Optimisation d'un collimateur à ouverture codée avec la plate-forme de simulation Monte Carlo GATE

par Antoine Martineau

Thèse de doctorat en Hématologie. Thérapeutiques biotechnologies

Sous la direction de Jean-Luc Moretti.

Soutenue en 2009

à Paris 7 .

mots clés

• Interprétation d'images assistée par ordinateur
• Algorithmes -- microbiologie
• Fonctions de vraisemblance
• Fantômes en imagerie
• Méthode de Monte Carlo

Résumé

En Médecine Nucléaire, l'imagerie par ouverture codée a été développée comme une alternative aux collimateurs à canaux parallèles pour atteindre une grande sensibilité de détection ainsi qu'une haute résolution spatiale. Les principales limites sont la formation d'artefacts et l'effet de collimation pour l'imagerie 2D, et une dégradation de la résolution spatiale longitudinale en imagerie 3D. Au cours de cette thèse, nous avons développé un algorithme de reconstruction ML-EM (Maximum Likelihood - Expectation Maximization) basé sur une matrice système estimée par des simulations Monte Carlo, et incluant la géométrie du masque codé ainsi que les effets physiques entrant en compte dans l'imagerie par ouverture codée. Nous avons validé la construction du masque codé dans la plate-forme de simulation GATE en comparant les données simulées avec les résultats expérimentaux. Le masque codé est basé sur un ensemble cyclique de différences de Singer et est monté sur une gamma-caméra clinique. Nous avons trouvé un bon accord entre les spectres en énergie mesurés et simulés avec et sans milieu diffusant et entre les fonctions de dispersions ponctuelles 3D mesurée et simulée. Nous avons calculé les coefficients de probabilité de la matrice système avec des simulations du masque code en utilisant GATE. Les résultats de la reconstruction d'une étude sur un fantôme simulé montrent que les artefacts en champ proche sont totalement supprimés en utilisant l'algorithme ML-EM à la place de la méthode de décodage classique par corrélation. Des d'études expérimentales sur fantôme et sur patient montrent la faisabilité de cette méthode de reconstruction pour la scintigraphie thyroïdienne 3D.

Titre traduit

Coded aperture optimization using Monte Carlo simulations with GATE simulation toolkit

Résumé

In Nuclear Medicine, coded aperture imaging was developed as an alternative to parallel hole collimators in order to achieve high sensitivity and high spatial resolution. The main limitations consist of near-field artifacts and aperture collimation effect for 2D imaging, and on a poor longitudinal spatial resolution for 3D imaging. We developed during this thesis, a ML-EM (Maximum Likelihood - Expectation Maximization) reconstruction algorithm with a Monte Carlo-based system matrix, including the geometry of the coded mask and all the physical effects involved in coded aperture imaging. We validated the construction of the coded mask in GATE simulation toolkit by comparison between experimental and simulation data sets. The coded mask is based on a Singer cyclic difference set and is mounted on a clinical gamma camera. We found a good agreement between measured and simulated energy spectra 4n non-scatter and in scatter conditions and between the experimental and simulated 3D point spread fonction. We calculated the probability coefficients of the System matrix using GATE simulations of the coded aperture. The reconstruction results of a simulated phantom study show that near-field artifacts are totally suppressed using the ML-EM algorithm in place of the standard correlation decoding method. The reconstruction results on a phantom and on a patient studies prove the feasibility of this reconstruction method for 3D scintigraphy thyroid.