Imagerie fonctionnelle peropératoire naviguée pour l'optimisation de la chirurgie des tumeurs cérébrales

Intraoperative navigated functional imaging for brain tumor surgery optimization

• Auteur / Autrice : Frédéric Monge
• Direction : Pierre Jannin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie biologique et médical
• Date : Soutenance le 02/12/2016
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Vie-Agro-Santé (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Traitement du Signal et de l'Image (1969-.... ; Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chirurgie -- Informatique

Imagerie médicale

Chirurgie

Tumeurs cérébrales

Gliomes

Mots clés libres

Gliomes

Exérèse tumorale

Médecine nucléaire

Imagerie médicale intraopératoire

Chirurgie guidée par l’image

Navigation

Reconstruction

Glioma

Tumoral resection

Nuclear medicine

Intraoperative medical imaging

Image guided surgery

Navigation

Reconstruction

Résumé

Les gliomes sont des tumeurs cérébrales primitives représentant le deuxième cancer le plus fréquent chez l’enfant et la troisième cause de mortalité chez l’adulte jeune. Il a été démontré qu’une chirurgie d’exérèse tumorale permet d’augmenter la qualité et la durée de vie du patient, voir même dans certains cas, d’obtenir sa guérison. L’identification intraopératoire des résidus tumoraux permettrait au chirurgien de vérifier, in situ, la qualité de son geste d’exérèse. Une nouvelle modalité d’imagerie intraopératoire a été proposée comme solution pour détecter les tumeurs résiduelles. Elle se base sur l’utilisation d’une sonde nucléaire combinée à un système de localisation optique. Cette nouvelle modalité, appelée imagerie surfacique de positons (ISP), permet la génération d’images de la distribution surfacique d’un radiotraceur comme le 18 F − F DG d’une zone d’intérêt scannée. L’ISP n’étant actuellement pas utilisée en clinique, nous proposons pour la première fois une étude de faisabilité de son utilisation pour l’optimisation de la chirurgie des tumeurs cérébrales. Nous montrons les limites de l’utilisation potentielle de l’ISP dans un contexte neurochirurgical par des études expérimentales en considérant des facteurs intraopératoires pouvant influencer la qualité des images générées par le système. Les contributions présentées se concentrent sur trois axes. Dans un premier temps, nous souhaitons obtenir des images fonctionnelles d’ISP avec un temps de calcul faible. L’application de modèles d’acquisition aux mesures permettent d’améliorer la qualité des images, au détriment d’un temps de calcul élevé. Nous suggérons un nouveau modèle d’acquisition dédié au contexte intraopératoire, permettant l’amélioration de la résolution et du contraste des images pour un temps de calcul réduit. Un deuxième axe est dédié à l’étude de l’impact d’une acquisition intraopératoire sur les performances du système. Nous proposons l’estimation des paramètres intrinsèques de la sonde nucléaire utilisée et de l’influence de la hauteur du processus de scan sur leurs valeurs. Le dernier axe est consacré à la validation de modèles d’acquisition dans le contexte intraopératoire. Nous présentons une étude comparative des performances de modèles d’acquisition en considérant l’impact potentiel de la vitesse de scan durant l’acquisition. L’ensemble de ces travaux a contribué à l’étude de faisabilité de l’utilisation d’un système d’ISP en intraopératoire, proposée pour la première fois en neurochirurgie.

Gliomas are primitive brain tumors, which represent the second most frequent cancer among children and the third cause of death among young adult. It has been shown that resection surgery improves patient outcomes, leading to its cure for some cases. Intraoperative detection of residual tumor allows the surgeon to check the quality of its resection gesture. A new intraoperative imaging modality has been proposed as a solution to detect residual tumors. It relies on a nuclear probe associated with an optical localization system. This new modality, called positron surface imaging (PSI), generates images of the activity surface distribution of a 18 F based radiotracer of a scanned area of interest. Not used in clinical context yet, we proposed for the first time a feasibility study of its usage to optimize brain tumor surgery. We show limitations of the potential usage of PSI in neurosurgery through experimental studies, considering intraoperatives factors which may influence quality of generated images. Contributions in this study are presented on three axes. First, we want to generate PSI functional images with a low computational time. Acquisition models applied to measurements improve image quality at the cost of high computational time. We suggest a new acquisition model dedicated to intraoperative usage, allowing enhancement of spatial resolution and contrast of images for a low computational time. The second axis is dedicated to the study of the intraoperative acquisition impact on system performance. We propose to estimate the intrinsic parameters of nuclear probe and the study of scanning process on their values. Finally, we present the validation of acquisition models dedicated to intraoperative context. We show a comparative study of acquisition models performance considering potential impact of scanning speed process during acquisition. This work has contributed to the feasibility study of using an ISP system in the intraoperative context, proposed for the first time in neurosurgery.