SOUTENANCE DE THESE
7/01/2015
DROMAIN-MARECHAL Clarisse 7/01/15 IEF à 13h30

SUJET : Optimisation de l’angiomammographie et de l’angiotomosynthèse double-énergie
Thèse préparée au laboratoire : IR4M

Sous la direction de M : Serge Muller son directeur de recherches.
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)
• Jacques BITTOUN
• Luc CEUGNART
• Isabelle THOMASSIN
• Francis VERDUN
 

RESUME

Contexte : Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent et la première cause de mortalité par cancer dans la population féminine. L’imagerie tient une place essentielle pour le dépistage, le diagnostic, le bilan d’extension et la surveillance, mais aussi le guidage des procédures interventionnelles telles que les biopsies mammaires. La mammographie est actuellement la technique d’imagerie de référence pour le dépistage et le diagnostic. Elle présente cependant des limites, en particulier dans les seins de densité élevée. L’évolution de la mammographie analogique vers la mammographie numérique plein champ a récemment permis de développer de nouvelles techniques d’imagerie. La tomosynthèse mammaire est une de ces nouvelles techniques permettant une imagerie tridimensionnelle en coupe de la glande mammaire. Elle réduit la superposition des tissus et améliore la détection et la caractérisation des lésions. Cependant la tomosynthèse reste, comme la mammographie, un examen basé sur l’étude morphologique des tissus. L’angiomammographie double-énergie est un autre développement récent de la mammographie couplant une imagerie du sein par rayons X et l’utilisation de produits de contraste iodés intraveineux. Elle permet d’obtenir à la fois des informations morphologiques similaires à la mammographie et des images fonctionnelles de perfusion tumorale.
Objectifs : L’objectif de cette thèse a été de d’optimiser les protocoles d’acquisition des examens d’angiomammographie double-énergie, d’étudier la faisabilité de l’angiotomosynthèse pour la détection et la caractérisation des tumeurs mammaires, et d’étudier la faisabilité des biopsies stéréotaxiques sous guidage de l’angiomammographie. Nos études ont été réalisées grâce à des simulations numériques et validées par des mesures expérimentales ou des lectures humaines d’images de fantômes anthropomorphiques du sein et de différents modèles tumoraux.
Méthodes : Dans un premier temps, une étude d’optimisation des paramètres d’acquisition de l’angiomammographie a été réalisée dans 4 situations cliniques pour lesquelles la qualité diagnostique requise des images de basse énergie et la dose totale délivrée à la patiente ne sont pas identiques. L’optimisation des paramètres d'exposition (anode/filtre, kVp, mAs) des images de basse énergie (BE) et haute énergie (HE), pour différents niveaux de dose glandulaire moyenne et différents rapports entre la dose de l’image de basse énergie et la dose totale, a été réalisée à partir d’une modélisation théorique de la chaîne d’acquisition de l'image mammographique. Une validation de ces optimisations a ensuite été effectuée grâce à des mesures expérimentales sur des images de fantôme contenant des inserts d’iode. Puis nous avons étudié la technique d’angiotomosynthèse mammaire basée sur une approche double-énergie. Nous avons évalué des métriques de qualité image sur des images simulées d’inserts d’iode dans un fantôme uniforme en utilisant des paramètres d’acquisition optimisés d’angiotomosynthèse et d’angiomammographie. Un nouveau fantôme anthropomorphique numérique du sein et de ses lésions, basé sur l’utilisation de primitives géométriques complexes et d’une technique de maillage surfacique, a été amélioré et utilisé pour évaluer, d’une part, les performances de l’angiomammographie et, d’autre part, de l’angiotomosynthèse en comparaison à l’angiomammographie. Enfin, nous avons proposé un scénario pour la réalisation d’un examen de stéréotaxie avec injection d’un agent de contraste iodé. Après identification des contraintes techniques, nous avons étudié la faisabilité de recombinaison d’image de haute et de basse énergie acquises à des temps différents de l’injection à partir de simulations d’un fantôme géométrique simple puis d’un fantôme texturé avec et sans bouger.
