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Résumé en anglais non disponible; La prise en charge des cancers bronchiques localisés et localement avancés reste un challenge thérapeutique en cas de traitement par radiothérapie ou radio-chimiothérapie avec des taux d’échec importants. Il a été démontré que la Tomographie par Emission de Positons (TEP) au FDG était indispensable dans la stadification et la planification de la radiothérapie des cancers bronchiques non à petites cellules. De nombreux travaux ont proposé d’adapter le traitement de radiothérapie aux données de la TEP du métabolisme (FDG) mais également à partir de la TEP de l’hypoxie. Nous avons au cours des dernières années essayé de définir les différentes stratégies d’adaptation de la radiothérapie à partie des données de l’imagerie fonctionnelle. Dans le premier travail (travail 1), nous avons analysé les différentes méthodes de segmentation de traceurs à faible contraste pour obtenir des méthodes reproductibles et utilisables au cours d’essais thérapeutiques multicentriques. Ce travail a permis de définir une méthode de segmentation pour le FMISO (traceur de l’hypoxie) mais également pour la FLT qui permet de définir la prolifération. Le second travail (travail 2a et 2b) est le résultat de l’étude multicentrique d’augmentation de dose de radiothérapie à partir des données de la TEP FMISO. Dans ce travail, nous avons proposé de réaliser un boost de radiothérapie chez les patients présentant des tumeurs hypoxiques. Il a été démontré qu’une augmentation modérée de la dose de radiothérapie permettait d’obtenir le même contrôle local à 3 mois pour des tumeurs pourtant plus volumineuses et une tendance à un contrôle supérieur à 3 ans chez les patients ayant pu bénéficié d’un boost par rapport à ceux traités à 66Gy (26.5 mois versus 15.3 mois). Les travaux suivants (travaux 3 et 4) s’intéressent à l’hétérogénéité de fixation de la TEP-FDG et aux méthodes de segmentation de ce traceur en per-radiothérapie. Ces données permettent d’envisager des doses de radiothérapie hétérogènes avec des augmentations ciblées sur les volumes les plus hypermétaboliques en pré-traitement ou sur les volumes pour lesquels il persiste une fixation pathologique en cours de traitement. Les travaux 5 et 6 s’intéressent aux corrélations entre les zones les plus hypermétaboliques (FDG) et les zones hypoxiques (FMISO). Dans un premier temps, nous mettons en évidence le manque de corrélation entre ces 2 traceurs puis dans un second temps l’impact dosimétrique des différentes stratégies de radiothérapie adaptative basée sur la TEP du métabolisme ou de l’hypoxie. Dans le dernier travail (travail 7), nous avons comparé les résultats de deux traceurs de l’hypoxie chez des patients traités par chirurgie pour un cancer bronchique ; ces données ont été comparées aux données d’immunohistochimie pour permettre une meilleure connaissance des traceurs de l’hypoxie. L’ensemble de ces travaux doit permettre une meilleure identification des stratégies de radiothérapie adaptative basée sur l’imagerie fonctionnelle par TEP du métabolisme ou de l’hypoxie.

Résumé en anglais non disponible, La prise en charge des cancers bronchiques localisés et localement avancés reste un challenge thérapeutique en cas de traitement par radiothérapie ou radio-chimiothérapie avec des taux d’échec importants. Il a été démontré que la Tomographie par Emission de Positons (TEP) au FDG était indispensable dans la stadification et la planification de la radiothérapie des cancers bronchiques non à petites cellules. De nombreux travaux ont proposé d’adapter le traitement de radiothérapie aux données de la TEP du métabolisme (FDG) mais également à partir de la TEP de l’hypoxie. Nous avons au cours des dernières années essayé de définir les différentes stratégies d’adaptation de la radiothérapie à partie des données de l’imagerie fonctionnelle. Dans le premier travail (travail 1), nous avons analysé les différentes méthodes de segmentation de traceurs à faible contraste pour obtenir des méthodes reproductibles et utilisables au cours d’essais thérapeutiques multicentriques. Ce travail a permis de définir une méthode de segmentation pour le FMISO (traceur de l’hypoxie) mais également pour la FLT qui permet de définir la prolifération. Le second travail (travail 2a et 2b) est le résultat de l’étude multicentrique d’augmentation de dose de radiothérapie à partir des données de la TEP FMISO. Dans ce travail, nous avons proposé de réaliser un boost de radiothérapie chez les patients présentant des tumeurs hypoxiques. Il a été démontré qu’une augmentation modérée de la dose de radiothérapie permettait d’obtenir le même contrôle local à 3 mois pour des tumeurs pourtant plus volumineuses et une tendance à un contrôle supérieur à 3 ans chez les patients ayant pu bénéficié d’un boost par rapport à ceux traités à 66Gy (26.5 mois versus 15.3 mois). Les travaux suivants (travaux 3 et 4) s’intéressent à l’hétérogénéité de fixation de la TEP-FDG et aux méthodes de segmentation de ce traceur en per-radiothérapie. Ces données permettent d’envisager des doses de radiothérapie hétérogènes avec des augmentations ciblées sur les volumes les plus hypermétaboliques en pré-traitement ou sur les volumes pour lesquels il persiste une fixation pathologique en cours de traitement. Les travaux 5 et 6 s’intéressent aux corrélations entre les zones les plus hypermétaboliques (FDG) et les zones hypoxiques (FMISO). Dans un premier temps, nous mettons en évidence le manque de corrélation entre ces 2 traceurs puis dans un second temps l’impact dosimétrique des différentes stratégies de radiothérapie adaptative basée sur la TEP du métabolisme ou de l’hypoxie. Dans le dernier travail (travail 7), nous avons comparé les résultats de deux traceurs de l’hypoxie chez des patients traités par chirurgie pour un cancer bronchique ; ces données ont été comparées aux données d’immunohistochimie pour permettre une meilleure connaissance des traceurs de l’hypoxie. L’ensemble de ces travaux doit permettre une meilleure identification des stratégies de radiothérapie adaptative basée sur l’imagerie fonctionnelle par TEP du métabolisme ou de l’hypoxie.

This thesis is a part of the development of more personalized and preventive medicine, for which a fusion of multi modal information and diverse representations of the same modality is needed in order to get accurate and reliable quantification of medical images in oncology. In this study we present two applications for image processing analysis: PET denoising and multimodal PET/CT tumor segmentation. The PET filtering approach called "WCD" take benefit from the complementary features of the wavelet and Curvelets transforms in order to better represent isotropic and anisotropic structures in PET images. This algorithm allows the reduction of the noise while minimizing the loss of useful information in PET images. The PET/CT tumor segmentation application is performed through a Markov model as a probabilistic quadtree graph namely a Hidden Markov Tree (HMT).Our motivation for using such a model is to provide fast computation, improved robustness and an effective interpretational framework for image analysis on oncology. Thanks to two efficient aspects (multi observation and multi resolution), when dealing with Hidden Markov Tree (HMT), we exploit joint statistical dependencies between hidden states to handle the whole data stack. This model called "WCHMT" take advantage of the high resolution of the anatomic imaging (CT) and the high contrast of the functional imaging (PET). The denoising approach led to the best trade-off between denoising quality and structure preservation with the least quantitative bias in absolute intensity recovery. PET/CT segmentation's results performed with WCHMT method has proven a reliable segmentation when providing high Dice Similarity Coeffcient (DSC) with the best trade-off between sensitivity (SE) and positive predictive value (PPV).; Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement d’une médecine davantage personnalisée et préventive, pour laquelle la fusion d’informations multi modale et de différentes représentations d'une même modalité sont nécessaires afin d'aboutir à une quantification fiable des images médicales en oncologie. Dans cette étude nous présentons deux applications de traitement et d'analyse des images médicales: le débruitage des images TEP et la détermination des volumes anatomo-fonctionnels des tumeurs en imagerie multi modale TEP/TDM. Pour le débruitage des images TEP, nous avons mis en place une approche intitulée "WCD" permettant de bénéficier des caractéristiques complémentaires de la transformée en ondelettes et la transformée en Curvelets afin de mieux représenter les structures isotropiques et anisotropiques dans ces images, ce qui permet de réduire le bruit tout en minimisant les pertes d'informations utiles dans les images TEP. En ce qui concerne la deuxième application, nous avons proposé une méthode de segmentationTEP/TDM intitulée "WCHMT" permettant d'exploiter la spécificité des arbres de Markov caché de prendre en compte les dépendances statistiques entre l’ensemble des données. Ce modèle permet de gérer simultanément les propriétés complémentaires de l’imagerie fonctionnelle et l’imagerie morphologique dans un cadre unifié où les données sont représentées dans le domaine des Contourlets. Le débruitage en TEP a abouti à une hausse significative du rapport signal sur-bruit (SNR) en garantissant la moindre variation de l'intensité et du contraste local. Quant à la segmentation multimodale TEP/TDM, elle a démontré une bonne précision lors de la détermination du volume tumoral en terme du coefficient de Dice (DSC) avec le meilleur compromis entre la sensibilité (SE) et la valeur prédictive positive (PPV) par rapport à la vérité terrain.

