Modeling of abdominal perfusion on CT image sequences with contrast product injection
Description
Scientific context: The solid tumors localized in the abdomen represent a major problem of public health. The new treatments against tumor angiogenesis (destruction of vessels which feed the tumor) are now part of the oncology therapy. Numerous clinical trials continue to show their usefulness by increasing the survival rate of many cancer affected patients. In these conditions, new functional imaging methods are being developed in an attempt to provide earlier markers of antiangiogenic treatment efficacy than the simple morphological criteria RECIST or his revised version RECIST 1.1 [Eisenhauer 09, Therasse 00]. Objective of the study: the main objective is to propose robust methods to allow estimation of functional markers reflecting the tumor evolution from dynamic studies. Latest developments: Currently, in this domain, assessing of the efficiency evaluation of an anti-angiogenic therapy is mainly based on the functional imaging of the microcirculation, which the objective is to quantify the tumor microcirculation by dynamic acquisitions with injection of contrast product. Despite numerous trials with bolus injection of contrast product, in CT, MRI or ultrasound [Eisenhauer 09, Marcus 09], the estimation of parameters is not reliable enough to be produced as additional criterion of evaluation in RECIST protocol. Issues: The current limitations are mainly due to a lack of control of the breathing movements, biasing studies of the time intensity curve on a pixel basis. Therefore, results are not homogeneous and may vary from a team to another one for the same treatment, particularly with CT imaging in which the axial sections are perpendicular to the breathing movements. In addition, no consensus exist on the parameters permitting the quantification of tumor microcirculation. Several approaches are based on a model of the diffusion of a contrast product in the biological tissues but different models have been developed. To the best of our knowledge, no rigorous comparison between these models exit and no recommendations are given to physicians to evaluate the conditions of application of these models. Finally, a step of parameters estimation of the selected models is performed. Due to the particular conditions of the CT acquisitions, this estimation must be computed form noisy data and a large number of regions (one estimation by voxel or group of voxel of the dynamic image sequence). Methods and results: The images of the sequence acquired in CT can be reconstructed in different ways (for example the thickness of the slices can be adjusted). A first study had the objective of determining the best values of these parameters in our context. To compensate the respiratory motion of the patient during all the CT dynamic acquisition, a registration method has been developed. This method is based on the multi-resolution block matching algorithm using a robust similarity measure to the diffusion of the contrast product during the acquisition. Two quantitative criteria have been proposed to evaluate the registration quality. Once the images are aligned, the functional bio-markers estimation is possible. To obtain a reliable parameter estimation, the first question concerns the choice of the considered model. A comparative analysis has been performed on five classical diffusion models that take the differential equations (ordinary or partial). This comparison is based on a rigorous mathematical framework (sensitivity analysis, detection of structural or practical non-identifiabilities, study of the cost function convexity) and gives a set of recommendations for the clinical use of these models. With this work, problems for the parameter estimation have been identified. An original parameter estimation method has been developed. This method, based on the 'multi-task' aspect, is a joint estimation for all image voxels. A new notion of similarity between tasks is introduced, taking advantage of similarities between data temporal evolution. The tests show us that this new similarity is better for the robustness of the estimation than the similarity based on the spatial neighborhoods. Conclusion: In a restrictive clinical context (noisy data, few number), we have developed a complete pipeline with a set of necessary steps to a reliable characterization of the tumor microcirculation from dynamic perfusion image sequence: the main contributions of this thesis cover the reconstruction parameters optimization, the development of a registration method, the argued selection of a perfusion model and the development of a robust method of parameter estimation. With these works, we can envision the utilization of these perfusion models to the characterization and the prediction of the therapy response of a patient. (author)
Abstract (French)
Contexte scientifique: Les tumeurs solides localisees au niveau abdominal constituent un probleme de sante publique majeur. L'apparition de nouveaux traitements antitumoraux dont les traitements antiangiogeniques (destruction des vaisseaux alimentant la tumeur) permet d'envisager de nouvelles strategies therapeutiques notamment en oncologie. De nombreux essais therapeutiques continuent a montrer leur utilite dans l'amelioration de la survie de certains cancers. Dans ces conditions, le developpement de nouvelles methodes d'imagerie plus precoces que les simples criteres morphologiques RECIST (Response Evaluation Critertia in Solid Tumors) ou son amelioration RECIST 1.1 [Eisenhauer 09, Therasse 00] sont necessaires. Objectifs de l'etude: L'objectif general du travail de cette these est de proposer des methodes robustes pour permettre d'obtenir des criteres sur l'evolution de la pathologie tumorale a partir d'etudes dynamiques. Etat de l'art: Actuellement, dans ce domaine, l'appreciation de l'efficacite d'un traitement antiangiogenique repose principalement sur l'imagerie