FR2923055A1

FR2923055A1 - Procede et dispositif de construction d'une image tridimensionelle d'un objet emetteur d'un rayonnement radioactif de type gamma.

Info

Publication number: FR2923055A1
Application number: FR0758627A
Authority: FR
Inventors: Dominique Chambellan; Xavier Hubert; Samuel Legoupil
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-05-01
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: FR2923055B1

Abstract

Ce procédé de reconstruction d'images tridimensionnelles d'objets consiste à employer des scintillateurs (2, 4) sensibles, en combinaison à des masques codés épais et à grande fraction d'ouverture à un algorithme probabiliste de reconstruction de l'image, ce qui donne des résultats de bonne qualité même avec des particules fortement énergétiques mais de faible activité.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONSTRUCTION D'UNE IMAGE TRIDIMENSIONNELLE D'UN OBJET EMETTEUR D'UN RAYONNEMENT RADIOACTIF DE TYPE GAMMA

DESCRIPTION

Le sujet de cette invention est un procédé ainsi qu'un dispositif de reconstruction d'une image tridimensionnelle d'un objet émetteur d'un rayonnement radioactif d'énergie au moins égale à 200keV. Un procédé éprouvé consiste à utiliser un tomographe à émission de positons qui exploite la circonstance que, quand un positon émis par l'objet radioactif rencontre un électron, il se combine avec lui en émettant deux photons dans des directions opposées. Le tomographe comprend un détecteur circulaire entourant l'objet ou au moins sa plus grande partie. En détectant les lieux d'arrivée en coïncidence des deux photons sur lui et en calculant leur ligne de réponse, le tomographe déduit le lieu de la combinaison par un algorithme de reconstruction. Un inconvénient de tels tomographes est toutefois leur coût excessif, ce qui justifie la recherche de nouveaux procédés fondés sur un matériel plus simple. Un autre procédé éprouvé est la tomographie à émission monophotonique (TEMP). L'emploi de caméras ou de gamma-imageurs pour acquérir des projections bidimensionnelles de l'objet avant de reconstituer l'image tridimensionnelle est envisageable, mais il est difficile d'avoir à la fois une sensibilité et une résolution spatiale suffisantes : si l'on souhaite qu'un grand nombre de particules arrivent sur le détecteur, les trous doivent être agrandis et la résolution spatiale s'en trouve pénalisée ; si au contraire peu de particules parviennent à la caméra, le dispositif est peu sensible, et les informations pour reconstruire l'image sont trop peu nombreuses. Une certaine famille de collimateurs, appelés masques codés , présente un bon compromis entre la résolution spatiale et la sensibilité.

Divers travaux ont été menés avec de tels dispositifs utilisant des masques codés. L'un d'eux est une thèse d'Accorsi intitulés "Design of near-field coded aperture camera for high-resolution medical and industrial gamma-ray imaging" (MIT 2001). Le procédé est fondé sur l'utilisation de masques fins de collimation et d'une transformée de Fourier de l'image bidimensionnelle obtenue. Il comporte la difficulté que la transformée de Fourier dépend du grossissement de l'image détectée, et donc de la distance de la collimation, de sorte qu'il ne serait pas applicable à un masque épais, qui serait assimilable à une pluralité de masques fins empilés dont chacun gouvernerait un grossissement différent. Un masque fin étant obligatoire avec ce procédé pour reconstruire des images tridimensionnelles, on ne peut appliquer le procédé à des rayonnements plus énergétiques pour lesquels le masque serait très transparent. Si le masque est épais, seule une image bidimensionnelle peut être reconstruite, également pour des raisons de grandissements.

On dispose aussi d'une thèse de Mme Groiselle intitulé "Tomographie par projections orthogonales et ouverture codée", qui traite de reconstructions d'objets à trois dimensions par un masque codé à très faible ouverture (2so) et fin (de l'ordre du millimètre). On est donc encore réduit à étudier des objets à rayonnement de faible énergie pour que le masque codé collimate efficacement le rayonnement, mais de grande activité afin qu'un nombre suffisant de particules traverse les ouvertures rares du masque. De plus, le procédé implique l'emploi d'une gamma-caméra à nombre important de pixels (240x178), ce qui renforce le niveau d'activité exigé de l'objet puisque chacun doit recevoir un nombre de particules suffisant la caméra devrait recevoir plusieurs centaines de milliers de photons au total pour donner une image avec un nombre suffisant de photons détectés par pixel. L'intérêt de l'invention est surtout sensible pour les objets dont le rayonnement a une forte énergie mais une faible activité. Elle recourt à un collimateur de type masque codé et à un algorithme de reconstruction numérique probabiliste. Elle permet d'employer un détecteur à faible nombre de pixels (quelques dizaines par côté) et donc moins coûteux à l'achat et nécessitant un temps de calcul plus court pour la reconstruction. Un aspect de l'invention est ainsi un procédé de reconstruction d'une image tridimensionnelle d'un objet émetteur d'un rayonnement radioactif de type gamma d'énergie au moins égale à 200keV, comprenant l'acquisition d'au moins une image bidimensionnelle de l'objet par au moins un détecteur précédé d'un collimateur de type masque codé, le procédé étant caractérisé en ce que l'image bidimensionnelle est constituée d'au moins une projection bidimensionnelle de l'objet, le collimateur possède entre 25% et 75% de fraction d'ouverture, et l'image tridimensionnelle est obtenue à partir de l'image bidimensionnelle par un algorithme probabiliste de reconstruction.

On entend par masques codés les collimateurs qui laissent passer les photons ayant un angle incident important par rapport à la normale de la surface du collimateur (plusieurs dizaines de degrés), et ayant une fraction d'ouverture élevée (au moins égale à 25%). On entend par fraction d'ouverture le ratio entre la surface de trous du collimateur et sa surface totale. Un collimateur peut avoir une fraction d'ouverture comprise entre 0 et 100%. Une fraction d'ouverture comprise entre 25 et 75% est préférable pour la reconstruction d'objets tridimensionnels. De manière préférentielle, l'image bidimensionnelle est constituée d'au moins deux projections bidimensionnelles de l'objet. De manière préférentielle, l'objet émetteur de rayonnement gamma est placé dans la zone de champ proche c'est-à-dire dans un cône dont la base est le collimateur et dont l'angle au sommet soit d'au moins 20°. L'image bidimensionnelle peut comprendre 30 plusieurs portions prises simultanément par des matériels différents ou successivement par le même matériel ayant été déplacé à chaque fois, et notamment deux portions prises à des incidences orthogonales et qui correspondent donc à deux vues perpendiculaires de l'objet.

Il peut être avantageux de réduire la taille de l'image avant d'appliquer l'algorithme en regroupant des pixels voisins de l'image et en additionnant leurs valeurs de comptage, afin d'améliorer le nombre moyen de photons détectés par pixel. L'algorithme probabiliste est itératif et converge d'après une formule qui sera donnée plus loin dans la description. Un autre aspect de l'invention est un dispositif de reconstruction d'une image tridimensionnelle d'un objet émetteur d'un rayonnement radioactif, comprenant un ou plusieurs détecteurs bidimensionnels disposés à proximité de l'objet, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend un collimateur placé devant le détecteur, possédant entre 25% et 75% de fraction d'ouverture et entre 5mm et 15mm d'épaisseur, et un moyen de traitement d'images fournies par le détecteur par un algorithme probabiliste de reconstruction.

Le scintillateur peut avoir une épaisseur comprise entre quelques micromètres et plusieurs centimètres. Néanmoins, il est avantageux que le scintillateur ait une épaisseur comprise entre lmm et 6mm, pour avoir une bonne sensibilité (entre 5% et 40% suivant le type de scintillateur) tout en ne détériorant que faiblement la résolution spatiale (entre lmm et lcm). L'invention sera maintenant décrite en liaison à la figure unique. Le dispositif comprend une gamma-caméra 1 enregistrant une image d'un objet 0 et dont la partie la plus importante est un scintillateur 2 qui reçoit des photons émis par l'objet. Dans le cas présent, on trouve une deuxième gamma-caméra 3 dont le scintillateur 4 est perpendiculaire au premier, afin de prendre une deuxième image de l'objet perpendiculaire à la première, mais on pourrait se contenter d'une seule gamma-caméra qui prendrait soit une seule vue, soit plusieurs vues successives de l'objet après avoir été tournée autour de l'objet ; réciproquement, d'autres caméras pourraient être ajoutées pour prendre d'autres images à d'autres incidences, mais une grande complication du procédé n'est pas utile et n'est donc pas recherchée. Chacun des scintillateurs 2 et 4 est 20 précédé d'un collimateur 5 et 6, qui est un masque codé. Chacune des caméras 1 et 3 transmet ses résultats à un module de calcul 7 commun apte à reconstruire une image tridimensionnelle de l'objet et 25 à l'afficher sur un écran 8 ou un autre moyen d'exploitation des résultats. Voici maintenant une description plus complète de ces éléments. Le masque codé composant les collimateurs 5 et 6 a une fraction d'ouverture comprise 30 entre 25% et 75% afin de laisser une grande partie des photons incidents le traverser, tout en codant le signal incident, une épaisseur de préférence au moins égale à 5mm de plomb ou de tungstène, afin de collimater efficacement les particules radioactives émises par l'objet. Dans une réalisation préférée, une fraction d'ouverture de 50% a été choisie et une épaisseur de 12mm, les trous du masque ayant un diamètre de 1,85mm. Les scintillateurs 2 et 4 doivent avoir une sensibilité élevée. On les a choisis avec une épaisseur de 4 mm et dans un matériau sensible, comme l'iodure de Césium (CsI), le germanate de bismuth (BGO) ou l'oxyorthosilicate de lutécium (LSO). Les caméras 1 et 2 ont des détecteurs de 128 pixels de côté, ce qui a donné de bons résultats pour un nombre de photons d'environ 640000 arrivant à chacun des scintillateurs 2 et 4. On peut se permettre de simplifier le scintillateur tant que la résolution spatiale des détecteurs reste de l'ordre de grandeur de la taille du pixel, voire un peu plus. Pour des caméras 1 et 3 dont la résolution spatiale est inférieure au centimètre, il est possible d'utiliser plusieurs millimètres de BGO. Il est possible de regrouper des résultats des images par paquets de pixels, notamment si les comptages sont insuffisants pour certains d'entre eux.

Il est bon que les pixels dans les images qui seront traités par l'algorithme comptent plusieurs dizaines de particules chacun, ce qui réduit les fluctuations statistiques dans les pixels des projections acquises. Par exemple, des pixels peuvent être regroupés par paquets de 4 ou 16, et les images qui sont traitées auront alors 64 ou 32 pixels par côté.

Pour reconstruire l'image tridimensionnelle, on considère une particule originaire d'un voxel d'indice j résultant d'une discrétisation de l'image tridimensionnelle de l'objet (encore à obtenir) arrivant à un pixel d'indice i de la caméra 1. La probabilité qu'elle traverse le collimateur et soit détectée est notée c1 (ou cik)• Elle est déterminée par une modélisation préalable du système d'imagerie et dépend des caractéristiques du masque codé. On peut alors appliquer les formules suivantes f; CZ1 1 • l { 1CtJ i Cik/ h k {{' n+1 Jj n+l Jj dans lesquelles fin et sont des estimations de l'activité du voxel j aux itérations n et n+1, ces estimations composant l'image tridimensionnelle recherchée. Les coefficients p1 sont les comptages de particules parvenant aux pixels i de l'image bidimensionnelle. Cet algorithme est mené jusqu'à ce qu'une convergence des estimations f soit obtenue. Des résultats très satisfaisants ont été obtenus par cette méthode avec des données générées numériquement. Les détecteurs ayant une résolution spatiale standard voire faible mais qui sont très sensibles peuvent être utilisés pour les acquisitions sans que la résolution spatiale de l'image ne soit trop détériorée. Il faut souligner que les images bidimensionnelles enregistrées par la caméra sont impossibles à interpréter à l'oeil nu. Or l'algorithme permet d'obtenir une qualité bien meilleure de l'image tridimensionnelle qu'avec les procédés connus à masque codé fin. L'explication est dans un choix judicieux du compromis à réaliser entre la résolution spatiale et la sensibilité de l'image, ou en une application de l'algorithme où la matrice des coefficients de probabilité cil est beaucoup moins vide (ayant beaucoup moins d'éléments différents de zéro) que quand le masque est un sténopé multiple comme c'est le cas dans la seconde thèse citée. L'invention démontre donc la possibilité et l'utilité d'un masque codé épais pour des examens en champ proche, ce qui était tenu pour impossible auparavant.

Exemple de réalisation Un objet 3D est décomposé en Mx x My x MZ voxels. Chaque détecteur (par exemple de 4mm d'épaisseur en CsI, BGO ou LSO) est composé de NX x Ny pixels. On choisit d'utiliser pour cet exemple deux détecteurs. Ces deux détecteurs ont été placés perpendiculairement à l'objet. Les projections obtenues ont 128x128 pixels chacune et une taille de 50x50 mm2. 64000 photons environ ont été détectés sur chacune des projections, avec moins de 20 pour le pixel le plus sollicité. L'objet consistait en deux cylindres pleins et parallèles, de 5 mm de diamètre, 21 mm de longueur, tout proches l'un de l'autre, émettant à 7000 Bq/mm3 à 511 keV. Aucun bruit de fond n'était présent, et l'acquisition dura 20 secondes. Les détecteurs étaient placés de façon à voir les cylindres en longueur, dans l'alignement des cylindres pour l'un, perpendiculairement à cet alignement pour l'autre. Les projections étaient parfaitement illisibles, mais l'application de l'algorithme probabiliste indiqué plus haut donna une bonne reconstruction faisant apparaître deux objets parallèles et proches, allongés avec une forme sensiblement cylindrique, et donc bien reconnaissable.

Dans un premier temps, l'algorithme put être appliqué sur des projections avec des regroupements des pixels par paquets de 16 (4x4 de côté) pour diminuer les fluctuations statistiques : les projections considérées avaient alors 32 pixels de côté chacune. On entreprit ensuite d'appliquer l'algorithme sur des projections avec des regroupements de pixels par paquets de 4 (2x2 de côté) et comprenant donc 64 pixels de côté chacune, avec une initialisation de l'algorithme sur le résultat obtenu précédemment.

Enfin, on appliqua de même l'algorithme aux projections sans regroupement des pixels en l'initialisant d'après le second résultat obtenu. Les trois résultats de reconstruction furent de plus en plus fins, c'est-à-dire dotés de plus de détails, mais sans amélioration réelle de la qualité de reconstruction, ce qui montre que la qualité du résultat dépend peu d'une grande résolution de la caméra, qui peut même amplifier le bruit de reconstruction de l'algorithme. Une résolution fine de la reconstruction a de l'intérêt seulement avec des comptages plus importants sur les projections.

L'invention peut être utilisée en imagerie médicale pour concurrencer les dispositifs de tomographie moins compliqués mais moins performants et souvent plus coûteux, dans l'industrie pour l'observation de contamination ou le suivi de traceurs radioactifs, ou dans des applications de sécurité comme l'inspection de colis. L'avantage par rapport aux travaux antérieurs est qu'il est possible grâce à ce procédé et ce dispositif de reconstruire des images tridimensionnelles d'objets radioactifs émettant des gammas de haute énergie situés dans la zone de champ proche nécessitant l'utilisation de collimateur épais comparé aux dimensions du problème.15

Claims

REVENDICATIONS

1) Procédé de reconstruction d'une image tridimensionnelle d'un objet émetteur d'un rayonnement radioactif d'énergie au moins égale à 200keV, comprenant une prise d'au moins une image bidimensionnelle de l'objet (0) par au moins un détecteur précédé d'un collimateur de type masque codé, le procédé étant caractérisé en ce que l'image bidimensionnelle est constituée d'au moins une projection bidimensionnelle de l'objet, le collimateur possède entre 25% et 75% de fraction d'ouverture, et l'image tridimensionnelle est obtenue à partir de l'image bidimensionnelle par un algorithme probabiliste.

2) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'image bidimensionnelle est constituée d'au moins deux projections bidimensionnelles de l'objet.

3) Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'objet émetteur d'un rayonnement est situé dans la zone de champ proche du collimateur.

4) Procédé selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'image bidimensionnelle comprend deux portions prises à des incidences perpendiculaires.

5) Procédé selon la revendication 1, 2, 3 ou 4, caractérisé en ce qu'il comprend une réduction de taille de l'image avant d'appliquer l'algorithme, en regroupant des pixels voisins de l'image et en additionnant leurs valeurs de comptage.

6) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que l'algorithme probabiliste est itératif d'après ci~P n cik/h k où est une estimation de l'image tridimensionnelle à une itération n et un voxel j de l'objet, c est une probabilité qu'un rayon issu d'un voxel j de l'objet arrive à un pixel i de l'image une valeur de comptage du reconstruction d'une image émetteur d'un rayonnement moins un détecteur bidimensionnel placé à proximité de l'objet, 15 caractérisé en ce qu'il comprend un collimateur placé devant le détecteur, possédant une fraction d'ouverture comprise entre 25% et 75%, et dont l'épaisseur est de 5mm, et un moyen de traitement d'une image fournie par le détecteur par un algorithme probabiliste. 20 8) Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le détecteur a une sensibilité comprise entre 5% et 40%. 9) Dispositif selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le détecteur a un 25 scintillateur dont l'épaisseur est comprise entre lmm et 6mm. 10) Dispositif selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que le détecteur bidimensionnel est une gamma caméra ou un imageur gamma. {{''n+l Jj 10 bidimensionnelle, et Pi est rayonnement au pixel i.

7) Dispositif de bidimensionnelle d'un objet radioactif, comprenant au