SOUTENANCE DE THESE
5/02/2015
CHEN Long 05/02/15 LSS à 10h30

SUJET :  Développement de nouvelles méthodes itératives de reconstruction tomographique pour réduction des artefacts métalliques et réduction de la dose en imagerie dentaire

Sous la direction de M – Mme : Thomas RODET
Son directeur de recherches.
SOUTENANCE DE THESE AYANT POUR JURY :
(indiquer les noms par ordre alphabétique)
• BLEUET Pierre
• DESBAT Laurent
• GAC Nicolas
• MARCOS Sylvie
• MAURY Colombe
• NGUYEN-VERGER Maï
• RODET Thomas

RESUME

Cette thèse est constituée de deux principaux axes de recherche portant sur l'imagerie dentaire par la tomographie à rayons X : le développement de nouvelles méthodes itératives de reconstruction tomographique afin de réduire les artefacts métalliques et la réduction de la dose délivrée au patient. Le premier problème abordé est plus complexe qu'il n'y parait. Il faut pour le résoudre traiter deux principaux problèmes, le durcissement des faisceaux de rayons X (durcissement de spectre) et la prise en compte du rayonnement diffusé. La réduction de la dose est abordée dans cette thèse en diminuant le nombre des projections traitées.

La tomographie par rayons X a pour objectif de reconstruire la cartographie des coefficients d'atténuations d'un objet inconnu de façon non destructive. Les bases mathématiques de la tomographie repose sur la transformée de Radon et son inversion. Néanmoins des artefacts métalliques apparaissent dans les images reconstruites en inversant la transformée de Radon (la méthode de rétro-projections filtrées) un certain nombre d'hypothèse faites dans cette approche ne sont pas vérifiées. En effet, la présence du métal exacerbe les phénomènes de durcissement de spectre et l'absence de prise en compte du rayonnement diffusé. Nous nous intéressons dans cette thèse aux méthodes itératives issues d'une méthodologie Bayésienne. Afin d'obtenir des résultats de traitement compatible avec une application clinique de nos nouvelles approches, nous avons choisi un modèle direct relativement simple (linéaire) associé à des approches de corrections de données. De plus nous avons prise en compte l'incertitude liée à la correction des données en utilisant la minimisation d'un critère de moindres carrés pondérés. Nous proposons donc une nouvelle méthode de correction du durcissement du métal sans connaissances de spectre de source et des coefficients d'atténuation des matériaux et une nouvelle méthode de correction du diffusé associée sur les mesures dans certaine condition notamment dans la condition de faible dose.

En imagerie médicale par tomographie à rayons X, la surexposition ou exposition non nécessaire irradiante augmente le risque de cancer radio-induit lors d'un examen du patient. Il y a donc une demande continue de réduction de la dose de rayons X transmise au patient. Notre deuxième axe de recherche porte donc sur la réduction de la dose par réduire le nombre des projections. Nous avons donc introduit un nouveau mode d'acquisition possédant un échantillonnage angulaire adaptatif. On utilise pour définir cette acquisition notre connaissance a priori de l'objet. Ce mode d'acquisition associé à un algorithme de reconstruction dédiée nous permet de réduire le nombre de projections tout en obtenant une qualité de reconstruction comparable au mode d'acquisition classique. Enfin, dans certaine configuration nous avons un détecteur qui n'arrive pas à couvrir l'ensemble de l'objet. Pour s'affranchir des problèmes lié à la tomographie locale, nous avons des acquisitions multiples suivant des trajectoires circulaires. Nous avons adaptés les résultats développés sur le « super short scan » [Noo et al 2003] à cette trajectoire très particulière et au faite que le détecteur mesure que des projections tronquées.

Nous avons évalués nos méthodes de réduction des artefacts métalliques et de réduction de la dose en diminuant le nombre des projections sur les données réelles. Grâce à nos méthodes de réduction des artefacts métalliques, l'amélioration de qualité des images est indéniable et il n'y a pas d'introduction de nouveaux artefacts en comparant avec la méthode de l'état de l'art NMAR [Meyer et al 2010]. En plus, on réussite de réduire le nombre des projections à travers de notre nouveau mode d'acquisition et de « super short scan » sur multiples trajectoires en obtenant la qualité comparable des images que le mode d'acquisition classique et short-scan.


Abstract

This thesis contains two main themes: development of new iterative approaches for metal artifact reduction (MAR) and for dose reduction in dental CT (Computed Tomography). The metal artifacts are mainly from the beam-hardening, scatter and photon starvation in case of metal in contrast background like metallic dental implants in teeth. The first issue concerns about data correction on account of these effects. The second theme is contributed to reduce the radiation dose delivered to a patient by decreasing the number of the projections.

At first, for the purpose of the metal artifacts reduction, the polychromatic spectra of X-ray beam and scatter can be modeled by a non-linear direct modeling in the statistical methods. But the reconstruction by statistical methods is much time consuming. Consequently, we proposed an iterative algorithm with a linear direct modeling based on data correction (beam-hardening and scatter). We introduced a new beam-hardening correction without knowledge of the spectra of X-ray source and the linear attenuation coefficients of the materials and a new scatter estimation method based on the measurements as well.

Later, we continued to study the iterative approaches of dose reduction since the over-exposition or unnecessary exposition of irradiation during a scan has increased the patient's risk of radio-induced cancer. In practice, it may be interesting that one can reconstruct an object larger than the field of view of scanner. We proposed an iterative algorithm on super-short-scans on multiple scans in this case, which contain a minimal set of the projections for an optimal dose. Furthermore, we introduced a new scanning mode of variant angular sampling for reducing the number of projections on a single scan, which was adapted to the properties and predefined interesting regions of the scanned object. It needed fewer projections than the standard scanning mode of uniform angular sampling to reconstruct the objet correctly.

All of our approaches for MAR and dose reduction has been evaluated on real data. Thanks to our MAR methods, the quality of reconstructed images was improved notablely. Besides il did not introduce some new artifacts compared to the MAR methode of state of art NMAR [Meyer et al 2010]. We could reduce obviously the projection number with the proposed new scanning mode and schema of super-short-scans on multiple scans in particular case.