Dissertations / Theses on the topic 'Tomographie volumique à faisceau conique'

La tomographie à faisceau conique (CBCT) est devenue la modalité de référence pour les praticiens du domaine dentaire. Sa relative nouveauté et ses spécificités impliquent que le domaine du traitement de ces images est peu développé à l’heure actuelle. En partenariat industriel avec Carestream Dental, le premier volet de la thèse a conduit à développer une méthode de segmentation semi-automatique de chaque dent, reposant sur l’utilisation de contraintes de forme et d’intensité, et formulée comme un problème de minimisation d’énergie résolu par coupure de graphe. Les résultats montrent une bonne qualité de segmentation avec un coefficient de Dice moyen de 0, 958. Une application logicielle a été réalisée pour la mise en œuvre de la méthode de segmentation auprès des praticiens, en tenant compte des contraintes techniques et temporelles imposées par le contexte clinique, ainsi que du profil des utilisateurs. Un travail préliminaire d’extension de l’approche par coupure de graphe pour segmenter simultanément plusieurs dents à été réalisé, montrant la nécessité de rendre les contraintes de formes plus adaptées aux images et de modifier la méthode d’optimisation pour atteindre des temps de calcul compatibles avec la pratique clinique. Un second volet prospectif des travaux concerne la constitution d’un modèle structurel de la région maxillo-faciale pour formaliser les connaissances a priori sur les organes et leurs interactions. Ce modèle est un graphe conceptuel où sont représentés les concepts des structures et des relations. En particulier, les relations d’alignement et “le long de” ont été modélisées en 3D dans le cadre des ensembles flous
Cone-Beam computed tomography (CBCT) is the new standard imaging method for dental practitioners. The image processing field of CBCT data is still underdeveloped due to the novelty of the method and its specificities compared to traditional CT. With Carestream Dental as industrial partner, the first part of this work is a new semi-automatic segmentation protocol for teeth, based on shape and intensity constraints, through a graph-cut optimization of an energy formulation. Results show a good quality of segmentation with an average Dice coefficient of 0.958. A fully functional implementation of the algorithm has led to a software available for dentists, taking into account the clinical context leading to temporal and technical difficulties. A preliminary extension to multi-objects segmentation showed the necessity to get more stringent shape constraints as well as a better optimization algorithm to get acceptable computation times. The second part of this thesis, more prospective, is about the creation of a structural model of the maxillo-facial space, to formalize the a priori knowledge on organs and theirs spatial relations. This model is a conceptual graph where structures and relationships are seen as concepts. In particular, the spatial relations “Along” and “Aligned”, modeled in a fuzzy set framework, have been extended to 3D objects

La tomographie à faisceau conique (CBCT) est devenue la modalité de référence pour les praticiens du domaine dentaire. Sa relative nouveauté et ses spécificités impliquent que le domaine du traitement de ces images est peu développé à l’heure actuelle. En partenariat industriel avec Carestream Dental, le premier volet de la thèse a conduit à développer une méthode de segmentation semi-automatique de chaque dent, reposant sur l’utilisation de contraintes de forme et d’intensité, et formulée comme un problème de minimisation d’énergie résolu par coupure de graphe. Les résultats montrent une bonne qualité de segmentation avec un coefficient de Dice moyen de 0, 958. Une application logicielle a été réalisée pour la mise en œuvre de la méthode de segmentation auprès des praticiens, en tenant compte des contraintes techniques et temporelles imposées par le contexte clinique, ainsi que du profil des utilisateurs. Un travail préliminaire d’extension de l’approche par coupure de graphe pour segmenter simultanément plusieurs dents à été réalisé, montrant la nécessité de rendre les contraintes de formes plus adaptées aux images et de modifier la méthode d’optimisation pour atteindre des temps de calcul compatibles avec la pratique clinique. Un second volet prospectif des travaux concerne la constitution d’un modèle structurel de la région maxillo-faciale pour formaliser les connaissances a priori sur les organes et leurs interactions. Ce modèle est un graphe conceptuel où sont représentés les concepts des structures et des relations. En particulier, les relations d’alignement et “le long de” ont été modélisées en 3D dans le cadre des ensembles flous
Cone-Beam computed tomography (CBCT) is the new standard imaging method for dental practitioners. The image processing field of CBCT data is still underdeveloped due to the novelty of the method and its specificities compared to traditional CT. With Carestream Dental as industrial partner, the first part of this work is a new semi-automatic segmentation protocol for teeth, based on shape and intensity constraints, through a graph-cut optimization of an energy formulation. Results show a good quality of segmentation with an average Dice coefficient of 0.958. A fully functional implementation of the algorithm has led to a software available for dentists, taking into account the clinical context leading to temporal and technical difficulties. A preliminary extension to multi-objects segmentation showed the necessity to get more stringent shape constraints as well as a better optimization algorithm to get acceptable computation times. The second part of this thesis, more prospective, is about the creation of a structural model of the maxillo-facial space, to formalize the a priori knowledge on organs and theirs spatial relations. This model is a conceptual graph where structures and relationships are seen as concepts. In particular, the spatial relations “Along” and “Aligned”, modeled in a fuzzy set framework, have been extended to 3D objects