Résultats : Les optima des paramètres d’exposition trouvés par simulation pour les quatre indications cliniques identifiées, avec les valeurs de SDNRpixel et SDNR2pixel /Dosetotale qui en résultent, ont été confirmés par l'acquisition expérimentale d‘images sur fantôme. Nos résultats indiquent que les valeurs de SDNR par pixel dans les images recombinées sont augmentées pour toutes les indications cliniques en comparaison à celle obtenues avec SenoBright ® (produit commercial d’angiomammographie pris comme base de référence). La concentration minimale détectable était plus faible pour chacun des protocoles optimisés en comparaison à SenoBright®. Ce résultat suggère la possibilité, par l’optimisation des paramètres d’acquisition, de détecter des prises de contraste moins intenses et plus subtiles, et ainsi de diminuer le nombre de faux négatifs des examens d’angiomammographie en pratique clinique. L'impact sur la qualité de l’image de basse énergie, d'une nouvelle répartition de la dose entre l’image BE et le couple d’images BE+HE, évalué par des expérimentations sur fantôme CDMAM, a montré que les paramètres optimisés fournissent une détection similaire ou acceptable par rapport à la mammographie standard, à l’exception de l'indication de dépistage lorsque l’on considère les objets de très petits diamètres.
L’étude de lecture humaine d’images simulées d’un fantôme anthropomorphique du sein incluant le rehaussement glandulaire physiologique et différents modèle tumoraux n’a pas montré d’augmentation significative de sensibilité de détection en utilisant des acquisition 3D d’angiotomosynthèse comparativement aux acquisitions 2D d’angiomammographie. Les deux paramètres qui influençaient le plus la sensibilité de détection et l’évaluation de la taille lésionnelle était la concentration en iode des tumeurs et la densité du sein. L’angiomammographie était par ailleurs significativement plus spécifique que l’angiotomosynthèse. Une des hypothèses permettant d’expliquer ses résultats est le bruit qui apparait plus élevé sur les images simulées d’angiotomosynthèse comparativement aux images d’angiomammographie. Une perspective d’amélioration pour l’angiotomosynthèse pourrait donc être l’utilisation d’algorithmes de reconstruction 3D spécifiques de cette modalité qui minimiseraient le bruit de reconstruction.
Le scénario proposé pour la réalisation de biopsies sous guidage de l’angiomammographie, a mis en évidence deux contraintes techniques principales: la première est l’échauffement du tube à rayons X au cours de la séquence d’acquisition des images, la deuxième résulte du surcroit de dose dû à la répétition des paires d’acquisitions en haute et basse énergies. Une des solutions envisagées a été de limiter le nombre d’acquisitions de basse énergie, rendant nécessaire la recombinaison d’images de basse et haute énergie acquises à des temps d’injection différents. Notre étude a montré que la recombinaison d’une image HE avec une image BE acquise antérieurement modifiait le SDNR des lésions simulées comparativement à une recombinaison appariée d’images BE et HE acquises au même temps de l’injection. Ces modifications du SDNR dépendaient du temps du pic de rehaussement maximal et du washout de la lésion. Par ailleurs elles n’avaient qu’un impact modéré sur la détectabilité des lésions évaluée selon le critère de Rose.
Conclusions : Les études menées pendant cette thèse suggèrent qu’une optimisation des paramètres d’acquisition des examens d’angiomammographie, en fonction de son indication clinique, basée sur différents rapports entre la dose de l’image BE et la dose totale, permet d’espérer une augmentation de la sensibilité de détection des cancers du sein en angiomammographie en comparaison au protocole d’acquisition actuellement utilisé en routine clinique. Les comparaisons préliminaires réalisées entre l’angiomammographie et l’angiotomosynthèse suggèrent une performance diagnostique comparable.. Enfin, le guidage des biopsies sous angiomammographie est une technique réalisable. L’acquisition d’une paire d’image BE et HE, suivie d’images uniquement acquises en HE, pourrait être une solution envisageable pour limiter l’irradiation aux patients et l’échauffement du tube à rayons X.


