Optimisation des Protocoles en Scanographie Pédiatrique

L'augmentation substantielle du recours à la tomodensitométrie (CT) au cours des dix dernières années a suscité des inquiétudes au sein de la communauté scientifique. Le principal sujet de préoccupation est l'optimisation de la dose de rayonnement ionisant afin de préserver la qualité de l'image diagnostique, tout en minimisant les risques, particulièrement pour les enfants. En effet, les enfants sont plus vulnérables aux radiations ionisantes et possèdent une plus longue espérance de vie, augmentant ainsi le risque de développer des cancers à long terme. Le rapport ExPRI de l'IRSN (2014) souligne la contribution majeure de la scanographie à la dose efficace collective (71%), même si elle ne représente que 10,5% des actes d'imagerie. Cette tendance à l'augmentation de l'utilisation des scanners et leur impact sur la dose collective sont particulièrement visibles en pédiatrie. La rapidité de l'examen par rapport à d'autres techniques est un avantage significatif qui réduit le besoin de sédation, mais l'exposition aux radiations reste un inconvénient majeur. L'accroissement significatif du nombre d'examens CT aux États-Unis (de 3 millions en 1980 à plus de 80 millions en 2010) et en France (augmentation de 70% depuis 1990) illustrent ce phénomène. En 2012, près de 8 millions d'actes de scanographie ont été réalisés en France, conduisant à une dose efficace moyenne par habitant de 1,1 mSv. Ces données justifient la nécessité impérieuse de recherches pour optimiser les protocoles de scanographie pédiatrique et limiter l'exposition aux rayonnements.

L'objectif principal de cette thèse est de proposer un outil d'optimisation pour les utilisateurs de scanners afin d'améliorer le processus d'optimisation des protocoles en scanographie pédiatrique. La première partie de la thèse se concentre sur la modélisation de l'influence des paramètres des protocoles scanographiques sur deux indicateurs de qualité d'image : le bruit et le rapport contraste-à-bruit (CNR), ainsi que sur un indicateur de dose (IDSV). La méthodologie utilisée repose sur les plans d'expériences, une technique permettant d'évaluer l'impact de différents facteurs de manière efficace. L'ensemble des expériences a été mené sur un fantôme de mesure de qualité d'image de type CATPHAN 500, puis appliqué à quatre modèles de scanners de fabricants différents : General Electric, Siemens, Toshiba et Phillips. Cette approche permet une étude systématique et rigoureuse de l'impact des paramètres du scanner sur la qualité de l'image et la dose délivrée au patient. En évitant de se concentrer sur le fonctionnement interne du scanner (boîte noire), cette méthodologie permet une approche plus générale et applicable à différents modèles de machines. Elle se différencie d'autres approches plus complexes comme les algorithmes évolutionnaires ou le recuit simulé, choisies car plus rapides en terme de temps de calcul.

L'étude explore en détail l'influence de différents paramètres de scanographie, notamment la tension du tube (kV), la charge du tube (mAs) et les niveaux de reconstruction itérative, sur la qualité d'image et la dose. La reconstruction itérative, une avancée technologique significative dans le domaine de la scanographie, est au cœur de l'analyse. Plusieurs méthodes sont étudiées et comparées, comme ASIR (Adaptive Statistical Iterative Reconstruction) et MBIR (Model Based Iterative Reconstruction), notamment VEO de GE, et leurs impacts sur la réduction de la dose sont évalués. La collimation, un paramètre crucial, est analysée pour son influence sur l'épaisseur de coupe et l'efficacité de la dose. L’analyse aborde également la problématique de la standardisation des fantômes utilisés pour le calcul de la dose, soulignant les différences entre les fabricants (diamètre de 16 cm ou 32 cm). L’étude se penche sur les Niveaux de Référence Diagnostiques (NRD) pédiatriques et leur rôle dans l'amélioration des pratiques cliniques. Des systèmes de modulation angulaire, comme le CARE Dose-4D de Siemens, sont examinés pour leur capacité à réduire la dose en fonction de la morphologie du patient. L’initiative Image Gently et son estimateur de dose morphologique (SSDE) sont également intégrés afin d'optimiser la dose délivrée en fonction des dimensions du patient.

