Rapport final_GATE

Henri DER SARKISSIAN
25/03/2010
RECHERCHE DES PISTES
D’OPTIMISATIONS DE
GATE 6.0
Rapport final

25/03/2010
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RECHERCHE DES PISTES D’OPTIMISATIONS DE
GATE 6.0
Rapport final
I. INTRODUCTION GENERALE
Les techniques de médecine nucléaire sont un axe important dans la recherche et le diagnostique de
maladies comme le cancer. Parmi celles-ci, nous pouvons distinguer les techniques d’imagerie et les
techniques de traitement appelées radiothérapies. L’imagerie médicale est nécessaire au diagnostique et
au traitement. On ne peut imaginer un meilleur moyen que de voir directement dans le corps du patient
les sources de la maladie.
Il existe différentes techniques d’imagerie correspondant chacune à un usage précis. On trouve aujourd’hui
trois grandes catégories : l’imagerie « topographique » qui représente la surface du corps, l’imagerie par
projection qui montre l’interaction de radiations selon les directions connues dans le corps humain et
l’imagerie tomographique qui est une image de la distribution spatiale de l’interaction locale de radiations
avec les tissus dans une coupe fine du corps humain.(1)
Le développement de ces techniques nécessite des outils de simulation informatique. De nombreux codes
de simulation ont été imaginés comme GEANT4 et GATE, une couche applicative de GEANT4 spécifique à
la tomographie. Ces outils permettent, à partir de données spécifiques à un patient, de simuler les
phénomènes physiques et d’obtenir des images cliniques ainsi que d’autres informations comme la dose
déposée dans les tissus du corps.
Ce projet porte sur l’étude de l’un de ces codes de simulation Monte Carlo : GATE 6.0

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Sommaire
I. INTRODUCTION GENERALE ...................................................................................................................... 1
II. PRESENTATION DU PROJET ...................................................................................................................... 3
1. ENJEU .....................................................................................................................................................................3
2. OBJECTIFS ...............................................................................................................................................................3
3. ENCADREMENT DU PROJET ......................................................................................................................................4
4. DEROULEMENT DU PROJET ......................................................................................................................................4
III. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE ....................................................................................................................... 7
1. SPECT (TOMOGRAPHIE A EMISSION MONOPHOTONIQUE) .........................................................................................7
a. Fonctionnement d’une Gamma Caméra.............................................................................................................7
b. Interactions rayonnement-matière et sources d’erreurs ....................................................................................8
c. Résolution spatiale du détecteur ...................................................................................................................... 12
2. RECONSTRUCTION TOMOGRAPHIQUE ...................................................................................................................... 12
a. Principes ........................................................................................................................................................... 12
b. Méthodes analytiques ...................................................................................................................................... 13
c. Méthodes discrètes ........................................................................................................................................... 14
3. GATE ................................................................................................................................................................... 15
a. Fonctionnement de GATE ................................................................................................................................ 16
b. Définition de la géométrie ................................................................................................................................ 16
c. Le scanner ........................................................................................................................................................ 16
d. Fantôme ........................................................................................................................................................... 17
e. Configuration des détecteurs ........................................................................................................................... 17
f. Imagerie ........................................................................................................................................................... 17
g. Dépôt de dose ................................................................................................................................................... 17
4. IMAGES INTERFILE ................................................................................................................................................ 17
IV. LIVRABLES ............................................................................................................................................ 18
5. BENCHMARK SPECT ............................................................................................................................................. 18
h. Modélisation et caractéristiques du système ................................................................................................... 18
i. Phénomènes physiques .................................................................................................................................... 19
j. Résultats .......................................................................................................................................................... 20
6. .................................................................................................................................................................................. 20
7. CALCUL DE DOSES ................................................................................................................................................. 20
a. Architecture de la simulation ........................................................................................................................... 21
b. Modélisation du fantôme .................................................................................................................................. 21
c. Processus physiques ......................................................................................................................................... 23
d. Les acteurs : des détecteurs d’évènements particuliers ................................................................................... 23
e. Modélisation de la source ................................................................................................................................. 23
f. Expérimentation .............................................................................................................................................. 24
g. Perspectives ...................................................................................................................................................... 25
V. PROBLEMES RENCONTRES ..................................................................................................................... 26
VI. CONCLUSION ........................................................................................................................................ 27
VII. BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................................... 28

