Sommaire introduction présentation du contexte et objectif du stage

3 Matériels et protocoles d’acquisition au CLB
3.1 Matériels
Le CLB dispose de 3 scanners :

-1 scanner dédié à la radiothérapie : un scanner Picker PQ2000 Philips à 1 barrette

-1 scanner dans le service de médecine nucléaire : le PET-SCAN Philips MX8000 comprenant 2 barrettes avec les configurations suivantes :





Axial 2 x 1mm – Spiralé 1 x 1.3 mm

Collimation nominale 2 mm

Axial 2 x 2.5 mm – Spiralé 1 x 3.2mm

Collimation nominale 5mm

Axial 2 x 5 mm – Spiralé 1 x 6.5 mm

Collimation nominale 10 mm

Fig 6 - Configurations possibles des barrettes du scanner MX8000 du PET-SCAN

-1 scanner dans le service de radiologie : un scanner Philips MX8000 à 4 barrettes

Fig 7 – Configurations possibles des barrettes du scanner MX8000 de radiodiagnostique


3.2 Marges et Protocoles actuels au CLB
3.2.1 Comparaison des protocoles de définition des marges en respiration libre et bloquée

Protocole	Respiration Libre	Respi 2000
Nb Scans	1 scan en respiration libre	3 scans à 1 même niveau de blocage : +0.2L du Volume Courant – Utilisation de l’Active Breath Control
GTV -> CTV	5 mm	5 mm
CTV -> ITV	CTV = ITV (GTV inclut déjà le mouvement)	ITV = fusion CTV des différents scanners -> affranchissement de l’erreur de repositionnement
PTV	5 (+5 en T/P)	5
Total	10 (+ 5 en T/P)	10 mm

Avec le protocole Respi 2000, 3 scans sont réalisés sur le patient en blocage respiratoire à un même niveau de blocage. 5mm de marges sont ajoutées au GTV pour constituer le CTV et l’ITV est déterminé par la fusion des 3 CTV des 3 scans. Pour obtenir le PTV on ajoute 5 mm.

En respiration libre on réalise un scan 3D flou. Le GTV contouré incorpore déjà les marges de mouvement car il inclut le flou de mouvement. Le PTV est déterminé en ajoutant au GTV environ 10mm + 5mm en Tête-Pied.
3.2.2 Comparaison des protocoles d’acquisition scan en respiration libre et avec blocage
En respiration libre on réalise :

* pour le diagnostique : 1 scan ultrafast pour avoir un flou de mouvement le plus faible possible

* pour la radiothérapie : 1 scan lent afin d’intégrer le mouvement des organes lors du traitement.

- Avec le scanner de Radiothérapie :

PROTOCOLES SCAN PQ 2000
	Respiration libre	Avec blocage
mode	axial	spiralé
épaisseur (mm)	5	5
kV	130	130
mA	65	150
tps rot (s)	4	1
pitch	/	1,5

- Avec le scanner de Médecine Nucléaire :

PROTOCOLES MX8000 – Dual ( 2 barrettes )
	Respiration libre	Avec blocage
mode	spiralé	spiralé
épaisseur (mm)	6,5	6,5
kV	120	120
mA	50	200
Tps rot (s)	2	0,5
pitch	0,5	1

- Avec le scanner de radiodiagnostique :

	PROTOCOLES MX8000 Quad (4 barrettes)
	Respiration libre	Avec blocage
mode	spiralé	spiralé
épaisseur (mm)	6,5	6,5
kV	120	120
mA	240	200
tps rot (s)	0,5	0,75
pitch	1,75	1,25

3.3 Mesures de Doses
Une acquisition 4D nécessite un scan plus long par rapport à une acquisition 3D en raison du suréchantillonnage. La dose reçue par le patient s’en trouve donc augmentée. Il est important de connaître cette augmentation si l’on souhaite par la suite appliquer un protocole « 4D » en clinique. Or le constructeur indique une valeur de CTDI en fonction des paramètres du protocole. Afin de savoir si l’on peut se fier à ces valeurs, on entreprend de réaliser 2 séries de mesures sur le scanner MX8000 Philips 4 barrettes.

