Dual-energy cone-beam CT for proton therapy

par Gloria Vilches Freixas

Thèse de doctorat en Traitement du signal et de l'image

Sous la direction de Jean-Michel Létang et de Simon Rit.

Soutenue le 27-10-2017

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) , CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image pour la Santé, UMR5220 (Lyon, Rhône) (laboratoire) , Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé / CREATIS (laboratoire) et de Imagerie Tomographique et Radiothérapie (équipe de recherche) .

Le président du jury était Denis Dauvergne.

Le jury était composé de Jean-Michel Létang, Simon Rit, Denis Dauvergne, Katia Parodi, Frank Verhaegen, Marie-Claude Biston.

Les rapporteurs étaient Katia Parodi, Frank Verhaegen.

  • Titre traduit

    Tomodensitométrie conique bi-énergie pour la proton thérapie


  • Résumé

    La proton thérapie est une modalité de traitement du cancer qu’utilise des faisceaux de protons. Les systèmes de planification de traitement actuels se basent sur une image de l’anatomie du patient acquise par tomodensitométrie. Le pouvoir d’arrêt des protons relatif à l’eau (Stopping Power Ratio en Anglais, SPR) est déterminé à partir des unités Hounsfield (Hounsfield Units en Anglais, HU) pour calculer la dose absorbée au patient. Les protons sont plus vulnérables que les photons aux modifications du SPR du tissu dans la direction du faisceau dues au mouvement, désalignement ou changements anatomiques. De plus, les inexactitudes survenues de la CT de planification et intrinsèques à la conversion HU-SPR contribuent énormément à l’incertitude de la portée des protons. Dans la pratique clinique, au volume de traitement s’ajoutent des marges de sécurité pour tenir en compte ces incertitudes en détriment de perdre la capacité d’épargner les tissus autour de la tumeur. L’usage de l’imagerie bi-énergie en proton thérapie a été proposé pour la première fois en 2009 pour mieux estimer le SPR du patient par rapport à l’imagerie mono-énergie. Le but de cette thèse est d’étudier la potentielle amélioration de l’estimation du SPR des protons en utilisant l’imagerie bi-énergie, pour ainsi réduire l’incertitude dans la prédiction de la portée des protons dans le patient. Cette thèse est appliquée à un nouveau système d’imagerie, l’Imaging Ring (IR), un scanner de tomodensitométrie conique (Cone-Beam CT en Anglais, CBCT) développé pour la radiothérapie guidée par l’image. L’IR est équipé d’une source de rayons X avec un système d’alternance rapide du voltage, synchronisé avec une roue contenant des filtres de différents matériaux que permet des acquisitions CBCT multi-énergie. La première contribution est une méthode pour calibrer les modèles de source et la réponse du détecteur pour être utilisés en simulations d’imagerie X. Deuxièmement, les recherches ont évalué les facteurs que peuvent avoir un impact sur les résultats du procès de décomposition bi-énergie, dès paramètres d’acquisition au post-traitement. Les deux domaines, image et basée en la projection, ont été minutieusement étudiés, avec un spéciale accent aux approches basés en la projection. Deux nouvelles bases de décomposition ont été proposées pour estimer le SPR, sans avoir besoin d’une variable intermédiaire comme le nombre atomique effectif. La dernière partie propose une estimation du SPR des fantômes de caractérisation tissulaire et d’un fantôme anthropomorphique à partir d’acquisitions avec l’IR. Il a été implémentée une correction du diffusé, et il a été proposée une routine pour interpoler linéairement les sinogrammes de basse et haute énergie des acquisitions bi-énergie pour pouvoir réaliser des décompositions en matériaux avec données réelles. Les valeurs réconstruits du SPR ont été comparées aux valeurs du SPR expérimentales déterminés avec un faisceau d’ions de carbone.


  • Résumé

    Proton therapy is a promising radiation treatment modality that uses proton beams to treat cancer. Current treatment planning systems rely on an X-ray computed tomography (CT) image of the patient's anatomy to design the treatment plan. The proton stopping-power ratio relative to water (SPR) is derived from CT numbers (HU) to compute the absorbed dose in the patient. Protons are more vulnerable than photons to changes in tissue SPR in the beam direction caused by movement, misalignment or anatomical changes. In addition, inaccuracies arising from the planning CT and intrinsic to the HU-SPR conversion greatly contribute to the proton range uncertainty. In clinical practice, safety margins are added to the treatment volume to account for these uncertainties at the expense of losing organ-sparing capabilities. The use of dual-energy (DE) in proton therapy was first suggested in 2009 to better estimate the SPR with respect to single-energy X-ray imaging. The aim of this thesis work is to investigate the potential improvement in determining proton SPR using DE to reduce the uncertainty in predicting the proton range in the patient. This PhD work is applied to a new imaging device, the Imaging Ring (IR), which is a cone-beam CT (CBCT) scanner developed for image-guided radiotherapy (IGRT). The IR is equipped with a fast kV switching X-ray source, synchronized with a filter wheel, allowing for multi-energy CBCT imaging. The first contribution of this thesis is a method to calibrate a model for the X-ray source and the detector response to be used in X-ray image simulations. It has been validated experimentally on three CBCT scanners. Secondly, the investigations have evaluated the factors that have an impact on the outcome of the DE decomposition process, from the acquisition parameters to the post-processing. Both image- and projection-based decomposition domains have been thoroughly investigated, with special emphasis on projection-based approaches. Two novel DE decomposition bases have been proposed to estimate proton SPRs, without the need for an intermediate variable such as the effective atomic number. The last part of the thesis proposes an estimation of proton SPR maps of tissue characterization and anthropomorphic phantoms through DE-CBCT acquisitions with the IR. A correction for X-ray scattering has been implemented off-line, and a routine to linearly interpolate low-energy and high-energy sinograms from sequential and fast-switching DE acquisitions has been proposed to perform DE material decomposition in the projection domain with real data. DECT-derived SPR values have been compared with experimentally-determined SPR values in a carbon-ion beam.


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