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Reconstruction tomographique et Simulations Monte Carlo

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Cette section décrit les travaux de l'équipe concernant la reconstruction en tomographie d'émission (RTE) et l'utilisation de simulation Monte Carlo (SMC) dans des applications médicales.

L'objectif des travaux en RTE est de prendre en compte directement dans la reconstruction l'ensembles des dégradations physiques et physiologiques intervenant pendant l'acquisition du patient par le scanner. La finalité est d'obtenir une reconstruction quantitative de haute résolution avec un temps de reconstruction compatible à une utilisation en routine clinique. Pour cela nos travaux s'articulent autour de plusieurs sujets comme la modélisation des détecteurs du scanner, la prise en compte des processus physiologiques du patient mais également le développement d'algorithme de reconstruction sur des architectures GPU.

La simulation Monte Carlo permet de simuler les interactions entre les particules et la matière. Les travaux en SMC consistent à utiliser ce type de simulation pour des applications médicales qui font intervenir l'utilisation de particule à des fins de diagnostic ou de thérapie. Cela inclut la participation au développement de la plateforme de SMC GATE (Geant4 Application for Tomography Emission), spécialement dédié aux applications médicales. Notamment à l'amélioration des temps de calculs par l'utilisation d'architectures hybrides CPU/GPU (projet hGATE). Nos travaux en SMC a pour but de modéliser et de simuler plusieurs types d'appareils médicaux pour améliorer le diagnostic et la thérapie du patient. Nous travaillons sur les systèmes d'imagerie (scanners TEP), les accélérateurs linéaires en radiothérapie mais également sur des systèmes de radiothérapie par modulation d'intensité. Pour des simulations réalistes et spécifiques à chaque patient nous développons des méthodes de simulations de fantômes anthropomorphiques dynamiques.

Travaux

Reconstruction liste mode en Tomographie d'Emission de Positons (TEP) :

  • Modélisation et correction du détecteur

Dans la reconstruction en tomographie d’émission de positons la modélisation précise des effets intervenant au niveau du détecteur du scanner est un point primordial permettant d'assurer une bonne qualité des images reconstruites. Deux aspects fondamentaux doivent être pris en compte dans cette modélisation, d'une part la géométrie de ce détecteur et d'autre part les effets physiques qui interviennent à son niveau. Actuellement les méthodes de reconstruction clinique utilisent une modélisation partielle du détecteur pour des raisons de temps de calcul. Nos travaux proposent de corriger tous les effets de dégradation du détecteur dans la reconstruction à partir de modélisations obtenues par simulation Monte Carlo. Notre objectif est de proposer à la fois une reconstruction de qualité en incluant les corrections et à la fois suffisamment rapide pour être utilisé en routine clinique, notamment par l’utilisation d’architectures hybrides CPU/GPU.

  • Architectures hybrides CPU/GPU

Au cours des dernières années, un certain nombre d’innovations matérielles ont été introduites pour les modalités d’imagerie en tomographie d’émission, avec pour objectif d’améliorer la précision quantitative et la qualité des images reconstruites. Les développements de nouveaux détecteurs permettent la mesure d'informations supplémentaires, comme l'information temporelle, spatiale ou énergétique, qui seront incorporés dans les futures générations de systèmes d'imagerie clinique. La prise en compte de toutes ces nouvelles informations ainsi que la correction de toutes les causes de dégradations dans une reconstruction en TEP n’est actuellement pas envisageable en routine clinique, car les moyens de calculs disponibles dans les services hospitaliers sont largement insuffisants. Ceci constitue un verrou majeur que nos travaux visent à lever par l'utilisation d’architectures hybrides CPU/GPU, qui disposent d’une grande puissance de calcul pour un coût dérisoire.

J. Bert and D. Visvikis, A Fast CPU/GPU Ray Projector for Fully 3D List-Mode PET Reconstruction, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 2011, 4126-4130.

Simulations Monte Carlo :

  • Simulations et modélisations GATE

En cours de construction

S. Jan, GATE: a simulation toolkit for PET and SPECT, Physics in Medicine and Biology 2004;49(19):4543-61
S. Jan, GATE V6: a major enhancement of the GATE simulation platform enabling modelling of CT and radiotherapy, Physics in Medicine and Biology 2011;56(4):881-901
F. Lamare, et al, Validation of a Monte Carlo simulation of the Philips Allegro/Gemini PET systems using GATE, Physics in Medicine and Biology 2006;51:943-962
A. Le Maître, et al, Incorporating patient specific variability in the simulation of realistic whole body 18F-FDG distributions for oncology applications, Proceedings of the IEEE 2009;97:2026-2038
P. Descourt, et al, Implementation of angular response function modeling in SPECT simulations with GATE, Physics in Medicine and Biology 2010;55(9):N253-66.

  • Architectures hybrides CPU/GPU (hGATE)

La simulation Monte-Carlo joue un rôle important dans les applications médicales. Dans ce contexte GATE est un logiciel pleinement dédié dans l’imagerie médicale et la radiothérapie. Malheureusement ce type de simulation demande un calcul très intensif demandant l’utilisation de cluster de PC, ce qui n’est pas envisageable dans un environnement clinique. Récemment, les processeurs des cartes graphiques (GPU) sont devenus dans beaucoup de domaine la solution pour obtenir une puissance de calcul importante à un faible coût. Nos travaux, par le biais du projet hGATE financé par l’ANR (COSINUS), consistent d’une part à développer des modules de calcul MC sur GPU pour des applications médicales spécifiques et d’autre part à les intégrer dans le logiciel GATE. Projet hGATE : http://latim.univ-brest.fr/hgate

H. Perez-Ponce, Z. El Bitar, Y. Boursier, D. Vintache, A. Bonissent, C. Morel, D. Brasse, D. Visvikis, J. Bert, Implementing Geant4 on GPU for Medical Applications, IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, 2011, 2703-2707

  • Modélisation d'accélérateurs linéaire en radiothérapie

En cours de reconstruction

  • Radiothérapie par modulation d'intensité

En cours e reconstruction

Mise à jour le Jeudi, 31 Mai 2012 09:49