L'étude utilise un logiciel de plans d'expériences (Minitab) pour la recherche de l'optimum multicritère, cherchant à minimiser la dose (CTDIvol, IDSV) tout en maximisant le CNR et en minimisant le bruit. La méthode se base sur des fonctions de désirabilité pour trouver le meilleur compromis entre les différentes variables. Les résultats montrent qu’une optimisation des paramètres peut engendrer une réduction significative de la dose, de l’ordre de 15% à 20%, couplée à une amélioration du CNR et à une diminution du bruit. Des tests expérimentaux sur des fantômes, notamment le CATPHAN 600, permettent de valider les résultats obtenus par modélisation. L'analyse compare les protocoles optimisés aux protocoles standards. L'étude prend en compte la morphologie des patients pédiatriques, en testant les résultats sur différentes catégories de poids, afin d'adapter les protocoles à la taille du patient. Les résultats de cette étude sur fantômes sont ensuite évalués par des radiologues pour vérifier la qualité diagnostique des images obtenues avec les protocoles optimisés, permettant de mieux comprendre la perception de la qualité de l'image par les professionnels.

L'étude utilise la méthodologie des plans d'expériences pour modéliser l'influence de paramètres clés de la scanographie sur la qualité d'image et la dose. Cette approche statistique permet d'évaluer de manière systématique et efficace l'impact de plusieurs facteurs simultanément, en limitant le nombre d'expériences nécessaires. Le choix des plans d'expériences est justifié par la complexité de l'interaction des paramètres et la nécessité d'optimiser les ressources. Le scanner est traité comme une « boîte noire », ce qui permet d'éviter de se concentrer sur les détails techniques spécifiques à chaque constructeur et de généraliser les résultats à différents modèles. Contrairement à des méthodes comme les algorithmes évolutionnaires ou le recuit simulé, plus gourmandes en temps de calcul, les plans d'expériences offrent un compromis optimal entre précision et efficacité. L'utilisation d'un fantôme CATPHAN 500 pour les mesures permet une standardisation des expériences et la comparaison des résultats entre différents constructeurs de scanners (General Electric, Siemens, Toshiba et Phillips). Deux indicateurs majeurs de qualité d'image sont étudiés : le bruit et le rapport contraste-à-bruit (CNR), ainsi qu'un indicateur de dose, l'IDSV (Dose efficace). L'objectif est d'établir des modèles prédictifs permettant d'estimer la qualité de l'image et la dose en fonction des paramètres d'acquisition.

Trois facteurs principaux sont identifiés comme ayant une influence statistique significative sur la qualité de l'image et la dose : la tension du tube (kV), la charge du tube (mAs) et le niveau de reconstruction itérative. Le choix de ces trois facteurs est motivé par leur importance dans la formation de l'image et la dose délivrée au patient. Le nombre de combinaisons possibles étant très important, une méthodologie robuste et efficace est nécessaire. L'étude se concentre sur la plage de variation de ces paramètres afin d'explorer le domaine expérimental de manière optimale. Les valeurs des réponses (bruit, CNR) ainsi que la dose absorbée (CTDIvol) sont mesurées pour différentes combinaisons de ces facteurs sur les quatre modèles de scanners. L’analyse des données permettra de comprendre comment chaque paramètre influence la qualité de l'image (bruit, CNR) et la dose absorbée (CTDIvol). L'objectif est de construire des modèles qui permettront de prédire ces indicateurs pour une configuration donnée, facilitant ainsi le processus d'optimisation des protocoles. Une fois validés, ces modèles permettront d'estimer précisément les valeurs du bruit et du contraste de l'image, et la dose absorbée (CTDIvol) en fonction des paramètres d’entrée, ce qui permettra d’améliorer la compréhension du fonctionnement des quatre scanners étudiés et guider l’optimisation des protocoles.