SUMMARY

Background: Worldwide, breast cancer is the most common cancer and the leading cause of cancer death in women. Imaging plays a key role in screening, diagnostic, tumor staging and follow-up, as well as the guidance of interventional procedures such as needle breast biopsy. Mammography is currently the imaging technique of choice for screening and diagnosis. However, it has some limitations, especially in high-density breasts. The evolution from film screen to full field digital mammography has recently led to the development of new imaging techniques. Digital breast tomosynthesis (DBT) is one of them, allowing a 3D cross-sectional imaging of the mammary gland. DBT reduces the overlapping of tissue and improves the detection and characterization of breast lesions. However, similarly to the mammography, DBT remains an imaging technique providing morphological information of the breast parenchyma. Contrast-enhanced spectral mammography (CESM) is another recent development of mammography, coupling x-ray breast imaging to the intravenous injection of an iodinated contrast agent. It provides both morphological information, similar to mammography, and functional information of tumor perfusion.
Objectives: The purpose of this thesis was to optimize the exposure parameters of CESM examinations, to assess the feasibility of contrast-enhanced DBT (CE-DBT) for the detection and the characterization of breast tumors, and to assess CESM-guided stereotactic biopsies. Our studies were performed using simulations and validated by experimental measurements and human readings of anthropomorphic breast phantom images including various tumor models.
Methods: At first, we optimized the CESM exposure parameters in four different clinical applications for which different levels of average glandular dose and different low energy image quality are required. The optimization of exposure parameters (anode/filter, kVp, mAs) for low energy (LE) and high energy (HE) images at different levels of average glandular dose and different ratios between LE and total doses has been conducted using a simulator of the x-ray mammographic image chain. An experimental validation of the theoretically optimized spectra was then performed through phantom experiments. Secondly, we assessed the potential of CE-DBT based on a dual-energy approach. We evaluated image quality metrics on simulated images of a uniform phantom containing iodine inserts using optimized exposure parameters for CESM and CE-DBT. A new mesh-based anthropomorphic breast phantom was improved and used to evaluate the performance of CESM and then to compare CESM and CE-DBT. Finally, we evaluated the technical feasibility of CESM-guided biopsy. After identifying some technical constraints, we assessed the performance of the recombination of LE and HE images acquired at different times after injection, using simulated images of a geometric phantom with uniform texture, and simulated images of an anthropomorphic textured phantom with and without motion artifacts.
Results: For the four different clinical indications, optima found by simulation, with resulting SDNRpixel and SDNR2pixel/Dosetotal, were confirmed through real acquisition of images on phantoms. Our results indicate that the SDNR per pixel in recombined CESM images increased in all of the four clinical indications compared to recombined images obtained using SenoBright ®. As a result, the minimal detectable iodine concentration was lower for each optimized clinical indications compared to SenoBright® (CESM commercial product used as reference). This result suggests the possibility to detect more subtle contrast enhancements and to decrease the number of false negatives found in clinical CESM examinations. The impact of a new dose allocation between LE and HE exposures was also evaluated on LE image quality. Results from CDMAM phantom experiments indicate that optimized parameters provide similar or acceptable detection compared to standard mammography, except for screening indication when considering the very small diameter objects.
The human observer study on anthropomorphic phantom images, taking into account tumor and breast parenchyma enhancement, revealed that detection and characterization sensitivity of iodine-enhanced lesions are not statistically different between 2D CESM and 3D CE-DBT. The most influencing parameters for the detectability and the lesion size assessment were the lesion iodine concentration and the breast density. CESM was significantly more specific than CE-DBT. One of the assumptions to explain this result is the presence of higher noise in CE-DBT than in CESM images. A future improvement for CE-DBT could therefore be the design of a specific reconstruction algorithm minimizing reconstructed noise.
With respect to CESM-guided biopsy the proposed scenario pointed out two major constraints, one related to the thermal load of the x-ray tube, the second related to the increased dose due to the repetition of LE and HE images. One proposed solution was to limit the number of LE exposures, requiring the possibility to recombined LE and HE images acquired at different injection time points. Our study showed that the recombination of a HE image with a LE image acquired earlier leads to SDNR changes compared to paired recombination. These changes are function of the enhancement time to peak and the washout of the lesion, and had a limited impact on the lesion detectability.
Conclusion: Studies conducted during this PhD thesis suggest that the optimization of CESM exposure parameters based on clinical indication, with different ratios of LE/total dose, offers new expectations for the detectability of breast cancers in clinical routine CESM examinations. While preliminary comparisons between CESM and CE-DBT suggest comparable depiction and characterization performance, CE-DBT could be an interesting evolution of CESM. Finally, CESM-guided biopsy is a feasible technique. The acquisition of a couple of LE and HE images followed by only HE images could be an option to limit the radiation dose to patients and the thermal damage to the X-ray tube.