Méthode de reconstruction adaptive en tomographie par rayons X : optimisation sur architectures parallèles de type GPU

par Michele Arcangelo Quinto

Thèse de doctorat en Signal, image, paroles, télécoms

Sous la direction de Dominique Houzet.


  • Résumé

    La reconstruction tomographique à partir de données de projections est un problème inverse largement utilisé en imagerie médicale et de façon plus modeste pour le contrôle nondestructif. Avec un nombre suffisant de projections, les algorithmes analytiques permettentdes reconstructions rapides et précises. Toutefois, dans le cas d’un faible nombre de vues(imagerie faible dose) et/ou d’angle limité (contraintes spécifiques liées à l’installation), lesdonnées disponibles pour l’inversion ne sont pas complètes, le mauvais conditionnementdu problème s’accentue, et les résultats montrent des artefacts importants. Pour aborderces situations, une approche alternative consiste à discrétiser le problème de reconstruction,et à utiliser des algorithmes itératifs ou une formulation statistique du problème afinde calculer une estimation de l’objet inconnu. Ces méthodes sont classiquement basées surune discrétisation du volume en un ensemble de voxels, et fournissent des cartes 3D de ladensité de l’objet étudié. Les temps de calcul et la ressource mémoire de ces méthodesitératives sont leurs principaux points faibles. Par ailleurs, quelle que soit l’application, lesvolumes sont ensuite segmentés pour une analyse quantitative. Devant le large éventaild’outils de segmentation existant, basés sur différentes interprétations des contours et defonctionnelles à minimiser, les choix sont multiples et les résultats en dépendent.Ce travail de thèse présente une nouvelle approche de reconstruction simultanée àla segmentation des différents matériaux qui composent le volume. Le processus dereconstruction n’est plus basé sur une grille régulière de pixels (resp. voxels), mais sur unmaillage composé de triangles (resp. tétraèdres) non réguliers qui s’adaptent à la formede l’objet. Après une phase d’initialisation, la méthode se décompose en trois étapesprincipales que sont la reconstruction, la segmentation et l’adaptation du maillage, quialternent de façon itérative jusqu’à convergence. Des algorithmes itératifs de reconstructioncommunément utilisés avec une représentation conventionnelle de l’image ont étéadaptés et optimisés pour être exécutés sur des grilles irrégulières composées d’élémentstriangulaires ou tétraédriques. Pour l’étape de segmentation, deux méthodes basées surune approche paramétrique (snake) et l’autre sur une approche géométrique (level set)ont été mises en oeuvre afin de considérer des objets de différentes natures (mono- etmulti- matériaux). L’adaptation du maillage au contenu de l’image estimée est basée surles contours segmentés précédemment, pour affiner la maille au niveau des détails del’objet et la rendre plus grossière dans les zones contenant peu d’information. En finde processus, le résultat est une image classique de reconstruction tomographique enniveaux de gris, mais dont la représentation par un maillage adapté au contenu proposeidirectement une segmentation associée. Les résultats montrent que la partie adaptative dela méthode permet de représenter efficacement les objets et conduit à diminuer drastiquementla mémoire nécessaire au stockage. Dans ce contexte, une version 2D du calcul desopérateurs de reconstruction sur une architecture parallèle type GPU montre la faisabilitédu processus dans son ensemble. Une version optimisée des opérateurs 3D permet descalculs encore plus efficaces.

  • Titre traduit

    Development of a 3D adaptive shape algorithm for X-ray tomography reconstruction : speed-up on GPU and application to NDT


  • Résumé

    Tomography reconstruction from projections data is an inverse problem widely used inthe medical imaging field. With sufficiently large number of projections over the requiredangle, the FBP (filtered backprojection) algorithms allow fast and accurate reconstructions.However in the cases of limited views (lose dose imaging) and/or limited angle (specificconstrains of the setup), the data available for inversion are not complete, the problembecomes more ill-conditioned, and the results show significant artifacts. In these situations,an alternative approach of reconstruction, based on a discrete model of the problem,consists in using an iterative algorithm or a statistical modelisation of the problem to computean estimate of the unknown object. These methods are classicaly based on a volumediscretization into a set of voxels and provide 3D maps of densities. Computation time andmemory storage are their main disadvantages. Moreover, whatever the application, thevolumes are segmented for a quantitative analysis. Numerous methods of segmentationwith different interpretations of the contours and various minimized energy functionalare offered, and the results can depend on their use.This thesis presents a novel approach of tomographic reconstruction simultaneouslyto segmentation of the different materials of the object. The process of reconstruction isno more based on a regular grid of pixels (resp. voxel) but on a mesh composed of nonregular triangles (resp. tetraedra) adapted to the shape of the studied object. After aninitialization step, the method runs into three main steps: reconstruction, segmentationand adaptation of the mesh, that iteratively alternate until convergence. Iterative algorithmsof reconstruction used in a conventionnal way have been adapted and optimizedto be performed on irregular grids of triangular or tetraedric elements. For segmentation,two methods, one based on a parametric approach (snake) and the other on a geometricapproach (level set) have been implemented to consider mono and multi materials objects.The adaptation of the mesh to the content of the estimated image is based on the previoussegmented contours that makes the mesh progressively coarse from the edges to thelimits of the domain of reconstruction. At the end of the process, the result is a classicaltomographic image in gray levels, but whose representation by an adaptive mesh toits content provide a correspoonding segmentation. The results show that the methodprovides reliable reconstruction and leads to drastically decrease the memory storage. Inthis context, the operators of projection have been implemented on parallel archituecturecalled GPU. A first 2D version shows the feasability of the full process, and an optimizedversion of the 3D operators provides more efficent compoutations.


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