La tomodensitométrie avec faisceau conique (CBCT) est actuellement utilisée en radiothérapie externe pour visualiser le patient dans la salle de traitement. Le mouvement respiratoire des patients y est encore difficilement pris en compte et des avancées sur le sujet pourraient améliorer la précision des traitements. En ce sens, l’obtention d’une séquence imageant les mouvements dans la région d’intérêt serait souhaitable. Ce mémoire présente le développement d’un algorithme de reconstruction 4D pour CBCT qui tente de répondre à certains besoins cliniques, soit l’obtention d’une qualité d’image suffisante, une facilité de mise en place clinique et une rapidité de calcul. L’algorithme 4D développé se base sur l’algorithme itératif convexe avec sous-ensembles ordonnés et régularisation de variation totale. Cette méthode a été choisie pour sa rapidité d’exécution, procurée par l’utilisation de sous-ensembles et la parallélisation des calculs sur carte graphique, et pour sa capacité à diminuer les artéfacts de rayons, communs en imagerie 4D, procurée par la régularisation de variation totale. La méthode développée pour obtenir une image 4D à partir d’acquisitions CBCT standards a fait appel à l’algorithme Amsterdam Shroud pour déduire le mouvement respiratoire de l’ensemble de projections CBCT. Elle a été validée sur un fantôme numérique et sur des acquisitions cliniques. Les résultats obtenus démontrent le potentiel de l’algorithme, puisqu’une image de résolution spatiale et temporelle satisfaisante a été reconstruite en moins de 5 minutes. Un tel temps de calcul se compare avantageusement à d’autres méthodes disponibles et ouvre la porte à une visualisation rapide du mouvement respiratoire en salle de traitement.
Cone beam computed tomography (CBCT) is currently used to visualize patients directly in the treatment room. However, the respiratory movement is still hardly taken into account and new developments could improve the precision of treatment. To this end, obtaining a film imaging movements in the region of interest would be beneficial. This master’s thesis presents the development of a reconstruction algorithm for 4D CBCT which seeks to respond to particular clinical needs, namely sufficient image quality, clinical implementation simplicity and high computational speed. The developed 4D algorithm is based on the ordered subsets convex iterative algorithm combined with the total variation minimization regularization technique. This method was chosen for its fast execution time, enabled by the use of subsets and the parallelization on GPU, and for its capability to reduce streaking artifacts, common on 4D imaging, enabled by the total variation regularization. The method developed to reconstruct a 4D image from standard CBCT scans employed the Amsterdam Shroud algorithm to deduce respiratory movement of a CBCT projections’ set. Its validation was performed on a numerical phantom and on clinical datasets. Results demonstrate the potential of the algorithm, since an image with sufficient spatial and temporal resolution was reconstructed in less than 5 minutes. Such computational times can be compared favorably with other available methods and could allow for online applications.

La présente thèse s’inscrit dans le domaine de la physique médicale et, plus précisément, de l’imagerie médicale tridimensionnelle (3D) et de la dosimétrie 3D pour la radiothérapie. L’objectif global du travail était de concevoir et évaluer un nouvel algorithme de reconstruction itératif rapide pour la tomodensitométrie (TDM) à faisceau conique, une modalité consistant à créer des images 3D des densités du sujet imagé à partir de mesures d’atténuation partielle d’un faisceau de radiation incidente. Cet algorithme a été implanté sur matériel graphique (GPU), une plate-forme de calcul hautement parallèle, menant à la conception de stratégies d’optimisation originales. En premier lieu, un nouvel algorithme itératif statistique régularisé, dénommé OSC-TV, a été conçu et implanté sur GPU. Il a été évalué sur des ensembles de projections synthétiques et cliniques de TDM à rayons X à faisceau conique. L’algorithme proposé a démontré une qualité d’image supérieure à celle de méthodes semblables pour des acquisitions basse-dose, ainsi que des temps de reconstruction compatibles avec les activités cliniques. L’impact principal de ce travail est la capacité d’offrir au patient une réduction de dose de radiation ionisante de deux à quatre fois par rapport aux protocoles d’acquisition usuels. En second lieu, cet algorithme a été testé sur des données expérimentales en tomographie optique à faisceau conique, donnant lieu à l’une des premières études de ce genre. La résolution spatiale des images 3D résultantes a été améliorée et le bruit a été réduit. L’on a aussi démontré l’importance de considérer le spectre de la source lumineuse afin d’assurer la justesse de l’estimation des densités. Le principal impact de l’étude est la démonstration de la supériorité de la reconstruction itérative pour des données affectées par les aberrations propres à la tomographie optique à faisceau conique, résultant potentiellement en l’amélioration de la dosimétrie 3D par gel radiochromique en radiothérapie. En troisième lieu, différentes approches de gestion de la matrice-système de type exact à rayons fins ont été évaluées pour la TDM à faisceau conique. Le pré-calcul et le stockage complet de la matrice-système dans la mémoire vive du GPU s’est montré comme l’approche la plus rapide, mais la moins flexible en termes de géométries représentables, en raison de la taille limitée de la mémoire vive. Le traçage de rayons à la volée est apparu très flexible, offrant aussi des temps de reconstruction raisonnables. En somme, les trois études ont permis de mettre en place et d’évaluer la méthode de reconstruction proposée pour deux modalités de tomographie, ainsi que de comparer différentes façons de gérer la matrice-système.
