Validation de la plate-forme de simulation GATE en Tomographie d'Emission Monophotonique et application au développement d'un algorithme de reconstruction 3D complète - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2003

Validation of the GATE simulation platform in Single Photon Emission Computed Tomography and application to the development of a fully 3D reconstruction algorithm

Validation de la plate-forme de simulation GATE en Tomographie d'Emission Monophotonique et application au développement d'un algorithme de reconstruction 3D complète

Résumé

Monte Carlo simulations are currently considered in nuclear medical imaging as a powerful tool to design and optimize detection systems, and also to assess reconstruction algorithms and correction methods for degrading physical effects. Among the many simulators available, none of them is considered as a standard in nuclear medical imaging: this fact has motivated the development of a new generic Monte Carlo simulation platform (GATE), based on GEANT4 and dedicated to SPECT/PET applications. We participated during this thesis to the development of the GATE platform within an international collaboration. GATE was validated in SPECT by modeling two gamma cameras characterized by a different geometry, one dedicated to small animal imaging and the other used in a clinical context (Philips AXIS), and by comparing the results obtained with GATE simulations with experimental data. The simulation results reproduce accurately the measured performances of both gamma cameras. The GATE platform was then used to develop a new 3D reconstruction method (F3DMC) which consists in computing with Monte Carlo simulation the transition matrix used in an iterative reconstruction algorithm (in this cas, ML-EM), including within the transition matrix the main physical effects degrading the image formation process. The results obtained with the F3DMC method were compared to the results obtained with three other more conventional methods (FBP, MLEM, MLEMC) for different phantoms. The results of this study show that F3DMC allows to improve the reconstruction efficiency, the spatial resolution and the signal to noise ratio with a satisfactory quantification of the images. These results should be confirmed by performing clinical experiments and open the door to a unified reconstruction method, which could be applied in SPECT but also in PET.
Les simulations Monte-Carlo représentent actuellement en imagerie médicale nucléaire un outil puissant d'aide à la conception et à l'optimisation des détecteurs, et à l'évaluation des algorithmes de reconstruction et des méthodes de corrections des effets physiques. Parmi les nombreux simulateurs disponibles aujourd'hui, aucun n'est considéré comme standard en imagerie nucléaire, ce qui a motivé le développement d'une nouvelle plate-forme de simulation Monte-Carlo générique (GATE), basée sur GEANT4 et dédiée aux applications SPECT/PET. Au cours de cette thèse, nous avons participé au développement de la plate-forme GATE dans le cadre d'une collaboration internationale. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant deux gamma-caméras de conception différente, l'une dédiée à l'imagerie du petit animal et l'autre utilisée en routine clinique (Philips AXIS), et en comparant les résultats issus des simulations GATE avec les données acquises expérimentalement. Les résultats des simulations reproduisent avec précision les performances des deux gamma-caméras mesurées. La plate-forme GATE a ensuite été employée pour développer une nouvelle méthode de reconstruction 3D (F3DMC), consistant à calculer par simulation Monte-Carlo la matrice de transition utilisée dans un algorithme de reconstruction itératif (ici, ML-EM), en y incluant les principaux effets physiques perturbant le processus de formation de l'image. Les résultats de F3DMC sont comparés aux résultats obtenus avec trois autres méthodes de reconstruction plus classiques (FBP, MLEM, MLEMC) pour différents fantômes simulés. Les résultats de cette étude montrent que F3DMC permet d'améliorer l'efficacité de reconstruction, la résolution spatiale et le rapport signal-sur-bruit avec une quantification satisfaisante des images. Ces résultats devront être confirmés par des études cliniques et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.
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Citer

Delphine Lazaro. Validation de la plate-forme de simulation GATE en Tomographie d'Emission Monophotonique et application au développement d'un algorithme de reconstruction 3D complète. Biophysique [physics.bio-ph]. Université Blaise Pascal - Clermont-Ferrand II, 2003. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00005443⟩
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