Standardization of Multi-Parametric Magnetic Resonance Imaging for the Characterization of Prostate Cancer

L’imagerie par résonance magnétique multiparamétrique (IRMm) est devenue un outil utile dans la caractérisation du cancer de la prostate localisé (CP) en raison de sa sensibilité accrue aux changements microstructuraux des tissus. Malgré cette sensibilité élevée à la localisation des tumeurs prostatiques, elle manque de spécificité en raison de la nature hétérogène du tissu prostatique et de la présence de confusions bénignes. Par conséquent, elle est souvent limitée en termes de reproductibilité intra- et inter-site. Compte tenu de l’importance de l’IRMm dans la caractérisation et la prise en charge du CP, il est impératif que ces images soient de qualité diagnostique suffisante. Ainsi, le premier objectif de cette thèse est d’identifier les sources potentielles de variabilité dans l’IRMm de la prostate. Une analyse de l’adhérence d’un grand ensemble de données multisites aux MTS décrits dans PI-RADS 2.1 a identifié les principaux MTS ne répondant pas pour chaque séquence et a mis en évidence des solutions possibles pour l’amélioration. Le deuxième objectif de cette thèse est de résoudre tout ce qui n’est pas standard dans l’IRMm après l’acquisition d’images. Afin d’améliorer la standardisation et la qualité de l’image avant l’analyse, un pipeline de prétraitement a été développé après l’évaluation des éléments de prétraitement individuels. L’optimisation des étapes de prétraitement individuelles a con-duit au développement d’un pipeline de prétraitement complet et optimisé, comprenant la correction de champ de biais, la normalisation d’intensité et l’enregistrement d’images. Ce pipeline a initialement montré une amélioration de la précision de la localisation de la tumeur dans un seul ensemble de données. Enfin, le troisième objectif de cette thèse était de valider ce pipeline pour une utilisation plus large en l’appliquant à un grand ensemble de données multisites. Les résultats de cette dernière analyse ont montré la capacité du pipeline de prétraitement complet à améliorer la précision de la localisation de la tumeur. Cette thèse souligne l’importance et les avantages de la standardisation de l’IRMm de la prostate.

Abstract

Multi-parametric magnetic resonance imaging (mpMRI) has become a useful tool in the characterization of localized prostate cancer (PCa) due to its heightened sensitivity to mi-crostructural tissue changes. Despite this high sensitivity in localizing prostate tumors, it lacks specificity as a result of the heterogeneous nature of prostatic tissue and the pres-ence of benign confounds. As a result, it is often limited in terms of intra- and inter-site reproducibility. Given the importance of mpMRI in the characterization and management of PCa, it is imperative that mpMRI be of sufficient diagnostic quality. Thus, the first objective of this thesis is to identify potential sources of variability in mpMRI of the prostate. An analysis of the adherence of a large, multi-site dataset to the minimum technical standards (MTS) outlined in PI-RADS 2.1 identified key MTS not being met for each sequence and highlighted possible solutions for improvement. The second objective of this thesis is to address any non-standardness that may remain in mpMRI after image acquisition. In order to improve image standardization and quality prior to analysis, a pre-processing pipeline was developed after assessing individual pre-processing elements. The optimization of individual pre-processing steps led to the development of full, optimized pre-processing pipeline, including bias field correction, intensity normalization, and image registration. This pipeline was initially shown to improve tumor localization accuracy in a single dataset. Finally, the third objective of this thesis was to validate this pipeline for broader use by applying it to a large, multi-site dataset. The results of this last analysis showed the capacity of the full pre-processing pipeline to improve tumor localization accuracy. This thesis underscores the importance and benefits of standardization of mpMRI of the prostate.