This thesis relates to the field of medical physics, in particular, three-dimensional (3D) imaging and 3D dosimetry for radiotherapy. The global purpose of the work was to design and evaluate a new fast iterative reconstruction algorithm for cone beam computed tomography (CT), an imaging technique used to create 3D maps of subject densities based on measurements of partial attenuation of a radiation beam. This algorithm was implemented for graphics processing units (GPU), a highly parallel computing platform, resulting in original optimization strategies. First, a new iterative regularized statistical method, dubbed OSC-TV, was designed and implemented for the GPU. It was evaluated on synthetic and clinical X ray cone beam CT data. The proposed algorithm yielded improved image quality in comparison with similar methods for low-dose acquisitions, as well as reconstruction times compatible with the clinical workflow. The main impact of this work is the capacity to reduce ionizing radiation dose to the patient by a factor of two to four, when compared to standard imaging protocols. Second, this algorithm was evaluated on experimental data from a cone beam optical tomography device, yielding one of the first studies of this kind. The spatial resolution of the resulting 3D images was improved, while the noise was reduced. The spectral properties of the light source were shown to be a key factor to take into consideration to ensure accurate density quantification. The main impact of the study was the demonstration of the superiority of iterative reconstruction for data affected by aberrations proper to cone beam optical tomography, resulting in a potential to improve 3D radiochromic gel dosimetry in radiotherapy. Third, different methods to handle an exact thin-ray system matrix were evaluated for the cone beam CT geometry. Using a GPU implementation, a fully pre-computed and stored system matrix yielded the fastest reconstructions, while being less flexible in terms of possible CT geometries, due to limited GPU memory capacity. On-the-fly ray-tracing was shown to be most flexible, while still yielding reasonable reconstruction times. Overall, the three studies resulted in the design and evaluation of the proposed reconstruction method for two tomographic modalities, as well as a comparison of the system matrix handling methods.

L'odontologie tient une place privilégiée dans la détermination de l'âge d'un individu. Avec l'essor et le développement de l'imagerie sectionnelle, il est possible d'intégrer des mesures tridimensionnelles des différentes parties de la dent. L'enjeu de ce travail consiste à comparer la nouvelle technologie, la tomographie volumique à faisceau conique ou Cone Beam Computed Tomography (CBCT) par rapport à la méthode de référence, la microtomographie à rayons X (Micro-CT). L'échantillon d'analyse comporte 120 dents permanentes en cours de développement. Les principaux résultats montrent que les volumes dentaires obtenus par les acquisitions du CBCT et du micro-CT sont similaires (pas de différence statistiquement significative, méthode de Passing Bablok). La méthode de Bland et Altman ne montre pas de différence graphiquement, malgré une légère sous-estimation des volumes dentaires par le CBCT comparativement au micro-CT. La comparaison des écarts des reconstructions tridimensionnelles ne met pas en évidence de déformation géométrique. Cette approche microstructurale des dents à partir des acquisitions CBCT ouvre sur deux perspectives principales : médico-légale, axée sur les méthodes d'estimation de l'âge d'un sujet et clinique, basée sur l'étude de la morphologie dentaire
Odontology can be of great help in determining the age of an individual. With the growth and development of three-dimensional imaging, it has become possible to include measurements such as volumetric data, which give a better grasp of the continuous process of tooth mineralization. The aim of this work is to evaluate the new technique, Cone Beam Computed Tomography (CBCT) by comparing it with the reference method, micro computed tomography (micro-CT). The analysis sample comprised 120 permanent teeth. The tooth volumes obtained by CBCT and micro-CT acquisitions were similar (no statistically significant difference, Passing-Bablok method). The Bland and Altman method did not show any differences graphically, in spite of the tooth volumes being slightly underestimated by CBCT compared with micro-CT. A comparison of the three-dimensional reconstruction differences did not show areas of systematic errors. This microstructural approach to teeth through CBCT acquisitions opens up perspectives in two principal fields: forensic medicine, for methods of estimating the age of a subject, and clinical medicine, for the study of tooth morphology

La Tomographie Volumique à Faisceau Conique (TVFC) est une technologie d’imagerie tridimensionnelle très pertinente à utiliser en odontologie. Notre travail a pour objectifs de montrer ses intérêts et les applications spécifiques en endodontie. Après avoir redéfini les conséquences délétères possibles per et post opératoires des traitements endodontiques et expliqué les principes de la TVFC, nous explorons dans un premier temps les effets de la préparation canalaire in vitro à l’aide de la microtomographie à haute résolution puis, dans un second temps, la problématique et les intérêts de la création de reconstructions tridimensionnelles fiables et précises. Cette dernière partie aborde les notions de traitement des images issues de TVFC avant d’expliquer la démarche adoptée pour élaborer une classification tridimensionnelle des lésions inflammatoires périapicales d’origine endodontique sous formes numérique et physique
