Caractérisation, optimisation et simulation des performances d’un TEP-TDM numérique

Caracterization, optimization and simulation of a digital PET-CT

• Auteur / Autrice : Julien Salvadori
• Direction : Freddy Odille, Laëtitia Imbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatique
• Date : Soutenance le 29/10/2020
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Imagerie adaptative diagnostique et interventionnelle (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Yves Marie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Freddy Odille, Laëtitia Imbert, Dimitris Visvikis, Irène Buvat, Claude Comtat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dimitris Visvikis, Irène Buvat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie médicale -- Qualité de l'image

Photomultiplicateurs

Tomographie par émission

Mots clés libres

TEP numérique

SiPM

TOF

Performances

GATE

CASToR

Digital PET

SiPM

TOF

Performances

GATE

CASToR

Résumé

La tomographie par émission de positons (TEP) est aujourd’hui la modalité d’imagerie fonctionnelle la plus sensible pour étudier les interactions moléculaires dans le corps humain. En constante évolution, elle bénéficie depuis récemment de photomulticateurs au silicium (SiPM), en remplacement des photomultiplicateurs conventionnels (PMT), permettant ainsi une amélioration globale des performances et notamment de la résolution temporelle utilisée pour l’imagerie temps-de-vol (TOF). Les performances du TEP Vereos utilisant des SiPM numériques (d-SiPM) ont été évaluées sur fantômes, ainsi qu’en condition clinique, par comparaison directe avec le TEP Ingenuity (Philips), utilisant des PMT et un environnement d’acquisition et de reconstruction similaire. Ainsi, en comparaison au TEP Ingenuity, nous avons montré que le TEP Vereos offrait une amélioration 1) de la résolution spatiale grâce au couplage 1:1 entre scintillateurs et d-SiPM, 2) de la détectabilité et du rapport contraste-sur-bruit (CSB) des petites lésions, du fait d’une meilleure résolution TOF et 3) de la stabilité des performances dans la gamme des activités de routine les plus élevées, ce qui est lié à un nombre plus important de photodétecteurs et de circuits de déclenchement, réduisant ainsi le temps mort et les phénomènes d’empilement. Tandis que le gain en CSB est particulièrement utile pour les examens TEP réalisés avec de faibles statistiques (activités injectées et/ou temps d'enregistrement réduits), la stabilité des performances est particulièrement avantageuse pour les examens dynamiques où les activités enregistrées peuvent être initialement élevées. De plus, le TEP Vereos a été modélisé sur la plateforme GATE et cette modélisation a été validée, en permettant d’obtenir des valeurs très proches de celles obtenues expérimentalement pour l’évaluation du TEP Vereos, selon la norme NEMA. Enfin, un environnement de reconstruction spécifique au TEP Vereos et incorporant l’ensemble des corrections nécessaires à l’obtention d’images quantitatives a été développé en utilisant le logiciel CASToR. Ces modélisations directe (modèle GATE) et inverse (reconstruction CASToR) du TEP numérique Vereos nous ont permis de confirmer l’influence de certains facteurs de confusion sur la qualité des images et pourraient être utiles dans le futur, notamment pour optimiser les performances d’imagerie et évaluer de nouvelles méthodes de reconstruction et de correction des données.

Positons emission tomography (PET) is nowadays the most sensitive functional imaging modality for analyzing molecular interactions in the human body. In constant evolution, this modality has recently benefited from silicon photomultisers (SiPM) to replace conventional photomultipliers (PMT), resulting in an overall performance improvement, especially in the temporal resolution used for time-of-flight (TOF) imaging. The performance of the Vereos PET (Philips) involving digital SiPMs (d-SiPM) was evaluated both on phantoms and in clinical conditions by direct comparison with the Ingenuity PET (Philips), involving PMT and comparable acquisition and reconstruction processes. Thus, compared to its analog predecessor, we demonstrated that the Vereos PET offers an improvement in 1) spatial resolution through 1:1 coupling between scintillators and d-SiPM, 2) detectability and contrast-to-noise ratio (CNR) of small lesions due to a better TOF resolution, and 3) in the stability of performances in the upper routine counting rates, due to higher numbers of photodetectors and trigger circuits, thereby reducing dead time and pile-up effects. While the gain in CNR provided by the TOF information is particularly useful for PET examinations performed with low statistics (reduced injected activities and/or recording times), the stability of performance is particularly advantageous in the dynamic exams for which the recorded activities can be initially high. In addition, the Vereos PET was modeled using the GATE platform and this modeling was validated while providing values very close to those obtained experimentally for the NEMA evaluation of the Vereos PET. Finally, a reconstruction environment specific to the Vereos PET and incorporating all the necessary corrections to obtain quantitative images was developed using the CASToR software. These direct (GATE model) and inverse (CASToR reconstruction) modeling of the Vereos digital PET scanner has enabled us to confirm the influence of certain confounding factors for image quality and they could be useful in the future, especially for optimizing imaging performance and evaluating new methods of image reconstruction and correction.