This thesis is a part of the development of more personalized and preventive medicine, for which a fusion of multi modal information and diverse representations of the same modality is needed in order to get accurate and reliable quantification of medical images in oncology. In this study we present two applications for image processing analysis: PET denoising and multimodal PET/CT tumor segmentation. The PET filtering approach called "WCD" take benefit from the complementary features of the wavelet and Curvelets transforms in order to better represent isotropic and anisotropic structures in PET images. This algorithm allows the reduction of the noise while minimizing the loss of useful information in PET images. The PET/CT tumor segmentation application is performed through a Markov model as a probabilistic quadtree graph namely a Hidden Markov Tree (HMT).Our motivation for using such a model is to provide fast computation, improved robustness and an effective interpretational framework for image analysis on oncology. Thanks to two efficient aspects (multi observation and multi resolution), when dealing with Hidden Markov Tree (HMT), we exploit joint statistical dependencies between hidden states to handle the whole data stack. This model called "WCHMT" take advantage of the high resolution of the anatomic imaging (CT) and the high contrast of the functional imaging (PET). The denoising approach led to the best trade-off between denoising quality and structure preservation with the least quantitative bias in absolute intensity recovery. PET/CT segmentation's results performed with WCHMT method has proven a reliable segmentation when providing high Dice Similarity Coeffcient (DSC) with the best trade-off between sensitivity (SE) and positive predictive value (PPV)., Ce travail s’inscrit dans le cadre du développement d’une médecine davantage personnalisée et préventive, pour laquelle la fusion d’informations multi modale et de différentes représentations d'une même modalité sont nécessaires afin d'aboutir à une quantification fiable des images médicales en oncologie. Dans cette étude nous présentons deux applications de traitement et d'analyse des images médicales: le débruitage des images TEP et la détermination des volumes anatomo-fonctionnels des tumeurs en imagerie multi modale TEP/TDM. Pour le débruitage des images TEP, nous avons mis en place une approche intitulée "WCD" permettant de bénéficier des caractéristiques complémentaires de la transformée en ondelettes et la transformée en Curvelets afin de mieux représenter les structures isotropiques et anisotropiques dans ces images, ce qui permet de réduire le bruit tout en minimisant les pertes d'informations utiles dans les images TEP. En ce qui concerne la deuxième application, nous avons proposé une méthode de segmentationTEP/TDM intitulée "WCHMT" permettant d'exploiter la spécificité des arbres de Markov caché de prendre en compte les dépendances statistiques entre l’ensemble des données. Ce modèle permet de gérer simultanément les propriétés complémentaires de l’imagerie fonctionnelle et l’imagerie morphologique dans un cadre unifié où les données sont représentées dans le domaine des Contourlets. Le débruitage en TEP a abouti à une hausse significative du rapport signal sur-bruit (SNR) en garantissant la moindre variation de l'intensité et du contraste local. Quant à la segmentation multimodale TEP/TDM, elle a démontré une bonne précision lors de la détermination du volume tumoral en terme du coefficient de Dice (DSC) avec le meilleur compromis entre la sensibilité (SE) et la valeur prédictive positive (PPV) par rapport à la vérité terrain.

International audience; OBJECTIVE:To establish 18 fluorocholine-positron emission tomography/computed tomography (F-PET/CT) performances for the detection of local recurrence in a population of patients with biochemical failure after primary curative treatment for localized prostate carcinoma.MATERIAL AND METHOD:From February 2011 to February 2014, 55 patients underwent a F-PET/CT for biochemical relapse after primary radical therapy for prostate cancer localized or locally advanced. Primary therapies for prostate cancer were 19 radical prostatectomy, 18 radiotherapy, 13 radiotherapy with hormonal treatment, 3 brachytherapy. The median age was 65 years (50-79). The initial staging was 17 T1, 23 T2 and 15 T3, 52 were N0 and N1 3. The median PSA was 12 (3-127). The Gleason score was less than 7, equal to 7 and greater than 7 at 21, 25 and 9 patients respectively. The average time to recurrence was 69.5 months (8-147) with a median PSA of 2.9 ng/mL (0.48-41).RESULTS:In 42 cases, F-PET/CT showed uptake, suggesting a recurrence, metastatic (6), nodal (26) or local isolated (10). The focal uptake in PET commissioned in 5 cases prostate biopsy, confirming the histological recurrence of prostate cancer in 4 cases. Among the 10 patients with isolated local recurrence, 8 underwent salvage radiotherapy. Of the 13 cases where the (F-PET/CT) showed no recurrence, 7 multiparametric MRI were performed. The MRI showed a local recurrence in 3 patients, the diagnoses were confirmed with prostate biopsy for two of them.CONCLUSION:In our study, for the patients with biochemical relapse of prostate adenocarcinoma localized or locally advanced, (F-PET/CT) was able to detect local recurrence isolated in nearly half the cases but did not show sufficient sensitivity to exclude recurrence local if negative. It does not replace MRI or additional prostate biopsy.

