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Soutenance de thèse : Gaël Rigaud

Titre de la thèse

Etude des transformées de Radon généralisées et applications en tomographie Compton
Study of generalized Radon transforms and applications in Compton scattering tomography

Date et lieu de soutenance

Mercredi 20 novembre 2013, 14h30.
ENSEA, Salle des conseils.

Résumé

Depuis l’avènement des premiers appareils imageurs par rayonnement ionisant initié par les prix Nobel Godfrey Newbold Hounsfield et Allan MacLeod Cormack en 1979, le besoin en de nouvelles techniques d’imagerie non invasives n’a cessé de croître. Ces techniques s’appuient sur les propriétés de pénétration dans la matière des rayonnements X et gamma pour détecter une structure cachée sans avoir à détruire le milieu exposé. Elles sont employées dans de nombreux domaines allant de l’imagerie médicale au contrôle non destructif en passant par le contrôle environnemental. Cependant les techniques utilisées jusqu’à maintenant subissent de fortes dégradations dans la qualité des mesures et des images reconstruites. Généralement approchées par un bruit, ces dégradations exigent d’être compensées ou corrigées par des dispositifs de collimation et de filtrage souvent coûteux. Ces dégradations sont principalement dues aux phénomènes de diffusion qui peuvent constituer jusqu’à 80 % du rayonnement émis en imagerie biomédicale. Dès les années 80 un nouveau concept a vu le jour pour contourner cette difficulté : la tomographie Compton. Cette nouvelle approche propose de mesurer le rayonnement dit diffusé en se plaçant dans des gammes d’énergie (140−511 keV) où l’effet Compton est le phénomène de diffusion prépondérant. L’exploitation de tels dispositifs d’imagerie nécessite une compréhension profonde des interactions rayonnement/matière afin de proposer un modèle, cohérent avec les données mesurées, indispensable à la reconstruction d’images. Dans les systèmes d’imagerie conventionnels (qui mesurent le rayonnement primaire), la transformée de Radon définie sur les lignes droites est apparue comme le modèle naturel. Mais en tomographie Compton, l’information mesurée est liée à l’énergie de diffusion et ainsi à l’angle de diffusion. Ainsi la géométrie circulaire induite par le phénomène de diffusion rend la transformée de Radon classique inadaptée. Dans ce contexte, il devient nécessaire de proposer des transformées de type Radon sur des variétés géométriques plus larges.

L’étude de la transformée de Radon sur de nouvelles diversités de courbes devient alors nécessaire pour répondre aux besoins d’outils analytiques de nouvelles techniques d’imagerie. Cormack, lui-même, fut le premier à étendre les propriétés de la transformée de Radon classique à une famille de courbes du plan. Par la suite plusieurs travaux ont été menés dans le but d’étudier la transformée de Radon définie sur différentes variétés de cercles, des sphères, des lignes brisées pour ne citer qu’eux. En 1994 S.J. Norton proposa la première modalité de tomography Compton modélisable par une transformée de Radon sur les arcs de cercle, la CART1. En 2010 Nguyen et Truong établirent l’inversion de la transformée de Radon sur les arcs de cercle, CART2, permettant de modéliser la formation d’image dans une nouvelle modalité de tomographie Compton. La géométrie des supports d’intégration impliqués dans de nouvelles modalités de tomographie Compton les conduirent à démontrer l’invertibilité de la transformée de Radon définie sur une famille de courbes de type Cormack, appelée Calpha. Ils illustrèrent la procédure d’inversion dans le cadre d’une nouvelle transformée, la CART3 modélisant une nouvelle modalité de tomographie Compton. En nous basant sur les travaux de Cormack et de Truong et Nguyen, nous proposons d’établir plusieurs propriétés de la transformée de Radon définie sur la famille Calpha et plus particulièrement sur C1. Nous avons ainsi démontré deux formules d’inversion qui reconstruisent l’image d’origine via sa décomposition harmonique circulaire et celle de sa transformée et qui s’apparentent à celles établies par Truong and Nguyen. Nous avons enfin établi la bien connue rétroprojection filtrée ainsi que la décomposition en valeurs singulières dans le cas alpha = 1. L’ensemble des résultats établis dans le cadre de cette étude apporte des réponses concrètes aux problèmes de reconstruction d’image associés à ces nouvelles transformées. En particulier nous avons pu établir de nouvelles méthodes d’inversion pour les transformées CART1,2,3 et ainsi que les approches numériques nécessaires pour l’implémentation de ces transformées. Tous ces résultats ont ainsi permis de résoudre les problèmes de formation et de reconstruction d’image liés à trois modalités de tomographie Compton.

En outre nous proposons d’améliorer les modèles et algorithmes proposés afin de tenir compte des phénomènes d’atténuation. En effet le rayonnement diffusé est soumis au phénomène d’atténuation induit par la traversée du flux de photons dans la matière. La prise en compte d’un tel facteur dans nos modèles rend alors nos méthodes d’inversion inadaptées. Dès lors nous avons proposé une méthode de correction itérative généralisée adaptée à l’imagerie utilisant nos méthodes d’inversion pour corriger le facteur d’atténuation. Cette méthode constitue une généralisation de l’algorithme IPC (Iterative Pre-Correction) qui fut proposé en 1992 par Mazé. Nous avons ensuite associé deux modalités de tomographie Compton avec des architectures compatibles : une des modalités étudiées fonctionnant par transmission à une modalité, établie par Nguyen et Truong, fonctionnant, elle, par émission. Cette combinaison constitue le tout premier système d’imagerie bimodal utilisant le rayonnement diffusé comme agent imageur et permet l’obtention de la densité d’électrons et de l’activité proposant ainsi une alternative innovante et pertinente au SPECT-CT scan classique.

Mots-clefs

Problèmes inverses, Transformée de Radon, tomographie Compton, rayonnement diffusé

Abstract

Since the advent of the first ionizing radiation imaging devices initiated by Godfrey Newbold Hounsfield and Allan MacLeod Cormack, Nobel Prizes in 1979, the requirement for new non-invasive imaging techniques has grown. These techniques rely upon the properties of penetration in the matter of X and gamma radiation for detecting a hidden structure without destroying the illuminated environment. They are used in many fields ranging from medical imaging to non-destructive testing through. However, the techniques used so far suffer severe degradation in the quality of measurement and reconstructed images. Usually approximated by a noise, these degradations require to be compensated or corrected by collimating devices and often expensive filtering. These degradation is mainly due to scattering phenomena which may constitute up to 80% of the emitted radiation in biological tissue. In the 80’s a new concept has emerged to circumvent this difficulty : the Compton scattering tomography (CST). This new approach proposes to measure the scattered radiation considering energy ranges ( 140-511 keV) where the Compton effect is the phenomenon of leading broadcast. The use of such imaging devices requires a deep understanding of the interactions between radiation and matter to propose a modeling, consistent with the measured data, which is essential to image reconstruction. In conventional imaging systems (which measure the primary radiation) the Radon transform defined on the straight lines emerged as the natural modeling. But in Compton scattering tomography, the measured information is related to the scattering energy and thus the scattering angle. Thus the circular geometry induced by scattering phenomenon makes the classical Radon transform inadequate. In this context, it becomes necessary to provide such Radon transforms on broader geometric manifolds.

The study of the Radon transform on new manifolds of curves becomes necessary to provide theoretical needs for new imaging techniques. Cormack, himself, was the first to extend the properties of the conventional Radon transform of a family of curves of the plane. Thereafter several studies have been done in order to study the Radon transform defined on different varieties of circles, spheres, broken lines... . In 1994 S.J. Norton proposed the first modality in Compton scattering tomography modeled by a Radon transform on circular arcs, the CART1 here. In 2010, Nguyen and Truong established the inversion formula of a Radon transform on circular arcs, CART2, to model the image formation in a new modality in Compton scattering tomography. The geometry involved in the integration support of new modalities in Compton scattering tomography lead them to demonstrate the invertibility of the Radon transform defined on a family of Cormack-type curves, called Calpha. They illustrated the inversion procedure in the case of a new transform, the CART3, modeling a new modeling of Compton scattering tomography. Based on the work of Cormack and Truong and Nguyen, we propose to establish several properties of the Radon transform on the family Calpha especially on C1. We have thus demonstrated two inversion formulae that reconstruct the original image via its circular harmonic decomposition and its corresponding transform. These formulae are similar to those established by Truong and Nguyen. We finally established the well-known filtered back projection and singular value decomposition in the case alpha = 1. All results established in this study provide practical problems of image reconstruction associated with these new transforms. In particular we were able to establish new inversion methods for transforms CART1,2,3 as well as numerical approaches necessary for the implementation of these transforms. All these results enable to solve problems of image formation and reconstruction related to three Compton scattering tomography modalities.

In addition we propose to improve models and algorithms established to take into account the attenuation phenomena. Indeed, the scattered radiation is subject to the phenomenon of attenuation induced by the penetration and crossing of the photon flux in the matter. The consideration of such a factor in our model then makes our inversion methods inadequate. Therefore we proposed a generalized iterative correction method suitable for imaging systems using our inversion methods to correct the attenuation factor. This method is a generalization of the IPC algorithm (Iterative Pre-Correction) that was proposed in 1992 by Maze. We then combined two modalities of Compton scattering tomography with compatible architectures : one working by transmission and the other one working by emission and studied by Nguyen and Truong. This combination is the first system of bimodal imaging using scattered radiation as imaging agent and enables to obtain the electron density and activity offering therefore an innovative and effective alternative to conventional SPECT-CT scan.

Keywords

Inverse problems, Radon transform, Compton scattering tomography, scattered radiation

Composition du jury

  • Maï K. Nguyen-Verger, Professeur des Universités, Université de Cergy-Pontoise, directeur de thèse
  • Alfred K. Louis, Professeur des Universités, Université de la Sarre, co-directeur de thèse
  • Habib Ammari, Directeur de Recherche, ENS Ulm, rapporteur
  • Pierre Maréchal, Professeur des Universités, Université Paul-Sabatier, rapporteur
  • Jalal Fadili, Professeur des Universités, ENSICAEN, examinateur
  • Christian Jutten, Professeur des Universités, Université Joseph-Fourier, examinateur

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