correction des effets de volume partiel en tomographie d`emission

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ÉCOLE DOCTORALE SST
«Santé, Sciences, Technologies»
Unités Inserm U930 et U650
THÈSE présentée par :
Adrien LE POGAM
pour obtenir le grade de : Docteur de l’université François - Rabelais
Discipline/ Spécialité : Science de la Vie
CORRECTION DES EFFETS DE
VOLUME PARTIEL EN TOMOGRAPHIE
D’EMISSION
THÈSE dirigée par :
BAULIEU Jean-Louis Professeur des universités, Praticien hospitalier,
Université François Rabelais de Tours
RAPPORTEURS :
GANTET Pierre Maître de conférences des Universités, Praticien
hospitalier, HDR, Université de Toulouse III
HUGLO Damien Maître de conférences des Universités, Praticien
hospitalier, HDR, Université de Lille II
JURY :
BAULIEU Jean-Louis Professeur des universités Praticien hospitalier,
Université François Rabelais de Tours
BOUAKAZ Ayache Directeur de recherche, INSERM U930, Tours
GANTET Pierre Maître de conférences des Universités, Praticien
hospitalier, HDR, Université de Toulouse III
HUGLO Damien Maître de conférences des Universités, Praticien
hospitalier, HDR, Université de Lille II
PATAT Frederic Professeur des universités Praticien hospitalier,
Université François Rabelais de Tours
VISVIKIS Dimitris Chargé de recherche INSERM U650, HDR, Brest
INVITES :
GAUSACHS Lluis Directeur Scientifique, PHILIPS Systèmes Médicaux
PRUNIER-AESCH Caroline Docteur en Médecine, HDR, Pôle Vinci, Tours
UNIVERSITÉ FRANÇOIS -
RABELAIS
DE TOURS

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Résumé
Ce mémoire est consacré à la compensation des effets de flous dans une image, communément appelés
effets de volume partiel (EVP), avec comme objectif d’application l’amélioration qualitative et
quantitative des images en médecine nucléaire. Ces effets sont la conséquence de la faible résolution
spatiale qui caractérise l’imagerie fonctionnelle par tomographie à émission mono-photonique
(TEMP) ou tomographie à émission de positons (TEP) et peuvent être caractérisés par une perte de
signal dans les tissus présentant une taille comparable à celle de la résolution spatiale du système
d’imagerie, représentée par sa fonction de dispersion ponctuelle (FDP). Outre ce phénomène, les EVP
peuvent également entrainer une contamination croisée des intensités entre structures adjacentes
présentant des activités radioactives différentes. Cet effet peut conduire à une sur ou sous estimation
des activités réellement présentes dans ces régions voisines. Différentes techniques existent
actuellement pour atténuer voire corriger les EVP et peuvent être regroupées selon le fait qu’elles
interviennent avant, durant ou après le processus de reconstruction des images et qu’elles nécessitent
ou non la définition de régions d’intérêt provenant d’une imagerie anatomique de plus haute résolution
(tomodensitométrie TDM ou imagerie par résonance magnétique IRM). L’approche post-
reconstruction basée sur le voxel (ne nécessitant donc pas de définition de régions d’intérêt) a été ici
privilégiée afin d’éviter la dépendance aux reconstructions propres à chaque constructeur, exploitée et
améliorée afin de corriger au mieux des EVP. Deux axes distincts ont été étudiés. Le premier est basé
sur une approche multi-résolution dans le domaine des ondelettes exploitant l’apport d’une image
anatomique haute résolution associée à l’image fonctionnelle. Le deuxième axe concerne
l’amélioration de processus de déconvolution itérative et ce par l’apport d’outils comme les ondelettes
et leurs extensions que sont les curvelets apportant une dimension supplémentaire à l’analyse par la
notion de direction. Ces différentes approches ont été mises en application et validées par des analyses
sur images synthétiques, simulées et cliniques que ce soit dans le domaine de la neurologie ou dans
celui de l’oncologie. Finalement, les caméras commerciales actuelles intégrant de plus en plus des
corrections de résolution spatiale dans leurs algorithmes de reconstruction, nous avons choisi de
comparer de telles approches en TEP et en TEMP avec une approche de déconvolution itérative
proposée dans ce mémoire.
Mots-clés : traitement d'images, imagerie médicale, effets de volume partiel, transformées en
ondelettes, transformées en curvelets, multi-résolution, multi-modalité, déconvolution, tomographie à
émission de positons, tomographie à émission mono-photonique, neurologie, oncologie.

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Résumé en anglais
Partial Volume Effects (PVE) designates the blur commonly found in nuclear medicine images and
this PhD work is dedicated to their correction with the objectives of qualitative and quantitative
improvement of such images. PVE arise from the limited spatial resolution of functional imaging with
either Positron Emission Tomography (PET) or Single Photon Emission Computed Tomography
(SPECT). They can be defined as a signal loss in tissues of size similar to the Full Width at Half
Maximum (FWHM) of the PSF of the imaging device. In addition, PVE induce activity cross
contamination between adjacent structures with different tracer uptakes. This can lead to under or over
estimation of the real activity of such analyzed regions. Various methodologies currently exist to
compensate or even correct for PVE and they may be classified depending on their place in the
processing chain: either before, during or after the image reconstruction process, as well as their
dependency on co-registered anatomical images with higher spatial resolution, for instance Computed
Tomography (CT) or Magnetic Resonance Imaging (MRI). The voxel-based and post-reconstruction
approach was chosen for this work to avoid regions of interest definition and dependency on
proprietary reconstruction developed by each manufacturer, in order to improve the PVE correction.
Two different contributions were carried out in this work: the first one is based on a multi-resolution
methodology in the wavelet domain using the higher resolution details of a co-registered anatomical
image associated to the functional dataset to correct. The second one is the improvement of iterative
deconvolution based methodologies by using tools such as directional wavelets and curvelets
extensions. These various developed approaches were applied and validated using synthetic, simulated
and clinical images, for instance with neurology and oncology applications in mind. Finally, as
currently available PET/CT scanners incorporate more and more spatial resolution corrections in their
implemented reconstruction algorithms, we have compared such approaches in SPECT and PET to an
iterative deconvolution methodology that was developed in this work.
Key words: image processing, medical imaging, partial volume effects, wavelet transform, curvelet
transform, multi-resolution, multi-modality, deconvolution, positron emission tomography, single
photon emission computed tomography, neurology, oncology.