Cone Beam Computerized Tomography (CBCT) is a highly relevant three-dimensional imaging technology for use in dentistry. Our work aims to show its interests and specific applications in endodontics. After having redefined the possible deleterious per and post-operative consequences of endodontic treatments and explained the principles of CBCT, we first explore the effects of in vitro canal preparation, using high resolution microtomography and then, in a second time, the problematic and the interests of the creation of reliable and precise three-dimensional reconstructions. This last part deals with the notions of CBCT image processing before explaining the approach adopted to develop a three-dimensional classification of endodontic periapical lesions in digital and physical form

Ce projet de maitrise concerne l'utilisation du recalage déformable pour la déformation des contours et la déformation des distributions de dose. Son but est d'étudier la possibilité de générer automatiquement des contours du jour par recalage déformable et de proposer une nouvelle méthode pour cumuler les doses sur l'ensemble d'un traitement de radiothérapie. La méthode consiste à recaler l'image CT, qui permet de faire des calculs de dose, sur l'image CBCT, qui montre l'anatomie du jour, dans le but d'améliorer les suivis de patients. Pour évaluer la possibilité d'utiliser cette méthode, le projet est divisé en trois parties, centrées autour de cas de cancer de la prostate. Premièrement, on caractérise les recalages déformables provenant du logiciel Elastix en utilisant les images d'un fantôme anthropomorphique. Les calculs de dose sur ces images montrent que la méthode permettrait de calculer précisément des doses sur image du jour. Deuxièmement, on quantifie la précision de la déformation de contours avec le logiciel OnQ rts. La précision est évaluée en comparant les contours recalés aux contours tracés manuellement à l'aide de métriques de similarité. Cette étude montre que les contours produits par recalage déformable doivent être corrigés par la suite pour améliorer leur précision. De plus, la combinaison de l'indice d'inclusivité et des contours comme la prostate et le contour externe du corps permettent d'évaluer avec le plus de précision les déformations anatomiques. Troisièmement, on démontre la faisabilité de déformer les doses du jour de manière à les cumuler à l'aide du logiciel Elastix. Le principal défi pour bien déterminer les écarts de dose en clinique serait de bien caractériser la précision des recalages des organes à risque, puisqu'ils sont situés près des régions de haut gradient de dose. Dans le futur, cette technique pourrait être utilisée si la qualité des recalages est bien contrôlée.

L’objectif de ce projet est de créer un programme logiciel permettant de corriger le rayonnement diffusé dans une acquisition tomodensitométrique à géométrie conique. Pour ce faire, une simulation Monte Carlo est utilisée pour estimer le rayonnement diffusé, ce qui consiste à reproduire numériquement un examen en tomodensitométrie. Ce projet a été divisé en deux sections : la validation de la physique pour ce programme spécifique et le développement logiciel du programme. La validation consistait à reproduire les résultats obtenus avec Geant4 avec GPUMCD. Geant4, la plateforme de référence, et GPUMCD, la plateforme à l’étude, sont deux librairies logicielles pour la simulation numérique du transport de particules à travers la matière utilisant les calculs Monte Carlo. Les éléments étudiés sont les sections efficaces, les matériaux, l’algorithme de diffusion Rayleigh et l’algorithme de diffusion Compton. Bien que quelques erreurs persistent dans la physique de GPUMCD, une nette amélioration des résultats entre GPUMCD et Geant4 a été obtenue. La différence entre les deux simulations qui était supérieure à 100% pour une géométrie complexe est passée sous la barre du 10%. De plus, il a été possible d’identifier quelques autres causes telles qu’une différence dans la définition des modèles physiques, et ce, plus précisément dans l’algorithme de diffusion Compton. En ce qui concerne la seconde partie du projet, bien que la correction n’a pu être effectuée pour une reconstruction, tous les éléments ont été implémentés pour estimer le rayonnement diffusé pour une géométrie de patient provenant de données cliniques d’une reconstruction tomodensitométrique. Les paramètres et les stratégies étudiés dans le but d’optimiser le temps de calculs tout en conservant la justesse des résultats sont : le traçage de rayons, le lissage gaussien du rayonnement diffusé, la réduction du nombre de pixels sur le détecteur, l’interpolation des projections, la symétrie et la réduction de nombre de voxels dans le patient. De plus, en considérant une correction de haute qualité, soit 2% d’erreur et moins par stratégie implémentée, on obtient un temps de simulation de moins de 2 minutes sur une GPU Nvidia Titan X. Pour une simulation dite de basse qualité, soit 5% d’erreur et moins par stratégie implémentée, on obtient un temps d’exécution de moins de 15 s par simulation. Cela correspond à des temps cliniquement acceptables si le patient doit attendre sur la table.