On compare ainsi la correspondance entre les données constructeur, les données ImPACT (données sur internet) et les données réelles.

Les indices de dose utilisés en scannographie dérivent du CTDI (Computed Tomography Dose Index). Ils représentent la dose, pour une rotation complète du tube, normalisée à la largeur nominale de la coupe.

Ici, N représente le nombre de coupes simultanées pour une rotation complète du tube (cas des scanners multibarrettes), SW l’épaisseur nominale de coupe et D(z) le profil de dose suivant l’axe z.

Les mesures de CTDI s’effectuent à l’aide d’une chambre d’ionisation crayon de 10 cm. Cette chambre peut être positionnée dans l’air ou dans un fantôme cylindrique (au centre ou en périphérie) en plexiglas de 16 ou 32 cm de diamètre.

Pour nos mesures on utilise le fantôme corps de 32 cm de diamètre avec une chambre d’ionisation crayon étalonnée dans l’air. On a donc un facteur d’étalonnage relatif au kerma dans l’air : N_K.

On mesure respectivement l’indice de dose dans l’air pour une longueur d’intégration de 100mm : _airCTDI₁₀₀ et on en déduit l’indice de dose pondéré : CTDI_w déterminé par la relation :

On procède de la manière suivante :

• 
  Centrage de la chambre ou du fantôme par rapport aux lasers externes,
  

La chambre étant étalonnée en terme de Kerma dans l’air par produit de longueur on détermine le _airCTDI₁₀₀ à partir de la charge collectée en tenant compte :

• 
  Du coefficient d’étalonnage de la chambre : N_k = 8,778.10⁷ Gy.cm/C
  
• 
  Du facteur de conversion de Dose – Kerma. Ce coefficient est égal à 1 puisque les conditions d’équilibre électronique sont respectées.
  
• 
  Du facteur de correction de qualité de faisceau k_Q.
  
• 
  Du facteur de correction de Température et de Pression C_T,P
  

Par conséquent :

M représente la lecture, en nC, de l’électromètre et SW la largeur nominale de coupe, en mm.
Pour la détermination du CTDI_w on mesure la charge collectée pour les 5 positions possibles de la chambre. Le CTDI_w s’exprimant en terme de dose dans le PMMA, il faut en plus tenir compte du facteur de passage de Dose dans l’air à Dose dans le PMMA :

Par conséquent :

On a : C_T,P=1.01

Pour une tension de 120kV, on a à peu près :

Protocole__CTDI_w_ImPACT__CTDI_air,100,__constructeur'>Protocole	CTDIw ImPACT	CTDIair,100, constructeur	kV	mAs/coupe	SW (mm).N	Pitch	Tps Rot(s)
	11,5 mGy	10,3mGy	120	150	4x2.5 mm	0,875	1

On obtient CTDI_{periphérie,100}= 12,8 mGy et CTDI_{centre,air,100}= 7,16 mGy et donc

C

Protocole	CTDI ImPACT	CTDIair,100 constructeur	kV	mAs/coupe	SW (mm).N	Pitch	Tps Rot (s)
	9,4 mGy	8,7 mGy	120	100	1*4 mm	1	0,5

TDI_air,100 de 10,9mGy

106 mGy



102mGy

57.5 mGy

105 mGy

97 mGy

On obtient CTDI_{periphérie,100}= 10,14 mGy et CTDI_{centre,air,100}= 5,69 mGy et donc

CTDI_air,100 de 8,65 mGy
Finalement la correspondance entre les mesures effectuées et les données constructeur est bonne ; elle l’est un peu moins avec les données ImPACT. On peut donc se référer aux données constructeurs.
Donc si l’on compare les valeurs de CTDI_vol,air,100 indiquées pour chaque protocole sur le site ImPACT on a :

Protocole

Scanner	Respiration libre	Blocage respiratoire
Picker- Radiothérapie	30,5mGy	17,6mGy
MX8000 – 2 barrettes	7,8mGy	7,8mGy
MX 8000 - Diagnostique	9,9mGy	10,6mGy

Le CTDI volumique représente la dose moyenne délivrée dans le volume. Il est égal au CTDI pondéré divisé par le pitch.

