Optimisation et validation d'un algorithme de reconstruction 3D en tomographie d'émission monophotonique à l'aide de la plate forme de simulation GATE
Résumé
Although time consuming, Monte-Carlo simulations remain an efficient tool enabling to assess correction methods for degrading physical effects in medical imaging.
We have optimized and validated a reconstruction method baptized F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) in which the physical effects degrading the image formation process were modelled using Monte-Carlo methods and integrated within the system matrix. We used the Monte-Carlo simulation toolbox GATE. We validated GATE in SPECT by modelling the gamma-camera (Philips AXIS) used in clinical routine. Techniques of threshold, filtering by a principal component analysis and targeted reconstruction (functional regions, hybrid regions) were used in order to improve the precision of the system matrix and to reduce the number of simulated photons as well as the time consumption required. The EGEE Grid infrastructures were used to deploy the GATE simulations in order to reduce their computation time. Results obtained with F3DMC were compared with the reconstruction methods (FBP, ML-EM, ML-EMC) for a simulated phantom and with the OSEM-C method for the real phantom. Results have shown that the F3DMC method and its variants improve the restoration of activity ratios and the signal to noise ratio. By the use of the grid EGEE, a significant speed-up factor of about 300 was obtained. These results should be confirmed by performing studies on complex phantoms and patients and open the door to a unified reconstruction method, which could be used in SPECT and also in PET.
We have optimized and validated a reconstruction method baptized F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) in which the physical effects degrading the image formation process were modelled using Monte-Carlo methods and integrated within the system matrix. We used the Monte-Carlo simulation toolbox GATE. We validated GATE in SPECT by modelling the gamma-camera (Philips AXIS) used in clinical routine. Techniques of threshold, filtering by a principal component analysis and targeted reconstruction (functional regions, hybrid regions) were used in order to improve the precision of the system matrix and to reduce the number of simulated photons as well as the time consumption required. The EGEE Grid infrastructures were used to deploy the GATE simulations in order to reduce their computation time. Results obtained with F3DMC were compared with the reconstruction methods (FBP, ML-EM, ML-EMC) for a simulated phantom and with the OSEM-C method for the real phantom. Results have shown that the F3DMC method and its variants improve the restoration of activity ratios and the signal to noise ratio. By the use of the grid EGEE, a significant speed-up factor of about 300 was obtained. These results should be confirmed by performing studies on complex phantoms and patients and open the door to a unified reconstruction method, which could be used in SPECT and also in PET.
Les simulations de Monte-Carlo, bien que consommatrices en temps de calcul, restent un outil puissant qui permet d'évaluer les méthodes de correction des effets physiques en imagerie médicale.
Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilisé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, régions hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP, ML-EM, ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.
Nous avons optimisé et validé une méthode de reconstruction baptisée F3DMC (Fully 3D Monte Carlo) dans laquelle les effets physiques perturbant le processus de formation de l'image en tomographie d'émission monophotonique sont modélisés par des méthodes de Monte-Carlo et intégrés dans la matrice-système. Le logiciel de simulation de Monte-Carlo utilisé est GATE. Nous avons validé GATE en SPECT en modélisant la gamma-caméra (Philips AXIS) utilisé en routine clinique. Des techniques de seuillage, filtrage par analyse en composantes principales et de reconstruction ciblée (régions fonctionnelles, régions hybrides) ont été testées pour améliorer la précision de la matrice-système et réduire le nombre de photons ainsi que le temps de calcul nécessaires. Les infrastructures de la grille EGEE ont été utilisées pour déployer les simulations GATE afin de réduire leur temps de calcul. Les résultats obtenus avec F3DMC sont comparés avec les méthodes de reconstruction (FBP, ML-EM, ML-EMC) pour un fantôme simulé et avec la méthode OSEM-C pour un fantôme réel. Les résultats de cette étude montrent que la méthode F3DMC ainsi que ses variantes permettent d'améliorer la restauration des rapports d'activité et le rapport signal sur bruit. L'utilisation de la grille de calcul EGEE a permis d'obtenir un gain de l'ordre de 300 en temps de calcul. Dans la suite, ces résultats doivent être confirmés par des études sur des fantômes complexes et des patients et ouvrent la voie vers une méthode de reconstruction unifiée, pouvant être appliquée aussi bien en SPECT qu'en PET.