The goal of this project is to develop an application to correct the scattered radiation in a cone beam computed tomography scan (CBCT). A Monte Carlo simulation is used to estimate the scattered radiation which is a numerical replication of a CBCT acquisition. This project has been divided into two sections : the validation of the physics for this specific application and the development of the application. The validation consisted in reproducing the results obtained with Geant4 in GPUMCD. Geant4 is the reference platform and GPUMCD is the platform studied. Both are Monte Carlo simulators of the passage of particles through matter.The elements studied are the cross sections, the materials, the Rayleigh scattering algorithm and the Compton scattering algorithm. Although some errors are still present, a great improvement of the results between GPUMCD and Geant4 was obtained. The difference between the two simulations was greater than 100 % for complex geometries and dropped below 10% after corrections of the physics. In addition, it was possible to identify some other problems such as a theoretical difference in the Compton scattering algorithms. Regarding the second part of the project, although the correction could not be implemented in a reconstruction, all elements are present to estimate the scattered radiation for an actual CBCT reconstruction. The parameters and strategies studied in order to optimize the computation time while maintaining the accuracy of the results are : ray tracing, Gaussian smoothing of scattered radiation, reduction of the number of pixels on the detector, interpolation of between the simulated projections, symmetry and reduction of number of voxels in the patient. In addition, considering a correction of high quality is 2 % error and less per implemented strategy, a simulation time of less than 2 minutes is obtained. For a low quality simulation (5% error and less per parameter), a simulation time of less than 15 seconds per simulation was obtained. Those are clinically acceptable simulation times.

Les avancées en neuroradiologie interventionnelle sont en constante évolution grâce aux progrès réalisés dans les dispositifs endovasculaires et les salles d'angiographie permettant l'angiographie 3D. Bien que l'angiographie 3D soit la référence pour l'analyse angioarchitecturale des pathologies vasculaires du système nerveux central, elle reste actuellement sous-utilisée sur le versant thérapeutique. Les traitements endovasculaires nécessitent des outils de guidage et de visualisation spécifiquement adaptés aux particularités anatomiques et aux exigences cliniques de chaque cas. Dans cette thèse, nous avons évalué des outils de post-traitement innovants en angiographie 3D pour les traitements endovasculaires en neuroradiologie interventionnelle. Nous avons appliqué et évalué les techniques de post traitement dans les diverses pathologies neurovasculaires traitées en comparant les résultats obtenus avec les méthodes conventionnelles. Dans une première partie consacrée à la prise en charge de l’accident vasculaire cérébral ischémique, nous avons évalué le CBCT comme une modalité d’imagerie pour le diagnostic positif et différentiel dans la prise en charge des AVC ischémiques à la phase aiguë, en présentant une nouvelle stratégie d’admission des patients. Ensuite nous avons discuté du bénéfice de l’angiographie 3D permettant une meilleure visibilité des dispositifs endovasculaires, limitée par l'imagerie angiographique conventionnelle en raison de leur taille et de leurs compositions. Des outils de post-traitement utilisant une double acquisition peuvent offrir une meilleure visualisation de ces dispositifs et mieux détecter d'éventuelles malpositions. Le troisième chapitre de cette thèse concernait la navigation 3D en angiographie. Les progrès réalisés en navigation 3D permettent une meilleure précision et sécurité dans le traitement endovasculaire. Nous avons présenté nos travaux sur la navigation 3D appliquée à la navigation veineuse et au traitement des fistules durales médullaires. Enfin, nous avons illustré l’intérêt de la multimodalité en NRI, permettant de mieux comprendre les interactions entre les pathologies vasculaires cérébrales et leurs répercussions dans leur environnement, en l’appliquant aux MAV cérébrales et aux micro-anévrismes.La visibilité des dispositifs endovasculaires est limitée par l'imagerie angiographique conventionnelle en raison de leur taille et de leurs alliages. Des outils de post-traitement utilisant une double acquisition peuvent offrir une meilleure visualisation de ces dispositifs et mieux détecter d'éventuelles complications. Les progrès réalisés en navigation 3D permettent une meilleure précision et sécurité dans le traitement endovasculaire tout en réduisant le temps d'exposition aux rayons X. Cela limite l'acquisition d'images graphiques elles-mêmes associées à des injections itératives de produits de contraste. Enfin, la multimodalité, à travers la fusion angiographie 3D, gold standard vasculaire, et IRM, modalité de référence pour l'évaluation du parenchyme, permettrait de mieux comprendre les interactions entre les pathologies vasculaires cérébrales et leurs répercussions dans leur environnement, notamment de la paroi vasculaire et du parenchyme cérébral