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Table des matières
Résumé ..................................................................................................................................................... 2
Résumé en anglais .................................................................................................................................... 3
Liste des tableaux ..................................................................................................................................... 8
Liste des figures ....................................................................................................................................... 9
Introduction ............................................................................................................................................ 18
Chapitre 1 Brève introduction à la médecine nucléaire et son application à l’oncologie et la neurologie
................................................................................................................................................................ 24
1.1 Historique des modalités d’imagerie TEMP et TEP ................................................ 25
1.2 Tomographie par émission monophotonique (TEMP) ............................................. 27
1.2.1 Description de la tête de détection ........................................................................ 27
1.2.2 Le collimateur ....................................................................................................... 29
1.3 Tomographie par émission de positons (TEP) ......................................................... 31
1.3.1 Principes physiques de l’annihilation ................................................................... 31
1.3.2 Description du dispositif de détection en coïncidence ......................................... 31
1.4 Principales limitations de l’imagerie de tomographie d’émission et corrections
apportées ............................................................................................................................... 34
1.4.1 Les facteurs physiologiques ................................................................................. 34
1.4.2 Facteurs physiques ............................................................................................... 35
1.5 Evaluation des performances des caméras TEMP et TEP ....................................... 40
1.5.1 La résolution en énergie ....................................................................................... 41
1.5.2 La résolution temporelle ....................................................................................... 41
1.5.3 Le taux de comptage ............................................................................................. 41
1.5.4 La sensibilité ......................................................................................................... 42
1.5.5 La résolution spatiale ............................................................................................ 42
1.5.6 Performances des caméras TEMP et TEP actuelles ............................................. 44
1.6 Les formats de données brutes et les différents modes d’acquisition ....................... 45
1.7 La reconstruction tomographique ............................................................................. 46
1.8 Temps de vol ............................................................................................................ 52
1.9 Mise en œuvre de la quantification .......................................................................... 54
1.10 L’imagerie multi-modalités ...................................................................................... 55
1.11 TEMP et TEP en contexte clinique .......................................................................... 56
1.11.1 Les radiotraceurs .............................................................................................. 57
Chapitre 2 Correction des EVP en tomographie d’émission : Etat de l’Art ........................................... 63

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2.1 Introduction aux EVP ............................................................................................... 64
2.2 Conséquences des EVP ............................................................................................ 65
2.3 Les paramètres affectant les EVP ............................................................................. 66
2.3.1 La taille et la forme de la structure à analyser ...................................................... 66
2.3.2 Les tissus adjacents .............................................................................................. 67
2.3.3 La résolution spatiale des images reconstruites .................................................... 67
2.3.4 L’échantillonnage des images .............................................................................. 68
2.3.5 Les méthodes de mesure ....................................................................................... 68
2.4 Contexte clinique et corrections ............................................................................... 69
2.5 Méthodes de corrections en pré-reconstruction ........................................................ 70
2.6 Méthodes de corrections incorporées à la reconstruction des images ...................... 72
2.6.1 Approches basées sur des RDI ............................................................................. 72
2.6.2 Approches basées sur le voxel .............................................................................. 72
2.7 Méthodes de corrections basées sur les images en post-reconstruction ................... 76
2.7.1 Approches basées sur des RDI ............................................................................. 76
2.7.2 Approches basées sur le voxel .............................................................................. 81
2.8 Problèmes potentiels ................................................................................................. 92
2.8.1 Le recalage des images ......................................................................................... 93
2.8.2 La segmentation ................................................................................................... 93
2.8.3 Non homogénéité des tissus ................................................................................. 94
2.8.4 Précision de la FDP .............................................................................................. 94
2.9 Résumé de la partie état de l’Art .............................................................................. 94
Chapitre 3 Amélioration des approches de correction des EVP en post-reconstruction voxel à voxel . 96
3.1 Rappel sur l’analyse multi-résolutions des images par ondelettes ........................... 97
3.1.1 La transformation de Fourier ................................................................................ 97
3.1.2 La transformation en ondelettes ........................................................................... 98
3.2 La correction des EVP par analyse multi-résolution mutuelle 3D locale ............... 107
3.3 La déconvolution avec régularisation dans le domaine des ondelettes et curvelets
109
3.3.1 Problème inverse, déconvolution et régularisation ............................................ 109
3.3.2 Méthodes classiques de déconvolution .............................................................. 111
3.3.3 Etape de régularisation ....................................................................................... 117
3.4 Résumé de la partie méthodes proposées ............................................................... 140
Chapitre 4 Evaluation de l’approche MMA 3D locale et résultats cliniques ....................................... 141