Si l’on compare les CTDI_air,100 donnés par les données constructeurs on a :

Protocole Scanner	Respiration libre	Blocage respiratoire
MX8000 – 2 barrettes	7,3 mGy	7,3 mGy
MX8000 – 4 barrettes	8,7 mGy	9,3 mGy

La dose reçue par le patient en respiration libre lors d’un scan dédié à la radiothérapie est plus élevée du fait d’un temps de rotation élevé par coupe et donc d’un temps d’examen plus long. Ceci est dû à la nécessité d’intégrer le mouvement respiratoire dans les images.

Les niveaux de référence de dose en TDM adulte sont de l’ordre de  : PDL = 650 mGy.cm

CTDI_w = 27mGy

4 Elaboration d’un protocole d’acquisition CT 4D au CLB
4.1 Matériel associé
4.1.1 Fantôme dynamique

Le fantôme dynamique est composé d’un plateau en polypropylène d’épaisseur 1.9cm ; il a été conçu spécialement pour nos essais (fig 8,9). Son mouvement est pseudo-sinusoïdal (à cause des frottements) et à 1 dimension dans le sens antéro-postérieur. L’amplitude est de 2 cm correspondant à l’amplitude maximale que peut atteindre les mouvements respiratoire et une période d’environ 4,3 à 4,5 secondes (13 à 14 tours par minute) proche également d’un cycle respiratoire.

Fig 8 – Fantôme dynamique Fig 9 – Fantôme dynamique avec plaque patient
4.1.2 Plaque Patient

Pour le suivi du mouvement respiratoire du patient, on propose de mettre en place une plaque en plexiglas (matériau peu radio-opaque) sur le thorax du patient : 2 points d’appui sur le thorax du patient (bas des mamelons), endroit restant fixe lors de la respiration et 1 au niveau du haut de l’abdomen, endroit particulièrement mobile lors d’une respiration abdominale.

Les points d’appui sont des ventouses d’électrocardiogramme.

L
Fig 10 – Plaque patient

a plaque est surélevée d’à peu près 5 cm, de longueur 26,5 cm, d’épaisseur 0,2 cm et un triangle en fil de cuivre est disposé sur celle-ci.

La hauteur de la plaque ou des fils de cuivre seront extraits des images pour représenter le signal respiratoire du patient ; cette méthode permet de nous affranchir d’un appareil respiratoire externe (ABC, spiromètre..)

4.1.3 Scanner
Le scanner sur lequel les essais ont été effectués est le scanner de médecine nucléaire : le PET-SCAN MX8000.
4.2 Méthode sur fantôme
4.2.1 Le protocole d’acquisition
La prise en compte du mouvement respiratoire peut se faire par 2 méthodes :

-méthode d’acquisition de flou de mouvement 3D

-méthode d’acquisition 4D
a – Protocole 4D

Une acquisition 4D représentant de manière la plus complète possible le mouvement respiratoire 3D du patient nécessite « d’imager » et donc d’irradier un endroit du patient pendant un cycle respiratoire (cf §2.2). Il faut cependant pouvoir le justifier cliniquement car la dose reçue par le patient se trouve alors augmentée ;

Pour la détermination d’un protocole 4D, on souhaite un compromis entre :

- une dose reçue par le patient la plus faible possible et restant dans les niveaux de référence (cf §3.3) ; pour cela on fait en sorte d’avoir des valeurs de CTDI constructeurs comparables entre les différents protocoles et inférieures à 27mGy (référence).

- une résolution temporelle inférieure ou égale à 5mm (c'est-à-dire au moins un cycle respiratoire sur 5 mm)

- une résolution spatiale la meilleure possible (peu ou pas de flou de mouvement(raits de chaque image pour ).

Le matériel ne nous permet pas d’effectuer automatiquement une série de scans alternant plusieurs rotations à un même endroit puis avancée de table.