Progress in interventional neuroradiology is continually advancing due to advancements in endovascular materials and angiography facilities enabling 3D angiography. Despite its effectiveness in analyzing central nervous system vascular pathologies, the therapeutic potential of 3D angiography remains largely untapped. Tailored post-treatment tools are necessary to address the unique anatomical and clinical aspects of each case in endovascular interventions. This study assesses innovative post-treatment tools for 3D angiography in interventional neuroradiology, comparing them with conventional methods across various neurovascular pathologies. Additionally, our angiography facilities allow for Cone Beam Computed Tomography (CBCT), which could emerge as a standalone diagnostic modality for early detection of neurovascular pathologies, potentially replacing MRI or CT, especially in acute ischemic stroke management.Conventional angiographic imaging often struggles to adequately visualize endovascular devices due to their size and composition. Dual acquisition post-treatment tools offer enhanced device visibility and better detection of potential complications. Furthermore, advancements in 3D navigation enhance precision and safety during endovascular procedures, reducing X-ray exposure time and the need for repetitive contrast agent injections. Lastly, a multimodal approach integrating 3D angiography, the gold standard in vascular assessment, with MRI, the primary modality for parenchymal evaluation, promises a deeper understanding of the interplay between cerebral vascular pathologies and their impact on surrounding tissues, particularly the vascular wall and cerebral parenchyma

Dans le contexte du traitement du cancer de la prostate, l’utilisation de la tomodensitométrie à faisceau conique (CBCT) pour la radiothérapie guidée par l’image, éventuellement adaptative, présente certaines difficultés en raison du faible contraste et du bruit important dans les images pelviennes. L’objectif principal de cette thèse est d’apporter des contributions méthodologiques pour le recalage automatique entre l’image scanner CT de référence et l’image CBCT acquise le jour du traitement. La première partie de nos contributions concerne le développement d’une stratégie de correction du positionnement du patient à l’aide du recalage rigide (RR) CT/CBCT. Nous avons comparé plusieurs algorithmes entre eux : (a) RR osseux, (b) RR osseux suivi d’un RR local dans une région qui correspond au clinical target volume (CTV) de la prostate dans l’image CT élargie d’une marge allant de 1 à 20 mm. Une analyse statistique complète des résultats quantitatifs et qualitatifs utilisant toute la base de données, composée de 115 images cone beam computed tomography (CBCT) et de 10 images computed tomography (CT) de 10 patients atteints du cancer de la prostate, a été réalisée. Nous avons également défini une nouvelle méthode pratique et automatique pour estimer la distension rectale produite dans le voisinage de la prostate entre l’image CT et l’image CBCT. A l’aide de notre mesure de distension rectale, nous avons évalué l’impact de la distension rectale sur la qualité du RR local et nous avons fourni un moyen de prédire les échecs de recalage. Sur cette base, nous avons élaboré des recommandations concernant l’utilisation du RR automatique pour la localisation de la prostate sur les images CBCT en pratique clinique. La seconde partie de la thèse concerne le développement méthodologique d’une nouvelle méthode combinant le recalage déformable et la segmentation. Pour contourner le problème du faible rapport qualité/bruit dans les images CBCT qui peut induire le processus de recalage en erreur, nous avons imaginé une nouvelle énergie composée de deux termes : un terme de similarité globale (la corrélation croisée normalisée (NCC) a été utilisée, mais tout autre mesure de similarité pourrait être utilisée à la place) et un terme de segmentation qui repose sur une adaptation locale du modèle de l’image homogène par morceaux de Chan-Vese utilisant un contour actif dans l’image CBCT. Notre but principal était d’améliorer la précision du recalage comparé à une énergie constituée de la NCC seule. Notre algorithme de recalage est complètement automatique et accepte comme entrées (1) l’image CT de planification, (2) l’image CBCT du jour et (3) l’image binaire associée à l’image CT et correspondant à l’organe d’intérêt que l’on cherche à segmenter dans l’image CBCT au cours du recalage
The use of CBCT imaging for image-guided radiation therapy (IGRT), and beyond that, image-guided adaptive radiation therapy (IGART), in the context of prostate cancer is challenging due to the poor contrast and high noise in pelvic CBCT images. The principal aim of the thesis is to provide methodological contributions for automatic intra-patient image registration between the planning CT scan and the treatment CBCT scan. The first part of our contributions concerns the development of a CBCT-based prostate setup correction strategy using CT-to-CBCT rigid registration (RR). We established a comparison between different RR algorithms: (a) global RR, (b) bony RR, and (c) bony RR refined by a local RR using the prostate CTV in the CT scan expanded with 1- to-20-mm varying margins. A comprehensive statistical analysis of the quantitative and qualitative results was carried out using the whole dataset composed of 115 daily CBCT scans and 10 planning CT scans from 10 prostate cancer patients. We also defined a novel practical method to automatically estimate rectal distension occurred in the vicinity of the prostate between the CT and the CBCT scans. Using our measure of rectal distension, we