Système modulaire de traitement pour la tomographie d'émission à partir de détecteurs CdZnTe

par Mélanie Bernard

Thèse de doctorat en Mathématiques et informatique

Sous la direction de Stéphane Mancini et de Guillaume Montemont.

Le président du jury était Florence Forbes.

Le jury était composé de David Brasse, Laurent Desbat.

Les rapporteurs étaient Christian Scheiber, Michel Paindavoine.


  • Résumé

    Depuis plusieurs années, une nouvelle technologie de détecteurs à partir de matériaux semi-conducteurs CdTe/CdZnTe permet de proposer des appareils d’imagerie médicale bénéficiant de meilleures performances, notamment en imagerie gamma. Ces performances sont obtenues en combinant simultanément les technologies des détecteurs, leur géométrie, les algorithmes de reconstruction et les architectures de traitement des données. Des travaux ont précédemment montré que des améliorations étaient possibles en revoyant la collimation du système. En plus des bonnes performances intrinsèques des détecteurs à semi-conducteur, leur intérêt réside dans leur compacité, permettant de proposer des géométries plus flexibles. De nouvelles architectures ont alors vu le jour, notamment en imagerie cardiaque.Afin d’aller au-delà du compromis entre résolution spatiale, sensibilité et champ de vue imposé par la surface de détection disponible, cette thèse propose d’étudier les possibilités d’adaptation offertes par ces nouvelles architectures. Une adaptation de l’échantillonnage angulaire des têtes de détection indépendamment les unes des autres est envisagée, permettant des protocoles d’acquisition plus adaptés à la diversité des examens et des morphologies.Depuis plusieurs années, une nouvelle technologie de détecteurs à partir de matériaux semi-conducteurs CdTe/CdZnTe permet de proposer des appareils d’imagerie médicale bénéficiant de meilleures performances, notamment en imagerie SPECT. Ces performances sont obtenues en travaillant simultanément sur la localisation précise des mesures dans les détecteurs, la collimation, l’adéquation entre la géométrie des systèmes d’acquisition et les spécificités de l’examen, les algorithmes de reconstruction et les architectures de traitement des données. En plus des bonnes performances intrinsèques des détecteurs à semi-conducteur, leur intérêt réside dans leur compacité accrue par rapport aux scintillateurs et leurs photomultiplicateurs, permettant de proposer des géométries plus flexibles. De nouvelles architectures ont alors vu le jour, notamment en imagerie cardiaque.L’imagerie SPECT est contrainte par un compromis entre résolution spatiale, sensibilité et champ de vue imposé par le collimateur, et la surface de détection disponible. Afin d’aller au-delà de ce compromis, cette thèse propose d’étudier les possibilités d’adaptation en ligne offertes par ces nouvelles architectures flexibles. Un système inspiré d’un dispositif industriel déjà proposés, composé de plusieurs têtes de détection indépendantes est étudié. Une adaptation de l’échantillonnage angulaire des têtes de détection indépendamment les unes des autres est envisagée, permettant des protocoles d’acquisition plus adaptés à la diversité des examens et des morphologies.L’objectif de cette thèse est de mettre en place un processus d’acquisition / adaptation permettant de reconfigurer le parcours des têtes en fonction d’une estimation de l’objet à imager. Des solutions algorithmiques sont proposées afin d’implémenter la reconstruction en temps réel du volume à imager à partir de données rendues plus complexes par les degrés de liberté du système et par la précision du détecteur. La reconstruction obtenue en temps réel doit permettre de déterminer les zones du volume à imager les plus porteuses d’information afin d’y orienter les têtes. La simulation permet dans un premier temps l’étude théorique du concept de système modulaire, ainsi que la mise en place algorithmique du processus de reconstruction rapide, permettant une estimation exploitable de l’objet lors de l’acquisition. Quelques résultats expérimentaux permettront de valider la modélisation du système, ainsi que l’algorithme de reconstruction. Enfin, l’étude de différentes stratégies d’adaptation sera amorcée par simulation.

  • Titre traduit

    Modular processing system for emission tomography with CdZnTe détector


  • Résumé

    In the last decades, new CdTe/CdZnTe based detectors enable enhanced performances on medical imaging systems, especially in SPECT imaging. This improvements are achieved by developing simultaneously the precise localization of interaction in detectors, the collimator, matching between the system geometry and the specificities of the examination, reconstruction algorithms, and data processing architectures. In addition to their interesting intrinsic performances, CdZnTe detectors benefits from their compactness compared to previously used scintillators and photo-multiplicators. This compactness enables more flexible systems. New designs are thus proposed, especially in cardiac imaging.Performances of SPECT systems are limited by a trade-off between the spatial resolution, the sensitivity and the field of view imposed by the collimator and the available detection surface. In order to go further this compromise, this work focuses on possibilities for online adaptation offered by flexibles designs. Adaptation on a system composed of several independent detection heads already proposed by industrials is under study. We propose to adapt the angular sampling of heads, enabling acquisition protocols more accurate for different patient morphologies and examination protocols.The purpose of this work is to propose acquisition and adaptation protocols enabling the reconfiguration of the angular sampling of detection heads depending on an estimation of the imaged object. Algorithmic solutions are proposed in order to compute the reconstruction in real time from more complex data because of additional degrees of freedom and detector precision. The resulting estimation have to enable the identification of informative areas in order to focus detection heads on it. Simulations approves theoretically the use of our rapid algorithmic solution on a modular system carrying a reliable estimation of the object. Some experimental results validate the system model and the reconstruction algorithm. Then, some adaptation strategies are investigated using simulations.


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