Quantification de l'yttrium-90 à l'aide de simulations SiPM PET et Monte Carlo pour le suivi de la radioembolisation

Selective internal radiation therapy (SIRT) or radioembolisation using Yttrium-90 (90Y) microspheres is a treatment for unresectable hepatic malignancies and metastases that can be monitored with positron emission tomography (PET) imaging. PET is today the most sensitive functional imaging modality for studying molecular interactions in the human body. This monitoring is of prime importance for patient safety and to move towards personalised dosimetry. However, during 90Y decay, only few β+ particles are emitted (around 32 positrons per million decays), which makes quantitative PET imaging challenging. State-of-the-art PET systems are equipped with silicon photomultipliers (SiPMs) replacing conventional photomultiplier tubes (PMTs), thus allowing an overall improvement in performance and in particular in the time-of-flight (TOF) resolution. The objective of this thesis was twofold. First to develop and validate a Monte Carlo model of the Vereos PET SiPM system. Second, to investigate 90Y PET quantitative imaging for 90Y microspheres treatment monitoring. The proposed model of the Vereos PET was developed with the GATE platform and validated against experimental data following NEMA standardised protocols. The model can support a number of future projects, in particular to optimise imaging performance, evaluate new reconstruction and correction methods, among others. The second contribution focused on the evaluation of reconstruction parameters on the quantitative accuracy in 90Y dosimetry and investigate on the gain over the acquisition time provided by the Vereos PET/CT. To that aim, experiments using phantoms were carried out and parameters were varied to estimate their influence on absorbed dose distributions. Here, contrary to previous works, the whole evaluation was performed with absorbed dose (in Gy) via dose-volume histograms (DVHs) instead of activity (in MBq). The results have finally been applied to the clinical settings in our institution. A third contribution provides a preliminary assessment of the predictive value of the 99mTc-macro-aggregated albumin (MAA) surrogate particles to 90Y-microspheres used in treatment planning. Consistent approaches were suggested for image registration between pre-treatment single photon emission computed tomography (SPECT)/CT and per-treatment PET/CT, using patient datasets from the Léon Bérard cancer research center (CLB) where 90Y-radioembolisation therapy is regularly performed.La radiothérapie interne sélective (SIRT), connue également sous le terme de radioembolisation, par microsphères d’Yttrium-90 (90Y) est un traitement des tumeurs malignes et métastases hépatiques non résécables qui peut être suivi par la tomographie par émission de positons (TEP). La TEP est aujourd’hui la modalité d’imagerie fonctionnelle la plus sensible pour étudier les interactions moléculaires dans le corps humain. Ce suivi est de première importance pour la sécurité des patients et pour évoluer vers une dosimétrie personnalisée. Cependant, lors de la désintégration de l’90Y, seules quelques particules β+ sont émises (environ 32 positons par million dedésintégrations), ce qui rend la quantification à partir d’un image TEP délicate. Lessystèmes TEP les plus modernes sont cependant équipés de photomultiplicateurs au silicium (SiPMs) qui remplacent les tubes photomultiplicateurs (PMTs) conventionnels, ce qui permet une amélioration globale des performances et en particulier de la résolution du temps-de-vol (TOF). L’objectif de cette thèse était double : d’une part, développer et valider un modèle Monte Carlo du système TEP Vereos, qui est équipé de SiPM, et d’autre part, étudier l’apport de l’imagerie TEP à l’90Y pour le suivi du traitement par microsphères d’90Y, en contexte clinique. La première contribution de cette thèse a donc été le développement d’un modèle de simulation GATE du système TEP Vereos qui a été évalué par rapport aux données expérimentales suivant les protocoles standardisés du NEMA. Le modèle peut être utilisé pour un certain nombre de projets futurs, notamment pour optimiser les performances d’imagerie, ou encore évaluer de nouvelles méthodes de reconstruction et de correction. La deuxième contribution s’est concentrée sur l’évaluation des paramètres de reconstruction sur la précision quantitative de la dosimétrie à l’90Y et sur l’étude du gain sur le temps d’acquisition apporté par le Vereos TEP/TDM. Des expérimentations utilisant des fantômes ont été réalisées et les paramètres de reconstructions ont été variés pour évaluer leur influence sur les distributions de dose absorbée. Une troisième contribution propose une évaluation préliminaire de la valeur prédictive des particules de macroagrégats d’albumine (99mTc-MAA), utilisées dans la planification du traitement par radioembolisation en substitution aux microsphères d’90Y. Des approches cohérentes ont été proposées pour le recalage d’images avec la tomographie par émission monophotoniques (TEMP)/TDM, en utilisant des ensembles de données de patients du Centre de lutte contre le cancer Léon Bérard (CLB), où la thérapie par radioembolisation à l’90Y est régulièrement effectuée