David Sarrut, Jean-Noël Badel, Adrien Halty, Ludovic Ferrer, Manuel Bardiès, Centre Léon Bérard [Lyon], Imagerie Tomographique et Radiothérapie, Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé (CREATIS), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de cancérologie de l'Ouest - Nantes (ICO Nantes), CRLCC Paul Papin-CRLCC René Gauducheau, Oncologie nucléaire (CRCINA - Département NOHMAD - Equipe 13), Centre de recherche de Cancérologie et d'Immunologie / Nantes - Angers (CRCINA), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université d'Angers (UA)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université d'Angers (UA)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Recherches en Cancérologie de Toulouse (CRCT), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé ( CREATIS ), Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon ( INSA Lyon ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Hospices Civils de Lyon ( HCL ) -Université Jean Monnet [Saint-Étienne] ( UJM ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Université Claude Bernard Lyon 1 ( UCBL ), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Institut National des Sciences Appliquées ( INSA ) -Hospices Civils de Lyon ( HCL ) -Université Jean Monnet [Saint-Étienne] ( UJM ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), Oncologie nucléaire ( CRCINA - Département NOHMAD - Equipe 13 ), Centre de recherche de Cancérologie et d'Immunologie / Nantes - Angers ( CRCINA ), Université d'Angers ( UA ) -Université de Nantes ( UN ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut de Recherche en Santé de l'Université de Nantes ( IRS-UN ) -Centre hospitalier universitaire de Nantes ( CHU Nantes ) -Université d'Angers ( UA ) -Université de Nantes ( UN ) -Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ) -Institut de Recherche en Santé de l'Université de Nantes ( IRS-UN ) -Centre hospitalier universitaire de Nantes ( CHU Nantes ), Département de Physique Médicale [Saint-Herblain], Centre René Gauducheau - ICO, institut de Cancerologie de l'Ouest, Centre de Recherche en Cancérologie de Toulouse ( CRCT ), Université Toulouse III - Paul Sabatier ( UPS ), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale ( INSERM ) -Centre National de la Recherche Scientifique ( CNRS ), SIRIC LYric Grant INCa-DGOS-4664., ANR-11-IDEX-0007-02/11-LABX-0063,PRIMES,Physique, Radiobiologie, Imagerie Médicale et Simulation ( 2011 ), ANR-14-CE23-0008,t-GATE,t-GATE: une plateforme de simulation numérique intégrée pour les modélisations en théranostique ( 2014 ), Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Hospices Civils de Lyon (HCL)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Institut de Cancérologie de l'Ouest [Angers/Nantes] (UNICANCER/ICO), UNICANCER, Nuclear Oncology (CRCINA-ÉQUIPE 13), Centre de Recherche en Cancérologie et Immunologie Nantes-Angers (CRCINA), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université d'Angers (UA)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Université de Nantes - UFR de Médecine et des Techniques Médicales (UFR MEDECINE), Université de Nantes (UN)-Université de Nantes (UN)-Centre hospitalier universitaire de Nantes (CHU Nantes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université d'Angers (UA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), and Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)
International audience; Purpose: Estimating the biodistribution and the pharmacokinetics from time-sequence SPECT images on a per-voxel basis is useful for studying activity nonuniformity or computing absorbed dose distributions by convolution of voxel kernels or Monte-Carlo radiation transport. Current approaches are either region-based, thus assuming uniform activity within the region, or voxel-based but using the same fitting model for all voxels. Methods: We propose a voxel-based multimodel fitting method (VoMM) that estimates a fitting function for each voxel by automatically selecting the most appropriate model among a predetermined set with Akaike criteria. This approach can be used to compute the time integrated activity (TIA) for all voxels in the image. To control fitting optimization that may fail due to excessive image noise, an approximated version based on trapezoid integration, named restricted method, is also studied. From this comparison, the number of failed fittings within images was estimated and analyzed. Numerical experiments were used to quantify uncertainties and feasibility was demonstrated with real patient data. Results: Regarding numerical experiments, root mean square errors of TIA obtained with VoMM were similar to those obtained with bi-exponential fitting functions, and were lower (< 5% vs. > 10%) than with single model approaches that consider the same fitting function for all voxels. Failure rates were lower with VoMM and restricted approaches than with single-model methods. On real clinical data, VoMM was able to fit 90% of the voxels and led to less failed fits than single-model approaches. On regions of interest (ROI) analysis, the difference between ROI-based and voxel-based TIA estimations was low, less than 4%. However, the computation of the mean residence time exhibited larger differences, up to 25%. Conclusions: The proposed voxel-based multimodel fitting method, VoMM, is feasible on patient data. VoMM leads organ-based TIA estimations similar to conventional ROI-based method. However , for pharmacokinetics analysis, studies of spatial heterogeneity or voxel-based absorbed dose assessment, VoMM could be used preferentially as it prevents model overfitting.