Apport de la programmation graphique pour la reconstruction rapide d'images 3D en tomographie par émission monophotonique

Contribution of graphics programming for fast single photon emission computed tomography images reconstruction

• Auteur / Autrice : Guillaume Viguié
• Direction : Jean-Paul Esquerré, Dominikus Noll
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Radiophysique et imagerie médicales
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie tridimensionnelle

Cartes graphiques (informatique)

Programmation (mathématiques)

Tomographie par émission

Mots clés libres

Gpgpu

Temp

Reconstruction tomographique

Osem

Atténuation

Résolution

Résumé

La Tomographie par Emission Mono-Photonique (TEMP) est une modalité d'imagerie médicale qui a pour objectif la visualisation 3D de la fixation d'une molécule marquée par un isotope radioactif administrée à un patient. Les photons émis par le radioisotope sont détectés sous forme d'images planes selon différentes incidences par une caméra tournante munie d'un collimateur. Le problème de la reconstruction tomographique consiste à calculer le volume 3D de la concentration de la molécule radiomarquée à partir d'une série d'images de projection 2D. Deux phénomènes physiques principaux perturbent les données : une résolution limitée variable avec la distance du fait du collimateur, et une atténuation par les tissus du patient des photons émis. L'objectif de cette est de contribuer à l'amélioration de la prise en compte de ces phénomènes. Au sujet de la prise en compte de la résolution limitée, plusieurs méthodes ont été proposées. Les plus performantes, basées sur la modélisation de la réponse du collimateur au sein de méthodes de reconstruction itératives, sont très coûteuses en temps de calcul, ce qui limite leur utilisation en pratique. Dans ce travail nous présentons une technique informatique, basée sur la programmation des cartes graphiques " grand public ", permettant de diviser par 100 le temps de calcul pour ce type de méthode. Au sujet de la prise en compte de l'atténuation, nous avons mis en œuvre une méthode permettant de corriger l'atténuation non uniforme à partir des seules données d'émission. Mathématiquement, il s'agit d'un problème inverse non linéaire sous déterminé. Deux méthodes ont été testées, l'une par optimisation, l'autre par méthode itérative en estimant alternativement le volume de la concentration radioactive et le volume du coefficient d'atténuation. . .

Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) is a non-invasive medical imaging modality which visualizes radioactively labeled molecules administered to a patient. Photons emitted by the radio-isotopes are detected by a rotating camera system equipped by a lead collimator. A mathematical inversion technique is used to reconstruct the unknown 3D distribution of radio-activity in the body from the series of 2D projection images recorded by the system. In this process, image quality may be affected by two major degrading phenomena, collimator blurring, and attenuation of photons via the photoelectric and the Compton effects. The aim of this thesis is to enhance the quality of SPECT reconstructed images by reducing these degrading effects. Several methods have been proposed to correct the effects of collimator blurring. The most efficient is to include a physical model of the collimator response function and to reconstruct images by an iterative method, which includes this model. Here we extend this line by improving convergence. The use of graphic cards can accelerate this process by a factor of 100. We have implemented non-uniform attenuation correction methods which do not need additional transmission measurements, but uses emission data only. Reconstruction of activity based on emission data is a difficult non-linear ill-posed inverse problem. Two approaches have been tested, one based on non-linear optimization techniques, a second based on iterative techniques similar to those currently in use. The iterative technique performed more stably and generally produced better results. In simulated studies we were able to demonstrate an improvement over existing techniques, while this rests to be established in the case of clinical data. . .