Titre reconstruction d'images pour la caméra Compton avec application en hadron-thérapie Contexte

CREATIS - UMR CNRS 5220 - Inserm U630 www.creatis.insa-lyon.fr

Sujet de thèse

Equipe : 7 Directeur de thèse : R. Prost, V. Maxim Contact : [e-mail]

TITRE

Reconstruction d'images pour la caméra Compton avec application en hadron-thérapie

Contexte:

Le traitement du cancer par irradiation avec des ions légers est en plein essor en Europe et dans le monde. Un centre d'hadron-thérapie sera construit prochainement à Lyon. Pour tirer profit de la précision balistique de cette méthode d'irradiation, il est essentiel de vérifier en temps réel la concordance entre la dose déposée et le plan de traitement.

Des travaux récents menés par plusieurs équipes ont montré que les photons gamma issus des fragmentations nucléaires au cours du traitement peuvent renseigner sur la position de la dose déposée. Cependant, leur énergie ~10 MeV, le bruit environnant et la faible statistique font leur détection et exploitation difficile.

Le design d’un prototype de caméra Compton est d'ailleurs l’objet d'un vaste programme européen du FP7 Coopération dans lequel ces travaux de recherche doivent directement s'insérer. Un algorithme de reconstruction d’images adéquat sera nécessaire. Il tirera profit des études préalables sur la configuration du prototype et il aidera au choix de la configuration finale.

Objectif:

Le sujet de la thèse sera consacré au développement de méthodes de reconstruction d'images pour la caméra Compton, en intégrant et rétroagissant sur une modélisation physiquement réaliste du système d'acquisition développé (sensibilité, rapport signal-à-bruit, résolutions spatiales et énergétiques, a priori fourni par l'hodoscope...). Les méthodes de reconstruction existantes sont essentiellement adaptées aux études en astronomie (2D) ou à des énergies faibles (~100keV). Des méthodes nouvelles sont nécessaires afin d'obtenir des images avec une résolution suffisante à partir d'un faible nombre de données, bruitées.

Méthodologie:

L’algorithme LM-MLEM est l’algorithme de référence en reconstruction d’images en tomographie d’émission. Il permet la prise en compte des propriétés statistiques des données et de la configuration du détecteur. Le travail de thèse consistera en l’implémentation de l’algorithme et l’ajout des corrections visant à diminuer l’influence du bruit sur l’image (par exemple l’atténuation dans le patient et de l'absorption incomplète dans le détecteur). Une autre contrainte importante vient du faible nombre de données ; une étude statistique pourrait apporter des renseignements utiles.

Le développement algorithmique sera fait d'abord sur la base de simulations Monte Carlo faites avec le logiciel Geant4, ensuite il sera validé sur des données réelles.

L'ensemble de cette étude, menée dans le cadre du projet européen ENVISION (European NoVel Imaging Systems for ION therapy), est à l'articulation de plusieurs workpackages, à savoir le WP3 In-beam single particle tomography et le WP6 Monte Carlo simulation of in-vivo dosimetry.

Compétences requises :

Traitement de l’image, mathématiques appliquées, physique

Programmation : C++
Bibliographie :
V. Maxim, M. Frandes, and R. Prost. Analytical inversion of the Compton Transform using the full set of available projections. Inverse Problems, (9):(1-31), 2009.

M. Frandes, A Zoglauer, V. Maxim, and R. Prost. A Tracking Compton-scattering Imaging System for Hadron Therapy Monitoring. IEEE Trans Nucl Sci, (1):(144-150), 2010