International audience; ObjectifsLa tomographie par émission de positons (TEP) à la 16α-[18F]fluoro-17β-œstradiol ([18F]FES) permet d’évaluer in vivo la densité tissulaire en récepteurs aux œstrogènes (RE). Cet article rapporte les premiers cas dans le diagnostic de l’endométriose.Patientes et méthodesDans le cadre de la mise en place du PHRC ENDOTEP, quatre patientes présentant des signes cliniques et morphologiques (échographie pelvienne ± IRM) suspects d’endométriose ont bénéficié d’une TEP-[18F]FES avant cœlioscopie (analyse macroscopique et analyse histologique et immunohistochimique de l’expression en RE des lésions prélevées).RésultatsChez les quatre patientes, le diagnostic d’endométriose a été retenu macroscopiquement et après analyse histologique d’au moins une lésion. Aucune captation de [18F]FES par les lésions d’endométriose n’a été observée chez les trois premières patientes sous traitement œstroprogestatif. La quatrième patiente non traitée et en première partie de cycle menstruel lors de la réalisation de la TEP-[18F]FES présentait en revanche une hyperfixation d’une lésion d’endométriose confirmée en cœlioscopie.ConclusionNous rapportons le premier cas de fixation de [18F]FES par une lésion d’endométriose. À travers le projet ENDOTEP, les performances de la TEP-[18F]FES pour le diagnostic d’endométriose seront évaluées chez des patientes ne recevant pas de traitement hormonal.; ObjectifsLa tomographie par émission de positons (TEP) à la 16α-[18F]fluoro-17β-œstradiol ([18F]FES) permet d’évaluer in vivo la densité tissulaire en récepteurs aux œstrogènes (RE). Cet article rapporte les premiers cas dans le diagnostic de l’endométriose.Patientes et méthodesDans le cadre de la mise en place du PHRC ENDOTEP, quatre patientes présentant des signes cliniques et morphologiques (échographie pelvienne ± IRM) suspects d’endométriose ont bénéficié d’une TEP-[18F]FES avant cœlioscopie (analyse macroscopique et analyse histologique et immunohistochimique de l’expression en RE des lésions prélevées).RésultatsChez les quatre patientes, le diagnostic d’endométriose a été retenu macroscopiquement et après analyse histologique d’au moins une lésion. Aucune captation de [18F]FES par les lésions d’endométriose n’a été observée chez les trois premières patientes sous traitement œstroprogestatif. La quatrième patiente non traitée et en première partie de cycle menstruel lors de la réalisation de la TEP-[18F]FES présentait en revanche une hyperfixation d’une lésion d’endométriose confirmée en cœlioscopie.ConclusionNous rapportons le premier cas de fixation de [18F]FES par une lésion d’endométriose. À travers le projet ENDOTEP, les performances de la TEP-[18F]FES pour le diagnostic d’endométriose seront évaluées chez des patientes ne recevant pas de traitement hormonal.

