Dévelοppement d'une caméra gamma pοrtable pοur la lοcalisatiοn précise en trois dimensiοns de pοints chauds radiοactifs

Development of a portable gamma camera for accurate 3-D localization of radioactive hotspots

• Auteur / Autrice : Vincenzo Paradiso
• Direction : Etienne Liénard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 31/03/2017
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique corpusculaire de Caen (1947-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Caen Normandie (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Claude Angélique
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Liénard, Olivier Limousin, Irène Buvat, Khalil Amgarou, Nicolas Blanc de la Naute
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Limousin, Irène Buvat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie par rayonnement gamma diffusé

Imagerie tridimensionnelle

Caméras à scintillations

Radioactivité

Étalonnage

Mots clés libres

Masques codés

Gamma camera

3D gamma imaging

Timepix

Calibration

Coded aperture

Gamma Imaging

Radioactive hotspots

Résumé

Le présent travail a pour but le développement d’une caméra gamma à masque codé permettant d’estimer la position tridimensionnelle (3D) des sources radioactives. Cela est d’un intérêt considérable dans le cadre d’un grand nombre d'applications, de la reconstruction de la forme 3D des objets radioactifs aux systèmes de réalité augmentée appliqués à la radioprotection. Les caméras gamma portables actuelles ne fournissent que la position angulaire relative des sources gamma à localiser, c'est-à-dire qu'aucune information métrique concernant les sources n’est disponible, comme par exemple leur distance par rapport à la caméra. Dans cette thèse, nous proposons principalement deux approches permettant d’estimer la position 3D des sources. La première approche consiste à étalonner la caméra gamma avec un capteur de profondeur à lumière structurée. La seconde approche permet d'estimer la distance source-détecteur par une méthode d’imagerie gamma stéréoscopique. Pour aligner géométriquement les images obtenues par la caméra gamma, le capteur de profondeur, et la caméra optique, une procédure d'étalonnage n’utilisant qu’une seule source ponctuelle radioactive a été conçue et mise en œuvre. Les résultats expérimentaux démontrent que les approches proposées permettent d'obtenir une précision inférieure au pixel, tant pour l’erreur de reprojection que pour la superposition des images gamma et optiques. Ces travaux présentent également une analyse quantitative de la précision et de la résolution relatives à l’estimation de la distance source-détecteur. De plus, les résultats obtenus ont validé le choix de la géométrie du modèle sténopé pour les caméras gamma à masque codé.

A coded aperture gamma camera for retrieving the three-dimensional (3-D) position of radioactive sources is presented. This is of considerable interest for a wide number of applications, ranging from the reconstruction of the 3-D shape of radioactive objects to augmented reality systems. Current portable γ-cameras only provide the relative angular position of the hotspots within their field of view. That is, they do not provide any metric information concerning the located sources. In this study, we propose two approaches to estimate the distance of the surrounding hotspots, and to autonomously determine if they are occluded by an object. The first consists in combining and accurately calibrating the gamma camera with a structured-light depth sensor. The second approach allows the estimation of the source-detector distance by means of stereo gamma imaging. To geometrically align the images obtained by the gamma, depth, and optical cameras used, a versatile calibration procedure has been designed and carried out. Such procedure uses a calibration phantom intentionally easy to build and inexpensive, allowing the procedure to be performed with only one radioactive point source. Experimental results showed that our calibration procedure yields to sub-pixel accuracy both in the re-projection error and the overlay of radiation and optical images. A quantitative analysis concerning the accuracy and resolution of the retrieved source-detector distance is also provided, along with an insight into the respective most influential factors. Moreover, the results obtained validated the choice of the geometry of the pinhole model for a coded aperture gamma camera.