Prédiction de la réponse à la trithérapie elexacaftor/tezacaftor/ivacaftor dans l’atteinte pulmonaire de patients atteints de mucoviscidose à partir du scanner thoracique préthérapeutique : apport des méthodes de deep learning

Porteur du projet : Pierre-Régis BURGEL

Hôpital Cochin, Assistance Publique Hôpitaux de Paris - CRMR coordonnateur et Service de Pneumologie

Contexte :
Cette étude s'inscrit dans le cadre de l'étude nationale observationnelle Kaftrio qui inclut 2500 patients de 18 ans et plus traités par Kaftrio-Kalydeco dans 30 CRCMs. Elle vise à analyser les scanners thoraciques qui sont réalisés dans le suivi clinique des patients à l'aide de techniques d'intelligence artificielle pour mieux comprendre la variabilité de l'amélioration de la fonction respiratoire induite en réponse aux traitements modulateurs de CFTR.

Objectifs :
Ce projet a pour but de montrer que la variabilité de l'amélioration de la fonction respiratoire induite par les modulateurs de CFTR est liée au type de lésions anatomiques: notre hypothèse est que la correction des transports ioniques induites par le Kaftrio/Kalydeco, qui se traduit par une l'amélioration de la clairance mucociliaire, est corrélée à l'amélioration de la fonction respiratoire. Selon cette hypothèse, les patients ayant une baisse de fonction respiratoire principalement liée à l'obstruction des voies aériennes par des bouchons de mucus auront un gain de fonction respiratoire supérieur à ceux dont la baisse de la fonction respiratoire est principalement liée à une destruction/altération des petites bronches.
L'objectif principal de cette étude est la prédiction de la quantité de réponse au traitement par Kaftrio/Kalydeco à partir des données du scanner thoracique pré-thérapeutique qui évaluera la proportion de lésions potentiellement réversibles avec un traitement modulateur. L'objectif secondaire est l'évaluation scanographique de l'effet du Kaftrio/Kalydeco en comparant des scanners préthérapeutiques et sous traitement.

Perspectives :
Approche automatisée :
L’étape préliminaire à l’analyse automatisée est la segmentation des poumons qui consiste à identifier les poumons sur le scanner et à les contourner de manière précise. Pour cela nous sommes en cours d’évaluation d’une méthode précédemment développée (base d’entrainement comprenant > 2500 scanners). Le modèle est basé sur une architecture UNET en 3D.

La qualité des segmentations de poumons de patients atteints de mucoviscidose issus de la cohorte de Cochin est en cours pour l’évaluation et éventuellement l’amélioration du modèle.

En parallèle, deux autres outils sont en cours de développement : 1/ un outil permettant de segmenter les lobes et 2/ un outil permettant de segmenter les lésions liées à la mucoviscidose.

• Outil de segmentation des lobes :

Le but de cette tâche est de disposer d’un outil permettant la segmentation des lobes pulmonaires dans le contexte spécifique de la mucoviscidose ou les condensations alvéolaires et les atélectasies peuvent compliquer la reconnaissance des lobes. Pour le développement de cet outil, nous utilisons une base de données constituée dans le cadre d’autres projets et que nous sommes en train d’enrichir de cas de patients atteints de mucoviscidose. Les résultats actuels (entrainement sur > 600 patients) sont encore insuffisants. Un prochain entrainement comportera les données de XX scanners supplémentaires de patients atteints de mucoviscidose issus de la cohorte de Cochin.

• Outil de segmentation des lésions de mucoviscidose :

Le but de cette tâche est de disposer d’un outil permettant la segmentation et donc la quantification des lésions structurelles liées à la mucoviscidose. Une base de données issue de la cohorte de Cochin est en cours d’annotation. Actuellement 20 scanners ont été complètement annotés (10h par scanner) pour 5 types d’anomalies : les dilatations bronchiques, l’épaississement bronchique, les impactions mucoïdes, les micronodules bronchiolaires et les condensations/atélectasies. Un premier entrainement est en cours pour évaluer les performances actuelles et orienter l’augmentation de la base d’apprentissage.

Prédiction de la réponse à la trithérapie
Cette partie du projet sera conduite lorsque les données d’imagerie de la cohorte nationale auront été collectée. Elle utilisera les méthodes de segmentations actuellement en cours de développement et d’évaluation..

Résultats obtenus :
Nous avons revus les scanners de 236 patients suivis à Cochin qui ont été traités par trithérapie modulatrice de CFTR et pour lesquels un scanner pré-thérapeutique et un scanner de suivi à 12 mois étaient disponibles. Sur ces 236 patients, une disparition partielle à 12 mois des dilatations bronchiques était observée chez 12 cas. Une population contrôle de 36 patients (3 contrôles /1 cas) a été tirée au sort parmi les 224 patients restant afin de constituer la base de données de l’étude.
Les résultats de l’analyse  montrent que l'atteinte structurale scanographique a significativement diminuée dans les 2 groupes. Dans le groupe présentant une diminution de des dilatations bronchiques, on observe une diminution globale du diamètre des bronches alors que dans le groupe contrôle le diamètre des bronches a légèrement augmenté malgré l’amélioration morphologique globale. En dehors de cette diminution du calibre des bronches, il n’existe pas de différence entre les 2 groupes tant au bilan pré-thérapeutique que dans les caractéristiques de leur évolution sous traitement (pas de différences d’amélioration fonctionnelle et morphologique par ailleurs).