evaluated the impact of rectal distension on the quality of local RR and we provided a way to predict registration failure. On this basis, we derived recommendations for clinical practice for the use of automatic RR for prostate localization on CBCT scans. The second part of the thesis provides a methodological development of a new joint segmentation and deformable registration framework. To deal with the poor contrast-to-noise ratio in CBCT images likely to misguide registration, we conceived a new metric (or enery) which included two terms: a global similarity term (the normalized cross correlation (NCC) was used, but any other one could be used instead) and a segmentation term based on a localized adaptation of the piecewise-constant region-based model of Chan-Vese using an evolving contour in the CBCT image. Our principal aim was to improve the accuracy of the registration compared with an ordinary NCC metric. Our registration algorithm is fully automatic and takes as inputs (1) the planning CT image, (2) the daily CBCT image and (3) the binary image associated with the CT image and corresponding to the organ of interest we want to segment in the CBCT image in the course of the registration process

Dans les cabinets dentaires, la dévitalisation des dents est un traitement réalisé quotidiennement (6 millions de traitement par an en France). Une bonne connaissance de l'anatomie canalaire (intérieur de la dent ou endodonte) est un pré requis indispensable au succès d'un traitement endodontique. Pour faire face aux nombreuses variations anatomiques qui viennent compliquer cette thérapeutique, les chirurgiens-dentistes ne disposent essentiellement que de la radiographie intra-buccale deux dimensions (2D) laquelle ne permet pas la complète compréhension de cette anatomie 3D. Distorsion, compression de l'anatomie et superposition des structures avoisinantes perturbent la qualité de l'image n'autorisant pas une évaluation qualitative et quantitative précise de cette anatomie. Les appareils de tomographie volumique à faisceau conique (TVFC) présents dans les cabinets dentaires pourraient constituer une alternative en fournissant de petites reconstructions 3D de structures dento-maxillofaciales. Mais l'évaluation de la précision diagnostique des TVFC dentaires sur l'anatomie canalaire est nécessaire afin de pouvoir justifier leur indication pour les traitements endodontiques. En effet, le développement d'une méthode de segmentation endodontique sur des images de TVFC n'est pas aisée du fait de la finesse de cette anatomie canalaire par rapport à la résolution du système d'imagerie, de la qualité d'image et de la difficulté à valider les résultats obtenus. Afin d'aider la thérapeutique endodontique, les travaux réalisés dans cette thèse ont pour but de fournir des outils informatiques et des méthodes utiles à l'obtention d'une évaluation quantitative du réseau canalaire radiculaire. Après une présentation de l'anatomie endodontique et des principes du traitement canalaire, nous avons décrits les caractéristiques techniques des appareils de tomographie volumique à faisceau conique et les outils existants pour évaluer de manière quantitative cette anatomie sur des images issues de micro-scanners haute-résolution dédiés à la recherche. Nous avons ensuite proposé une méthode pour évaluer les résultats de segmentation endodontique en TVFC par comparaison avec les données micro-scanners. Afin de valider cette méthode et d'évaluer la faisabilité de segmenter l'endodonte en TVFC, nous avons testé un seuillage local adaptatif développé pour répondre à notre problématique sur des dents extraites. Pour permettre la validation des résultats de segmentation sur des images de qualité clinique (dégradée par les structures anatomiques autour des dents dans et hors champ de vue), nous avons élaboré et validé un fantôme parodontal réalisé autour de dents extraites et permettant de préserver la comparaison avec la vérité terrain fournie par les micro-scanners. En fin de thèse, nous avons évoqué les perspectives basées sur l'apprentissage profond et les premières études réalisées pour compenser la réduction de la qualité d'image afin de pouvoir tester et valider la segmentation endodontique en condition clinique
In dental offices, endodontic or root canal treatments are daily performed (over 6 million treatments per year in France). A good knowledge of the root canal anatomy (inside of the tooth or pulp) is an indispensable prerequisite for ensuring the success of root canal treatment. To understand and overpass common morphological variations which are potential source of failures during the treatment, two-dimensional (2D) intra buccal radiography can help dental surgeons. However, distortion, anatomical compression and neighboring anatomical structures superposition reduce image quality and do not allow an accurate qualitative and quantitative evaluation of the root canal anatomy. Cone-beam computed tomography (CBCT) available in dental offices might be an alternative by providing 3D reconstructions of dento-maxillofacial structures. But the evaluation of the diagnostic accuracy of dental CBCT devices in identifying root canal anatomy is necessary to justify their indication in endodontic treatment. Indeed, root canal segmentation on (CBCT) images is difficult because of the noise level, resolution limitations, and to the difficulty to validate results. To help dental surgeons in root canal treatment, this thesis aims at providing image