L'analyse des résultats obtenus par les plans d'expériences permet de construire des modèles mathématiques décrivant l'influence des paramètres choisis (kV, mAs, niveau de reconstruction itérative) sur le bruit, le CNR et le CTDIvol. Ces modèles permettent d'explorer l'espace des paramètres afin de trouver un compromis optimal. Le but est de minimiser la dose délivrée tout en maintenant une qualité d'image suffisante pour le diagnostic. Des outils d'optimisation multicritère, tels que les fonctions de désirabilité, sont utilisés pour trouver la meilleure combinaison de paramètres. Un logiciel, Minitab, est utilisé pour la recherche de l'optimum multicritère, en prenant en compte les valeurs cibles pour chaque indicateur (bruit, CNR, CTDIvol). Le logiciel sélectionne la solution qui maximise la fonction de désirabilité globale, ce qui représente le meilleur compromis entre la réduction de la dose et le maintien d'une qualité d'image acceptable. Les résultats d'optimisation proposent des configurations optimales de kV, mAs et niveau de reconstruction itérative pour chaque type de scanner. Ces configurations sont ensuite validées expérimentalement sur des fantômes.

L'étude souligne l'importance croissante des Niveaux de Référence Diagnostiques (NRD) en pédiatrie, notamment en scanographie. De plus en plus de pays mettent en place ces niveaux de référence pour les examens d'imagerie médicale afin d'harmoniser les pratiques et d'éliminer les expositions élevées aux rayonnements ionisants. L'objectif principal des NRD est d'améliorer la pratique clinique, tant au niveau national que régional ou local, en servant de repère pour la dose délivrée lors des examens de scanographie. Cependant, il est important de noter que les NRD ne garantissent pas à eux seuls une pratique scanographique optimale. Ils permettent d'identifier les examens associés à des doses excessivement élevées, favorisant ainsi la mise en place d'actions correctives pour réduire l'exposition aux rayonnements. L’utilisation du DLP (Dose-Length Product) est mentionnée comme base de calcul pour certains NRD, soulignant la nécessité de clarifier si ces valeurs sont attribuées par examen ou par série d'examens afin d'éviter toute ambiguïté dans l'interprétation des données.

Plusieurs techniques de réduction de dose sont passées en revue, soulignant l'évolution technologique dans le domaine de la scanographie. Le système CARE Dose-4D de Siemens, un système de modulation angulaire, est présenté comme un exemple de technique permettant de réduire significativement la dose délivrée au patient. Ce système ajuste le mA en fonction de l'absorption mesurée sur un topogramme et de la taille du patient. Une adaptation en temps réel en fonction des régions traversées par le faisceau de rayons X permet une variation du mA de 500 mA à 30 mA. Des études ont démontré que cette technique permettait une réduction de dose allant de 10% à 60% selon la région examinée et le morphotype du patient. Cependant, une bonne connaissance du système est essentielle pour éviter des images trop lisses. L'utilisation de filtres de reconstruction optimisés est également abordée. Ces filtres permettent de réduire le bruit des projections, améliorant la qualité des coupes, notamment dans les régions à forte atténuation (épaules, pelvis), avec une faible perte de résolution spatiale. L’irradiation du patient est ainsi diminuée, les constructeurs proposant des filtres adaptés à la région examinée et au morphotype des patients. L'évolution des techniques de reconstruction itérative, comme ASIR (Adaptive Statistical Iterative Reconstruction) et MBIR (Model Based Iterative Reconstruction), est également mentionnée comme une méthode efficace pour réduire la dose tout en maintenant une qualité d'image comparable, avec des gains de réduction de dose pouvant atteindre 50% pour les techniques les plus avancées.

L'initiative américaine "Image Gently", lancée en 2014, est présentée comme une méthodologie pour recalculer les valeurs de l'intensité du tube pour différentes morphologies de patients pédiatriques. Elle s'appuie sur le Size-Specific Dose Estimate (SSDE), un estimateur de dose morphologique développé en 2011 par l'AAPM (American Association of Physicists in Medicine), permettant une estimation plus précise de la dose absorbée en fonction de la morphologie du patient. Le SSDE corrige le CTDIvol affiché par le scanner à l'aide d'un facteur dépendant des dimensions transverses du patient. Le document mentionne que l'initiative Image Gently fournit des coefficients de réduction de mAs validés sur des protocoles pédiatriques en routine clinique, permettant une adaptation des protocoles à la morphologie de chaque patient. Ces coefficients permettent de mieux adapter l’intensité du tube (mAs) à la taille du patient, minimisant la dose sans compromettre la qualité de l’image. L'étude s'intéresse à l'application de ces coefficients de réduction de mAs, en considérant notamment l'adaptation des protocoles standards aux morphologies des patients pédiatriques, particulièrement pour les morphologies les plus importantes (18, 33 et 54 kg). Les plus petites morphologies (nouveau-nés et nourrissons) sont considérées trop risquées pour une intégration immédiate, suite à des résultats encourageants mais nécessitant de futures études.

