Accélération des simulations des trajectoires de photons dans le
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Imabio : activités – sujet de thèse/stage Technique per-opératoire Imagerie in vivo du petit animal 3 chercheurs (2 CNRS, 1 UDS) 12 ITAs (electronique, informatique, radiochimiste, mécanique, instrumentation) 5 thèses en cours 1 post-doc AMISSA: A Multimodality Imaging System for Small Animal µCT microCT microPET Anatomical Imaging System Acquisition/reconstruction 20s→6 min Spatial Resolution: 150→50 µm µSPECT Functional Imaging System microSPECT Spatial Resolution: 1 mm Detection Efficiency: 0.014% µPET Functional Imaging System Under development Spatial Resolution: 1mm Detection Efficiency: >15% 5 Étude de l’angiogénèse Ligature de l’artère fémorale chez le rat Injection d’un produit de contraste 300 contrôle 250 200 RWPs AII Polyphénols Angiotensine II AII + RWPs 150 100 50 0 ratio angiographie Travaux réalisés en collaboration avec la Faculté de Pharmacie de Strasbourg (N Etienne, A Walter) A Walter et al, J Pharmacol Exp Ther, 2009 Modèle murin du cancer du sein Injection de cellules cancéreuses WT ST3 +/+ Déficience en stromélysine-3 Développement de métastases 48 50 52 55 Influence de la stromélysine-3 6000 12 V t V0 exp 1 exp t Arbitrary unit Volume (mm3) 10 ST3 -/ST3 +/+ 5000 8 6 4 4000 3000 2000 2 1000 0 44 46 48 50 52 54 Time (days after cell injection) 56 58 0 0 2 4 6 8 10 time (day) Moins de tumeurs pour les souris ST3 +/+ mais taux de croissance supérieur La respiration limite la détection dans la région pulmonaire Etude longitudinale: limiter la dose (48 mGy/acquisition) Travaux réalisés en collaboration avec l’IGBMC (MC Rio, C Mathelin) D Brasse et al, International Journal of Cancer, 2010 Imagerie cérébrale: visualisation de calcifications Travaux réalisés en collaboration avec la Faculté de médecine (G Sandner, M-J Angst) C E Macedo et al, Behavioural Brain Research, 2009 Imagerie ex-vivo Effet du resveratrol sur la densité osseuse control Etude tumorale suspended resveratrol treated + suspended Travaux réalisés en collaboration avec le DEPE C Habold, J. Bone Miner. Metab., 2010 Travaux réalisés en collaboration avec la Faculté de Pharmacie de Strasbourg A Walter et al, FASEB, 2010 Quantification du tissu adipeux C Habold et al, Int. J. Obes., 2010 Protocol d’acquisition TEMP Acquisition TDM: < 1min., résolution 100 µm, dose = 6 mGy Localisation 3D, source de corrections, projeter l’information dans les domaines d’imagerie d’intérêt Acquisition 2D: scintigraphie <3 min., résolution 1 mm (2D) Acquisition 3D TEMP localisée 10 min., résolution 0,8 mm (3D) Z. El Bitar et al. IEEE TNS, 2011 Patchwork d’images Collaborations Institut de Génétique et de Biologie Moléculaire et Cellulaire Laboratoire d’Imagerie et de Neuroscience Cognitives Unités INSERM De l’homéostasie tissulaire au cancer et à l’inflammation (U682) Laboratoire de signalisations moléculaire et neurodégénérescence (U692) Psychopathologie clinique et expérimentale de la schizophrénie (U666) Faculté de pharmacie de Strasbourg Centre Européen d’Etude du Diabète Muséum d’Histoire naturelle de Paris Laboratoire des Matériaux, Surfaces et Procédés pour la Catalyse Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA Universidad de Santiago de Chile, Chile Universidad de Santiago de Compostella, Spain Université Saint Joseph, Beyrouth, Liban Sujet de stage/thèse proposé Accélération des simulations des trajectoires de photons dans le patient en imagerie par émission en vue d'une reconstruction d'images personnalisée Directeur de thèse : David Brase Co-directeur de thèse : Ziad El Bitar Reconstruction d’images 3D Distribution D’activité f détecteur i j Projection p Formulation discrète du problème de reconstruction : p = R x f R(i,j) : Probabilité pour qu’un photon émis au voxel i soit détecté au pixel j 1. Reconstruction simultanée du volume entier 2. Prise en compte des phénomènes physiques 3D : diffusion et réponse du détecteur Dans le cadre clinique : R = Rpatient + Rdétecteur L’apport de la tomodensitométrie (TDM) en tomographie d’émission monophotonique (TEMP) Examen Tomodensitométrique Unités Hounsfield (HU) Exploitation des données anatomiques Données anatomiques H eau 1000 eau Coupe voxellisée Modélisation Monte Carlo de R Modèle du TEMP Coupe voxellisée (obtenue par TDM) 1 2 • densité • composition atomique Modélisation Monte-Carlo des probabilités qu’un photon émis en voxel i soit détecté en pixel j 3 j i détecteur mesures TEMP P Données fonctionnelles TEMP (fusion avec TDM) 5 Résolution du problème inverse P = Rx f dans un algorithme itératif (ML-EM, OSEM, ART, CG …) 4 Estimation de R Décomposition de la matrice système R R = Rpatient + Rdétecteur à recalculer pour chaque patient air calculée une fois pour toute os On retrouve toujours les mêmes tissus !!! • prendre avantage que la distribution d’activité dans le patient pour le calcul de la matrice système est homogène. • prendre avantage qu’on retrouve les mêmes tissus dans tous les patients: air, eau, tissus mous, muscle, …, os L’élément de base de navigation : le voxel Approche Monte Carlo Approche hybride photon1 (E1, θ1, Ф1) photon Suivi du photon step by step (step micrométrique couteux en calcul) photon2 (E2, θ2, Ф2) Le parcours des photons dans la boite est pré calculée par simulations Monte Carlo Etape 2 Etape 1 activité uniforme Emission: distribution de probabilité sur le plan de sortie (E, θ, Ф ) Transmission: distribution de probabilité sur le plan de sortie (E, θ, Ф ) en fonction de la distribution au plan d’entrée Objectif final : Calculer la trajectoire des photons en utilisant des fonctions d’entrée et de sortie pré calculées Il s’agit de: 1. Calculer en utilisant les simulations Monte Carlo (Geant4) les fonctions de sortie (émission) et entrée (transmission) pour les voxels des tissus de l’organisme humain. Ces fonctions dépendent de : • La nature du tissu • Le volume choisi du voxel • L’énergie du photon • Les angles d’incidence des photons Résultats espérés : 1. Accélérer le calcul de la matrice système (navigation calculé analytiquement) 2. Offrir au monde clinique un outil simple à utiliser qui permet une reconstruction d’images personnalisée rapide et précise. Ces travaux seront réalisés en forte collaboration avec le centre anticancéreux Paul Strauss afin d’étudier l’impact de cette nouvelle approche sur le plan de traitement des patients.
