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Imagerie Quantitative Simultanee TEP-IRM; Quantitative Simultaneous PET-MR Imaging

Sujet proposé par
Directeur de thèse:
Encadré par
Doctorant: Amal TISS
Unité de recherche UMR_S 678 LABORATOIRE D'IMAGERIE FONCTIONNELLE

Domaine: Sciences et technologies de l'information et de la communication

Projet

Projet :

Le but de ce projet de these est de developper et valider de nouvelles methodes quantitatives dans le cadre de l’imagerie simultanee TEP-IRM et de determiner la faisabilite de ces approches sur des animaux et patients atteints de maladies psychiatriques et/ou neurologiques.

Contexte :

Avec les developpements continus de la resolution des scanners TEP (3-4mm FWHM), les effets deleteres des mouvements du patient, volontaires et/ou involontaires, deviennent une source encore plus importante de degradation des images TEP, obtenues aussi bien lors d’etudes cliniques qu’en recherche. La technique du gating reduit effectivement les effets du mouvement, mais au prix d’un rapport signal sur bruit fortement reduit dans les images resultantes et d’une augmentation importante du volume des donnees. La restiction mechanique des mouvements du patient avec des systemes de blocage physique de la tete ou du corps aident a restreindre les effets du mouvement, mais des mouvements volontaires de l’ordre de 1-5mm subsistent malgre tout. Dans l’imagerie corps entier, les mouvements involontaires (physiologiques) sont encore plus importants, avec par exemple une amplitude du mouvement diaphragmatique et des organes sous-jacents pouvant aller jusqu'à ~2cm [1]. La respiration et le mouvement des organes sont des sources importantes de degradation de la qualite des images, causant des flous et artefacts supplementaires [2]. En effet, la resolution des images TEP abdominales est reduite jusqu'à 6-10mm [3], independemment de la resolution intrinseque du scanner. Cela influe directement sur la qualite diagnostique des images TEP reconstruites et de ce fait, des lesions hepatiques peuvent devenir indetectables. Meme lorsqu’elles sont detectees, ces lesions ont un SUV («Stantard Uptake Value ») bien en-dessous du SUV vrai, a cause de ce mouvement respiratoire [4,5].

L’imagerie simultanee TEP-IRM est une nouvelle et prometteuse modalite qui suscite un grand interet dans la communaute medicale et offre a la communaute scientifique de nombreuses perspectives de recherche. A la difference de l’imagerie sequentielle TEP-CT, l’acquisition simultanee des donnees IRM et TEP offre la possibilite d’incorporer des informations aussi bien anatomiques, fonctionnelles ou de mouvement provenant de l’IRM dans le modele de reconstruction des images TEP. L’hypothese sur laquelle se base ce projet de recherche etant que l’ajout de l’information additionnelle IRM dans le processus de reconstruction des images TEP entrainera une amelioration substantielle des images reconstruites notamment en termes de detection des lesions et d’estimation des concentrations locales d’activite.

Enjeux

Le but de ce projet de recherche est d’augmenter de facon importante la resolution spatiale, le rapport signal sur bruit et de ce fait, la qualite diagnostique des images TEP reconstruites, en utilisant l’information de mouvement temps reel fournie par l’acquisition simultanee d’images IRM grace au scanner corps entier TEP-IRM, dont le Massachusetts General Hospital a fait l’acquisition. En effet, l’information IRM serait introduite comme contrainte sur le processus de reconstruction TEP rendant l’image TEP plus quantitative. Des resultats preliminaires prometteurs obtenus grace a des acquisitions simultanes TEP-IRM sur phantomes cerebraux et corps entiers mimant la respiration humaine montrent une augmentation significative des valeurs du SUVmax et une reduction importante du bruit des images TEP reconstruites en incorporant l’information de mouvement determinee grace a des images IRM taggees acquises simultanement [6].

Ce projet de recherche aura pour but de developper un nouveau modele de reconstruction iterative TEP faisant usage de l’information de mouvement non rigide 3D fournie par l’imagerie IRM, aussi bien dans les cartes d’emission que de transmission. Les methodes developpees seront validees dans un premier temps sur des simulations realistes Monte-Carlo et leurs performances seront ensuite evaluees pour le diagnostic de petites lesions abdominales chez le lapin ainsi qu’en imagerie cerebrale de singes rhesus.

Ces nouvelles méthodes utilisant l’information IRM dans le processus de reconstruction TEP seront egalement utilisees pour analyser les images cérébrales TEP-IRM de patients ayant des troubles de la mémoire (Mild Cognitive Impairment ou MCI) ainsi que des patients psychiatriques depressifs (Major Depression Disorder). L’objectif de cette application est de caractériser de façon fiable l’intégrité des réseaux fonctionnels cérébraux chez ces patients.

Ouverture à l'international

Cette thèse sera encadrée par Georges El Fakhri (responsable du NMMI Division au MGH, Professeur de Radiology a Harvard Medical School, et membre de l’unité UMR-S 678 INSERM-UPMC) et Marie Odile Habert (MCU-PH, UPMC, co-responsable de l’équipe IMPARABL de l’unité UMR-S 678 INSERM-UPMC). Une partie majeure de la these s’effectuera a Harvard Medical School a Boston, USA. Le financement de la thèse est assuré sur la durée des 3 ans par un grant obtenu auprès du MGH/Harvard.

Remarques additionnelles

References bibliographiques:

1. Davies S, Hill A, Holmes R, Halliwell M, Jackson P. Ultrasound quantitation of respiratory organ motion in the upper abdomen. British journal of radiology. 1994;67(803):1096.

2. Lamare F, Carbayo M, Cresson T, et al. List-mode-based reconstruction for respiratory motion correction in PET using non-rigid body transformations. Physics in Medicine and Biology. 2007;52(17):5187-5204.

3. Daou D. Respiratory motion handling is mandatory to accomplish the high-resolution PET destiny. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 2008;35(11):1961-1970.

4. Nehmeh SA, Erdi YE, Ling CC, et al. Effect of respiratory gating on quantifying PET images of lung cancer. Journal of Nuclear Medicine. 2002;43(7):876-881.

5. Bundschuh R, Martínez-Möller A, Essler M, Nekolla S, Ziegler S, Schwaiger M. Local motion correction for lung tumours in PET/CT—first results. European Journal of Nuclear Medicine and Molecular Imaging. 2008;35(11):1981-1988.

6. B. Guerin, T. Reese et al. PET motion compensation in the lower abdomen using simultaneous tagged-MRI and PET imaging. Med. Phys. 38, 3025 (2011); doi:10.1118/1.3589136 (14 pages)

7. Chun S.Y., Reese T., Guerin B., Catana C., Zhu X., Alpert N., El Fakhri G. Tagged MR-based Motion Correction in Simultaneous PET-MR. J. Nucl. Med. 2012; 1284-1291 (Featured cover article).

8. Ouyang J., Li Q., El Fakhri G. MR-based Motion Correction for PET Imaging. Semin. Nucl. Med. 2012; 43: 60-67.