L'optimisation des protocoles de scanographie repose sur une approche multicritère utilisant des fonctions de désirabilité. L'objectif est de trouver le meilleur compromis entre plusieurs variables de réponse : la minimisation de la dose (CTDIvol, IDSV) et la maximisation de la qualité d'image (CNR et réduction du bruit). Un logiciel de plans d'expériences (Minitab) est utilisé pour déterminer la combinaison optimale des paramètres (kV, mAs, niveau de reconstruction itérative). Minitab explore l'espace des paramètres en fonction de critères cibles définis par l'utilisateur. Le logiciel sélectionne la solution qui maximise la fonction de désirabilité globale, représentant le meilleur compromis entre les différents critères. Le poids accordé à chaque critère (bruit, CNR, IDSV) influence la solution optimale trouvée. L'étude détaille la méthode utilisée pour transformer les valeurs des indicateurs de performance (bruit, CNR, CTDIvol) en indices de satisfaction (fonctions de désirabilité), permettant de comparer et de hiérarchiser les différentes configurations testées. Des valeurs cibles pour chaque indicateur sont définies, et le logiciel cherche à atteindre ces valeurs dans la mesure du possible tout en prenant en compte le compromis entre les différentes variables de réponse.

Les configurations optimales obtenues par l'optimisation multicritère sont validées expérimentalement à l'aide de fantômes. Des acquisitions sont réalisées sur un fantôme CATPHAN 600 pour comparer les protocoles optimisés (PGO) et les protocoles standards. Les mesures de bruit, de CNR et d'IDSV sont comparées pour évaluer l'impact de l'optimisation sur la qualité d'image et la dose. Les résultats montrent une amélioration significative, avec une diminution du bruit de l'ordre de 15%, une augmentation du CNR d'environ 25% et une réduction de la dose d'environ 20%. La diminution du bruit est principalement attribuée à l'augmentation du niveau de reconstruction itérative. La réduction de la dose est obtenue par la diminution des mAs, tout en maintenant un niveau de bruit plus faible. L'étude précise les valeurs obtenues pour chaque indicateur, illustrant l'efficacité de la méthode d'optimisation. L’étude mentionne également les limitations liées au compromis entre les différentes variables, expliquant par exemple pourquoi le bruit mesuré peut être supérieur à la valeur cible idéale. Cela met en évidence la nécessité de trouver un juste équilibre entre la minimisation de la dose et le maintien d'une qualité d'image acceptable pour un diagnostic fiable.

L'analyse des résultats obtenus sur les fantômes permet de valider la méthode d’optimisation (PGO) pour le scanner General Electric Discovery 750HD. Les résultats obtenus sur d’autres scanners (Phillips, Siemens et Toshiba) sont mentionnés mais l’étude ne les détaille pas afin de ne pas surcharger le lecteur. L’étude utilise également les données issues de l’initiative Image Gently qui propose des coefficients de réduction de mAs en fonction de la morphologie du patient. L’étude se focalise sur trois morphologies pédiatriques (18, 33 et 54 kg) pour tester et valider l’adaptation des protocoles optimisés aux différentes morphologies de patients, avec une analyse des images obtenues par des radiologues. Ces résultats montrent une amélioration de la qualité d'image (MOS) pour les protocoles optimisés par rapport aux protocoles standards, selon l'évaluation des radiologues. L’étude souligne la difficulté d'obtenir une optimisation parfaite de tous les paramètres simultanément, et la nécessité de trouver le meilleur compromis entre les différents critères en fonction des besoins diagnostiques. La discussion aborde les résultats obtenus pour chaque marque de scanner, indiquant l’impact significatif des reconstructions itératives sur la qualité de l’image et la dose. L’analyse des résultats suggère qu’une diminution des kV, avec un mAs quasi constant, permet de réduire le bruit, d’améliorer le contraste et de diminuer la dose.