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Table des figures
FIGURE 1 : SCHEMA EN COUPE D'UNE GAMMA CAMERA(3) ....................................................................................................7
FIGURE 2 : ATTENUATION DANS UN MILIEU HOMOGENE (5) ..................................................................................................9
FIGURE 3 : ATTENUATION DANS UN MILIEU INHOMOGENE (5) ...............................................................................................9
FIGURE 4 : L'EFFET PHOTOELECTRIQUE(4) ........................................................................................................................ 10
FIGURE 5 : DIFFUSION COMPTON(4) .................................................................................................................................. 11
FIGURE 6 : EFFET DES DIFFUSIONS COMPTON(3) ................................................................................................................ 11
FIGURE 7 : REPRESENTATION DU THEOREME DE LA TRANCHE CENTRALE(1) ....................................................................... 13
FIGURE 8 RECONSTRUCTION PAR TRANSFORMEE DE FOURIER (1) ....................................................................................... 14
FIGURE 9 RECONSTRUCTION PAR RETROPROJECTION FILTREE (1) ...................................................................................... 14
FIGURE 10 SCHEMA GENERALE DES METHODES ITERATIVES. LA RECONSTRUCTION EST MISE A JOUR A CHAQUE POUR
REDUIRE L’ERREUR SUR LE SINOGRAMME. (1) ............................................................................................................. 15
FIGURE 11 : MODELISATION DU SCANNER DU BENCHMARK SPECT .................................................................................... 19
FIGURE 12 : RESULTATS DE L’ANALYSE DU FICHIER ROOT .................................................................................................. 20
FIGURE 13 : PLANS DE REFERENCE EN ANATOMIE(5) .......................................................................................................... 21
FIGURE 14 : COUPE TRANSVERSE DU FANTOME NCAT ....................................................................................................... 22
FIGURE 15 : IMAGE TOMOGRAPHIQUE DU FANTOME ........................................................................................................... 24
II. PRESENTATION DU PROJET
Ce projet est proposé dans le cadre de l’option informatique de l’Ecole Centrale de Nantes et d’une
collaboration entre l’ECN et l’INSERM de Nantes.
1. ENJEU
La simulation Monte Carlo est un outil essentiel dans le développement de la tomographie par émission
pour la conception de nouveaux matériels existants, le test de nouvelles implémentations d’algorithmes de
reconstruction d’images et l’optimisation des protocoles de scan.
Bien que codes de simulation Monte Carlo dédiés aient été développés pour la tomographie à émission de
positons (PET) et pour la tomographie d’émission monophotonique (SPECT), ces derniers souffrent de
nombreux inconvénients en termes de validation et de précision.(2) D’un autre côté, des codes de
simulation Monte Carlo versatiles comme GEANT4 ont été développés par le CERN (organisation
européenne pour la recherche nucléaire), comportant des modèles physiques validés, des outils
géométriques et des utilitaires de visualisation efficaces. Ils sont cependant trop complexes à prendre en
main et à utiliser dans la recherche médicale. (2)
GATE, qui signifie « GEANT4 Application for Tomographic Emission » , encapsule les bibliothèques de
GEANT4 pour fournir un outil de simulation adapté à la médecine nucléaire.
2. OBJECTIFS

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L’objectif de ce projet est d’analyser les nouvelles fonctionnalités présentes dans la version 6.0 de GATE,
ainsi que de valider les modèles physiques sur des benchmarks. Les différentes fonctionnalités à analyser
sont :
- Les nouvelles options de modélisation de géométrie voxélisée
- L’application à la dosimétrie : la cartographie de dose et d’énergie déposée dans le fantôme
- L’approche par espace de phases
(Voir Annexe : Cahier des Charges)
Ces objectifs ont été définis et ont évolué tout au long du projet en collaboration avec l’INSERM de Nantes
qui travaille activement sur le développement et l’utilisation de GATE.
Il est aussi à noter que ce projet est un travail de préparation pour mon TFE qui sera réalisé à l’INSERM.
Dans ce cadre là, l’objectif est de se familiariser avec GATE, d’en analyser la structure et l’implémentation
ainsi que de comprendre les principes physiques sous-jacents indispensables pour travailler dans le
domaine de l’imagerie médicale.
Le TFE qui consistera à l’implémentation de modules de simulation Monte Carlo de GATE dans un logiciel
de simulation de dosimétrie : TestDose. Ce dernier point ne sera pas abordé dans le projet d’application.
3. ENCADREMENT DU PROJET
Ce projet, mené en parallèle avec l’INSERM de Nantes et l’ECN est encadré par 1 tuteur école et 2 tuteurs
labo :
- Myriam Servières, enseignante à l’Ecole Centrale de Nantes
- Manuel Bardies, chercheur et maître
- Ludovic Ferrer, radiologue au centre René Gauducheau
4. DEROULEMENT DU PROJET
Ce projet d’application s’étend sur près de 3 mois, du 11 janvier au 25 mars 2010. Il est réalisé en
autonomie.
Le suivi de projet se fait sous la forme de rapport d’avancement à Olivier Roux, responsable des projets
d’applications à l’ECN, ainsi qu’à mes tuteurs. (Voir Annexe : Rapports d’avancement).
De plus, des réunions d’avancement étaient régulièrement organisées pour orienter le projet et faire face
aux difficultés rencontrées.
Voici le planning comportant les principaux jalons :