Radiation protection for innovative diagnostic and therapeutic approaches in nuclear medicine A real technological revolution has deeply modified the field of application and perspectives of nuclear medicine, and nuclear oncology in particular, during the past 5 years. Diagnostic applications such as positron emission tomography (PET) with 18F-fluorodeoxyglucose (FDG) have had a significant impact on the diagnostic strategy adopted by medical oncologists, with the addition of invaluable functional data to already available anatomical data provided by conventional imaging modalities. Numerous other 18F-labeled tracers currently under clinical evaluation have been developed to study various tumor functions (tumor proliferation, hypoxia, chemotherapy-induced apoptosis, etc.). These tracers may have a considerable impact on therapeutic strategies. Other positron-emitting radionuclides, such as copper-64, iodine-124, and yttrium-86 (whose respective half-lives are 12.7 hours, 4.2 days, and 14.7 hours) will soon be available for certain clinical indications, such as immuno-PET (with monoclonal antibodies or antibody fragments used as carriers) or pretreatment dosimetry, which cannot be performed with fluorine-18 due its short half-life. As far as therapeutic applications are concerned, the use of internal radiotherapy, which has been restricted to thyroid cancer for a long time, was recently extended to other cancers as new carriers, such as monoclonal antibodies (radioimmunotherapy) or peptides (radiopeptide therapy), new targeting methods (pretargeting), and new radionuclides, especially alpha particle emitters (alpha therapy), became available. These technological advances require that specific radiation safety regulations be implemented to protect nuclear medicine personnel, patients' close relatives, and the environment. Most current regulations concern diagnostic applications with technetium-99m and therapeutic applications with iodine-131. Regulations pertaining to the clinical use of 18F-FDG were recently enacted (2001). Regarding exposure nuclear medicine personnel, the amount of radioactivity used for therapeutic purposes is currently limited to 740 MBq, which requires that the patient be kept in a shielded room. Radiation exposure can be roughly estimated by measuring the exposure rate (in μSv/h) delivered at a distance of 1 meter from a source of one MBq. When considering both the exposure rate and half-life, it appears that similar doses of iron-52, yttrium-86, and iodine-124 deliver a high dose rate immediately after injection and during the following few hours. Current regulations on environmental exposure limit radioactivity levels in hospital sewage outfalls to 1000 Bq/L, for technetium 99m, and 100 Bq/L, for iodine-131. Forthcoming regulations for other radionuclides should not be established solely based on general rules such as the 100 Bq/L limit. Impact studies similar to those required in the nuclear industry, should be conducted. © 2006 EDP Sciences.; Une véritable révolution technologique a, au cours des 5 dernières années, profondément modifié le périmètre d’application et les perspectives de la médecine nucléaire, en particulier de la cancérologie nucléaire. Dans le cadre des applications diagnostiques, la tomographie par émission de positons (TEP) avec le 18F-fluoro déoxyglucose (FDG) a eu un impact déterminant sur la stratégie diagnostique des oncologues en ajoutant des informations fonctionnelles très précieuses aux informations morphologiques de l’imagerie conventionnelle. De nombreux autres traceurs fluorés, en cours d’évaluation clinique, sont destinés à étudier des fonctions tumorales diverses (prolifération tumorale, hypoxie, apoptose chimioinduite, etc.) pouvant avoir des répercussions thérapeutiques importantes. D’autres émetteurs de positons seront disponibles à terme, comme le 64Cu (période de 12 heures), le 124I (période de 4,1 jours) et le 86Y (période de 15 heures) dans des indications comme l’immuno-TEP ou la dosimétrie pré-thérapeutique qui ne peuvent être développées avec le 18F du fait de sa période trop courte. Dans le cadre des applications thérapeutiques, la radiothérapie interne, longtemps limitée au cancer thyroïdien différencié, s’est étendue à beaucoup d’autres types de cancers du fait de la disponibilité de nouveaux vecteurs de radionucléides comme les anticorps monoclonaux (radioimmunothérapie) ou des peptides (radiopeptide-thérapie), de nouvelles méthodes de ciblage tumoral et de nouveaux radionucléides, en particulier des émetteurs de particules alpha (alpha-thérapie). Toutes ces évolutions technologiques ont bien sûr une implication en radioprotection en ce qui concerne l’exposition du personnel de médecine nucléaire, de l’entourage familial proche et plus généralement de l’environnement. Actuellement l’essentiel des dispositions règlementaires s’applique au 99mTc pour les applications diagnostiques et au 131I en thérapie, elles ont été étendues en 2001 au 18F dans le cadre des contraintes de radioprotection liées à l’utilisation de FDG. Concernant l’exposition de l’entourage proche du malade, la règlementation est actuellement limitée au seuil d’activité de 740 MBq de 131I qui impose un confinement hospitalier du malade. Une indication indirecte de cette exposition peut être donnée par le débit d’exposition (en µSv/h) à 1 mètre pour une source de 1 MBq. Si on prend en compte la valeur du débit et la période physique, il apparaît, qu’à activité identique, le 52Fe, le 86Y et le 124I sont des radionucléides émetteurs de positons qui présentent un débit élevé à la sortie du service et pendant les heures qui suivent l’injection. Concernant l’exposition de l’environnement, la règlementation actuelle impose une concentration radioactive, à l’émissaire de l’établissement, de 1000 Bq/L pour le 99mTc et de 100 Bq/L pour le 131I. Pour les nouveaux radionucléides, d’autres hypothèses que celle d’une concentration permanente de 100 Bq/L doivent être retenues et des études d’impact, similaires à celles pratiquées dans le domaine du nucléaire devraient être effectuées.