On choisit alors un déplacement de table et un temps de rotation satisfaisant le mieux aux exigences d’une image 4D pour avoir la résolution temporelle et spatiale souhaitée :

- un déplacement de table le plus lent possible pour la résolution temporelle.

En mode hélicoïdal le déplacement de la table pour un tour de rotation de tube est déterminé par le pitch multiplié par la collimation nominale, on se place donc à une collimation et un pitch faible.

En mode axial le déplacement de table est fixé par l’incrément qui est au minimum égal à la collimation nominale. Là aussi on fixe une collimation faible.

- un temps de rotation de sorte à avoir un compromis entre un flou de mouvement minimum sur l’image ( temps de rotation bas) et une période spatiale du mouvement basse également (temps de rotation élevé) . En effet, plus le temps de rotation est bas, plus la distance parcourue par la table pendant un cycle respiratoire est grande. On aura donc des coupes correspondant à une même phase respiratoire espacées.

b – Protocole 3D Flou
Un scan 3D flou est réalisé respiratoire en acquérant une coupe pendant un cycle respiratoire : une coupe correspond à un cycle respiratoire. Pour cela il est nécessaire d’avoir un temps de rotation au moins égal à la période respiratoire.

Le mouvement est intégré dans le flou d’images et est donc pris en compte lors de la planimétrie puisque l’on inclut le flou de mouvement dans les contours.

4.2.2 Méthode d’extraction du mouvement et de tri
Afin de comparer les différents protocoles d’acquisition, on va extraire le mouvement (= signal respiratoire) du plateau à partir des images. Cette donnée va nous permettre de trier les coupes.
En utilisant le logiciel ImageJ on choisit une région d’intérêt commune à toutes les séries et englobant le déplacement antéro-postérieur complet du plateau (fig 11). On en extrait le centre de masse du plateau correspondant à chaque image.

Fig 11 – Choix de la ROI sur le fantôme

Le centre de masse représentant une valeur moyenne de la position verticale du plateau, on va pouvoir trier les images.

Le tri consiste à diviser la courbe représentant la hauteur du plateau en plusieurs bins et à récupérer toutes les images correspondant au même bin afin de procéder à une reconstruction volumique du fantôme à une position donnée. Un bin représente une zone de hauteur de plateau :

BIN 2

Fig 12 Exemple de mouvement du plateau divisé en 2 bins


BIN 1

Un programme trie automatiquement les coupes en fonction du signal : ce dernier est divisé de sorte à avoir un nombre d’images pour chaque bin identique. Chaque bin (intervalle de hauteur) pour le plateau a ainsi la même probabilité de présence au cours de l’acquisition.

Plutôt que de diviser l’amplitude du mouvement en n bins, on divise le nombre de coupes par n et on en déduit la largeur des bins à prendre. Cette méthode est plus appropriée dans le cas d’une respiration ou d’un mouvement d’amplitude irrégulière.
4.2.3 Méthode d’analyse : la résolution spatio-temporelle
a – Le flou de mouvement des images
Un des problèmes majeurs du mouvement respiratoire est le flou qu’il induit sur les images. On va donc analyser le flou des images suivant les différents protocoles. Pour cela on utilise le logiciel ImageJ : on représente suivant une droite verticale le profil unité hounsfield du plateau ; on compare le profil entre les acquisitions fantôme immobile et mobile en sélectionnant les images sur lesquelles le plateau est en position intermédiaire (vitesse maximum) et positions extrêmes (vitesse minimum).
b – La précision et résolution spatio-temporelle
La représentation du mouvement du plateau nous permet également d’en déduire la résolution temporelle (le nombre de coupes par cycle respiratoire).

On compare également le volume du plateau obtenu par contourage et fusion des images grâce au logiciel Focal afin de vérifier quel protocole permet de se rapprocher au plus du volume réel du plateau (précision spatiale).

Enfin la valeur moyenne du nombre CT pour une ROI placée au centre du fantôme en position basse pour les acquisitions 4D comparée à celle de l’acquisition fixe nous permet d’évaluer la meilleure « précision » entre les 2 acquisitions 4D. On utilise Ie logiciel ImageJ .