies studied.