fonctionnelle de la microcirculation dont l'objectif est de quantifier la microcirculation tumorale par l'intermediaire d'acquisitions dynamiques effectuees au cours de l'injection en bolus d'un produit de contraste. En depit de nombreux travaux publies relatifs aux etudes de suivi de contraste, realisees en TDM, IRM et echographie [Eisenhauer 09, Marcus 09], l'estimation de ces parametres n'est pas jugee a l'heure actuelle suffisamment fiable, pour etre introduite comme critere supplementaire d'evaluation dans RECIST. Problematique et verrous scientifiques: Les limites actuelles concernant le suivi de la reponse precoce des lesions par imagerie sont en premier lieu dues a la mauvaise maitrise des mouvements respiratoires qui rendent difficile l'etude des cinetiques de rehaussement xoxel par voxel ou groupe de voxels par groupe de voxels. Les resultats obtenus sont donc tres variables d'une equipe a l'autre en particulier en scanner ou les coupes axiales restent perpendiculaires aux mouvements respiratoires. En second lieu, il n'existe actuellement pas de consensus sur les parametres permettant de quantifier la microcirculation tumorale. De nombreuses approches sont basees sur une modelisation de la diffusion d'un produit de contraste au sein de tissus biologiques mais divers modeles coexistent et il n'existe pas a notre connaissance de comparaison rigoureuse entre ces modeles, ni de recommandations qui permettraient au medecin d'evaluer les conditions dans lesquelles ces modeles sont applicables. Enfin, cette evaluation passe par une etape d'estimation parametrique du ou des modeles retenus. Du fait des conditions particulieres d'acquisition scanner, cette estimation doit etre faite a partir de donnees extremement bruitees et pour un grand nombre de zones (une estimation par voxel ou groupe de voxels de la sequence dynamique d'images). Methodes et resultats: Les images de la sequence acquises en TDM peuvent se reconstruire en reglant differents parametres (comme par exemple l'epaisseur de coupes). Une premiere etude a permis d'identifier les meilleures valeurs possibles de ces parametres dans notre contexte. Pour compenser le mouvement respiratoire du patient durant l'acquisition de la sequence dynamique en TDM, une methode de recalage a ete developpee. Cette methode s'appuie sur un algorithme dit de mise en correspondance de blocs par multi-resolution en utilisant une mesure de similarite robuste a la presence de produit de contraste diffusant dans les tissus au cours de l'acquisition. Deux criteres quantitatifs ont ete introduits afin d'evaluer la qualite du recalage. Une fois les images de la sequences alignees, l'estimation de bio-marqueurs fonctionnels est possible. Afin d'obtenir une estimation fiable de ces parametres, la premiere question concerne le choix du modele a considerer. Une analyse comparative a ete effectuee pour les 5 principaux modeles de diffusion de produit de contraste s'ecrivant sous forme d'equations differentielles (ordinaires ou partielles). Cette comparaison s'appuie sur des methodes mathematiques rigoureuses (analyse de sensibilite, detection de non-identifiabilites structurelles ou pratiques, etude de la convexite des fonctions de couts) et debouche sur un ensemble de recommandations quant a l'usage clinique de ces modeles. Ce travail a permis d'identifier un certain nombre de problemes pour l'estimation des parametres, en particulier la non-convexite de la fonction de cout ou encore la robustesse face au bruit. Une methode d'estimation parametrique originale a alors ete developpee. Cette methode, s'appuyant sur l'aspect 'multi-tache', permet une estimation jointe sur tous les voxels de l'image. Une nouvelle notion de similarite entre taches est introduite, qui exploite les similitudes d'evolution temporelle des donnees acquises. Les tests nous montrent que cette nouvelle similarite apporte plus de robustesse a l'estimation en comparaison de la similarite basee sur un voisinage purement spatial parfois employee. Conclusion: Dans un contexte clinique extremement contraignant (donnees bruitees, en petit nombre), nous avons mis en place un cadre rigoureux comprenant l'ensemble des etapes necessaires pour une caracterisation plus fiable de la microcirculation tumorale a partir de sequences d'images acquises sous perfusion de produit de contraste: les contributions principales de cette these couvrent ainsi l'optimisation des parametres de reconstruction, le developpement d'une methode de recalage adaptee a nos donnees, la selection argumentee d'un modele de perfusion et enfin le developpement d'une methode robuste d'estimation des parametres. Ces travaux permettent d'envisager l'utilisation des modeles de perfusion pour la caracterisation et la prediction de la reponse d'un patient a differents traitements anti-tumoraux. (auteur)
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Additional details
Additional titles
- Original title (French)
- Modelisation de la perfusion abdominale sur des sequences d'images tomodensitometriques avec injection de produit de contraste
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 256 p.
- Report number
- FRNC-TH--14687
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54081803
- Subject category
- S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE; S97: MATHEMATICAL METHODS AND COMPUTING;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ALGORITHMS; ANGIOGENESIS; BIOLOGICAL MARKERS; BLOOD CIRCULATION; COMPUTERIZED TOMOGRAPHY; CONTRAST MEDIA; DIFFERENTIAL EQUATIONS; DIFFUSION; DYNAMIC PROGRAMMING; IMAGE PROCESSING; INTERPOLATION; MONTE CARLO METHOD; PATHOLOGY; PERFUSED TISSUES; RESPIRATION; SENSITIVITY ANALYSIS; TUMOR CELLS
- Descriptors DEC
- ANIMAL CELLS; ANIMAL TISSUES; BODY; CALCULATION METHODS; DIAGNOSTIC TECHNIQUES; EQUATIONS; MATHEMATICAL LOGIC; MATHEMATICAL SOLUTIONS; NUMERICAL SOLUTION; PROCESSING; TOMOGRAPHY
Optional Information
- Notes
- [230 refs.]; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses