these

2014ISAL0096
Thèse
Imagerie par rayons X résolue en énergie : méthodes de
décomposition en base de matériaux adaptées à des détecteurs
spectrométriques
Présentée devant
L’Institut National des Sciences Appliquées de Lyon
Pour obtenir
Le grade de docteur
École Doctorale
Électronique, Électrotechnique et Automatique de Lyon
Spécialité : STIC Santé
Présentée par
Alexandra – Iulia POTOP
(Ingénieur)
Soutenue le 2 octobre 2014
Rapporteurs :
G. MONTAROU
Directeur de Recherche (CNRS) (Clermont-Ferrand)
F. TRUCHETET
Professeur (IUT Le Creusot)
Examinateurs :
C. FETIŢA
Maître de Conférences (Telecom SudParis)
J-M. LETANG
Maître de Conférences (INSA de Lyon)
V. REBUFFEL
Ingénieur Chercheur (CEA LETI)
Directrice de thèse :
F. PEYRIN
Directeur de Recherche (INSERM) (INSA de Lyon)
Thèse préparée au CEA – LETI – Direction de la Recherche Technologique
Service des Technologies de Détection
sous la direction de Françoise PEYRIN et l’encadrement de Véronique REBUFFEL et Andréa
BRAMBILLA
Cette thèse est accessible à l'adresse : http://theses.insa-lyon.fr/publication/2014ISAL0096/these.pdf
© [A-I. Potop], [2014], INSA de Lyon, tous droits réservés

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Remerciements
Après trois années de thèse, le moment est venu pour laisser un petit mot à ceux qui m’ont
entouré. Ces dernières lignes cachent derrière un peu de mon cœur. Même si elles se situent
en début du manuscrit, elles laissent derrière en douceur la porte qui enferme trois ans de ma
vie pour reprendre le chemin d’une nouvelle aventure.
Je souhaite remercier M. Gérard Montarou, M. Fréderic Truchetet, M. Cătălin Fetiţa et M.
Jean-Michel Letang, qui ont tenu respectivement le rôle de Président du Jury, Rapporteurs et
d’Examinateurs. Même si votre contribution ne vient qu’à la fin de ma thèse, elle n’est pas
moins importante. Je vous remercie pour vos remarques et vos conseils qui m’ont permis
d’améliorer la qualité de mon manuscrit, ainsi que pour l’intérêt que vous avez porté à mes
travaux de thèse.
Je remercie également Mme. Françoise Peyrin, ma Directrice de thèse, pour son suivi
conséquent pendant ces trois années.
Il y a trois ans j’ai intégré le laboratoire LDET, et je voudrais remercier à tous. Votre amitié,
votre accueil chaleureux et le soutien permanent m’ont permis de traverser plus sereinement
des périodes parfois délicates de la thèse. Votre présence m’a été indispensable, que ce soit en
point thèse, en salle manip, en salle café ou autour d’un repas à midi.
Je voudrais remercier Jean, Alexia et Georges pour les idées partagées et votre aide. Je
remercie aussi à Emil, pour tous le partage de connaissances et des pratiques, et pour les
quelques après-midis passées à mes côtés pour me remonter le moral durant la première
année.
Durant ces trois années, mes travaux n’auraient pas abouti sans le soutien et les conseils de
mes encadrants, Véronique et Andréa. Vous avez répondu présent pour mes questions et les
problèmes rencontrés et vous m’avez encouragé d’aller vers l’avant.
Je voudrais remercier aussi à Loïck, le chef du laboratoire LDET, qui a toujours été à l’écoute
et qui a veillé sur le bon déroulement de mes travaux au sein du laboratoire.
Au cours de mes trois années de thèse j’ai partagé des bons moments entre thésards. J’ai été
pendant trois ans une des locataires du bureau des filles. Marie-Laure, nous n’avons partagé le
bureau que pour quelques mois, mais nous avons passée des très bons moments. Merci
Camille et Fanny pour avoir été toujours là pour partager des larmes et des fous rires. Merci
également au bureau des garçons, Amr, Artur, Damien et Yoann. Cette dernière année de
thèse a été plus facile grâce à vous aussi. Je vous remercie pour votre soutien, votre
enthousiasme et bon humeur, et votre présence dans les moments les plus marquantes. Nous
avons partagé aussi des pauses thé, des soirées entre thésards, des randonnées, et j’espère que
cette amitié va continuer.
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Mes remerciements ne seraient pas complets sans avoir une pensée à ma famille et mes amis.
Je remercie à tous mes amis pour leur soutien permanent, même à ceux qui ont été loin
géographiquement pendant ces dernières années. Merci plus particulièrement à Lavinia,
Cristina, Andra. Je remercie également Alina. Notre amitié a commencé grâce au Creatis et
elle continue au-delà. Je te remercie Tatiana pour avoir été toujours près de moi. Je vous
remercie les filles pour avoir eu confiance en moi et pour votre support qui m’a été si
nécessaire pour pouvoir aller jusqu’au bout !
Je tiens enfin remercier à ma famille. Merci à mes parents, à ma sœur et à mes grands-parents
pour avoir toujours été à mes côtés. Je sais que ma décision de partir loin n’a pas été facile
pour vous. Je vous remercie pour votre soutien quasi-quotidien qui m’a été indispensable et
pour m’avoir toujours fait confiance, surtout pendant les périodes les plus difficiles. J’espère
que vous êtes fiers de moi, comme je suis fière de vous !
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Résumé
Les systèmes d’imagerie par rayons X conventionnels utilisent des détecteurs à base de
scintillateur en mode intégration d’énergie. La nouvelle génération de détecteurs à base de
semi-conducteur CdTe/CdZnTe permet de compter le nombre de photons et de mesurer
l’énergie avec laquelle les photons arrivent sur le détecteur. Le laboratoire LDET (CEA
LETI) a développé des détecteurs spectrométriques pixellisés à base de CdTe pour l’imagerie
par rayons X associés à un circuit de lecture rapide permettant de travailler à fort taux de
comptage avec une bonne résolution en énergie.
Ces travaux de thèse proposent d’apporter une contribution au traitement des données
acquises sur ces détecteurs résolus en énergie pour la quantification des constituants des
matériaux en radiographie et en tomographie. Le cadre médical applicatif choisi est
l’ostéodensitométrie.
Des simulations de radiographie, qui prennent en compte les imperfections du système de
détection, comme le partage de charges et les empilements, ont été réalisées. Nous avons
choisi d’étudier des méthodes de traitements des données spectrales basées sur la
décomposition en base de matériaux. Cette technique de réduction des données consiste à
modéliser le coefficient d’atténuation linéique d’un matériau par une combinaison linéaire des
fonctions d’atténuation de deux matériaux de base. Deux approches, utilisant toutes les deux
un apprentissage par calibrage, ont été adaptées pour notre application. La première est une
adaptation de l’approche polynômiale standard, appliquée pour deux et trois canaux d’énergie.
Un processus d’optimisation des seuils des canaux a été réalisé afin de trouver la
configuration optimale des bandes d’énergie. Une étude sur le nombre de canaux a permis
d’évaluer les limites de la formulation polynômiale.
Pour aller plus loin dans l’exploitation du potentiel des nouveaux détecteurs, une approche
statistique développée dans notre laboratoire a été adaptée pour la décomposition en base de
matériaux. Elle peut se généraliser à un grand nombre de canaux (100 par exemple). Une
comparaison des deux approches a été réalisée selon des critères de performance comme le
bruit et la précision sur l’estimation des longueurs des matériaux traversés.
La validation des deux approches étudiées sur des données expérimentales acquises en
radiographie, dans notre laboratoire, avec des détecteurs spectrométriques, a montré une
bonne quantification des constituants des matériaux, en accord avec les résultats obtenus en
simulation.
Mots clé : imagerie X spectrale, décomposition en base de matériaux, détecteur
spectrométrique, empilements, quantification de l’os
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