processing methods in order to develop segmentation and visualization methods of the inside of the teeth. To begin with, we have introduced the root canal morphology, the different rules of the root canal treatment and described technical specifications of CBCT devices. We also investigated existing techniques and methods to explore quantitatively root canal anatomy on high resolution microcomputed tomography (µCT) images. Afterwards, we proposed a method to evaluate CBCT endodontic segmentation results by comparing with equivalent µCT data. To validate this method and to test endodontic segmentation on CBCT images, we developed a local adaptive thresholding and evaluated results on extracted teeth. To ensure validation on image quality similar to in vivo condition (quality reduced by anatomical structures in and out of the field of view), we designed and validated a periodontal phantom which are made around extracted teeth and allowing to preserve comparison with the ground truth providing by the µCT. At the end of the thesis, we evocated our perspectives based on deep learning and our first results to compensate image quality reduction in order to test endodontic segmentation in clinical condition

L'imagerie tomographique par rayons X, appelée tomodensitométrie, est accessible en routine clinique diagnostique grâce au scanner. Le scanner permet de différencier très précisément les tissus humains mais ses performances sont obtenues par des choix techniques incompatibles avec une utilisation interventionnelle où le système d'imagerie ne doit pas empêcher l'accès au patient. Les arceaux rayons X interventionnels ont donc été dotés d'une technologie tomographique alternative, le Cone-Beam Computed Tomography (CBCT). Le CBCT est très performant en résolution spatiale mais limité pour la visualisation des faibles contrastes, surtout en présence de produit de contraste et d'objets thérapeutiques métalliques toujours sous-échantillonnés lors de l'acquisition. Des acquisitions plus économes en dose et plus rapides, obtenues en réduisant l'amplitude angulaire des mesures ou le nombre de mesures, sont souhaitables mais aggravent les problèmes liés au sous-échantillonnage.La résolution du problème de reconstruction d'une région anatomique (ROI) à partir de projections s'effectue efficacement via la minimisation d'une fonction de coût compensant le sous-échantillonnage grâce à l'injection d'informations a priori sur la ROI. La minimisation peut être effectuée par un algorithme itératif lié à un schéma de point fixe. Quatre points essentiels sont (i) le choix du terme d'attache aux données, (ii) de la régularisation, (iii) la discrétisation des opérateurs linéaires présents dans ces deux termes et enfin, (iv) le choix de l'algorithme itératif. Souvent, ces méthodes ne sont pas utilisées dans un cadre assurant leur convergence. Dans cette thèse, nous proposons des méthodes de reconstruction itérative qui sont théoriquement convergentes et applicables à des acquisitions pour la radiologie interventionnelle.Pour répondre à cet objectif, nous étendons les conditions de convergence d'un ensemble d'algorithmes proximaux lorsque l'adjoint du projecteur est remplacé par un autre opérateur. Une des motivations pour ce changement est l'absence de gestion des variations d'échantillonnage par le projecteur classique basé sur l'interpolation linéaire.La convergence des algorithmes est prouvée sous des conditions s'appuyant sur le caractère cocoercif de certains opérateurs linéaires.Nous montrons ensuite qu'une modélisation des variations d'échantillonnage dans un schéma d'interpolation permet d'obtenir une discrétisation à la fois précise du projecteur et du rétroprojecteur. En partant d'un algorithme de rééchantillonnage proposé pour agrandir des images, nous concevons de nouveaux projecteurs et rétroprojecteurs adaptés à la géométrie conique avec un détecteur plan, avec différents compromis de précision et rapidité.Par ailleurs, nous proposons une méthode itérative pour la reconstruction d'aiguilles percutanées à partir d'acquisitions ayant une amplitude angulaire limitée. Nous adoptons une stratégie de décomposition du volume associés à différents termes de régularisation directionnelle pour chaque composante et ainsi reconstruire un fond anatomique sur lequel sont superposées les aiguilles.Enfin, nous proposons une nouvelle formulation régularisée pour la reconstruction d'une région anatomique à partir d'acquisitions ayant une faible densité angulaire. La combinaison d'un terme d'attache aux données robuste et d'une régularisation de variation totale permet de limiter les artéfacts issus d'objets intenses présents dans les projections mais en dehors de la grille de reconstruction. Pour permettre une reconstruction précise et rapide, nous exploitons les apports des techniques d'apprentissage pour proposer un algorithme itératif déroulé permettant un apprentissage supervisé des paramètres du problème en un nombre d'itération restreint. Nous montrons qu'une meilleure reconstruction est obtenue en apprenant l'adjoint des opérateurs linéaires présent dans le terme de régularisation
X-ray tomographic imaging, known as CT scanning, is available in clinical diagnostic routines thanks to the scanner. CT scanners allow precise differentiation of human tissues. However, these performances are obtained by technical choices incompatible with interventional use where the imaging system must not prevent access to the patient. Interventional X-ray C-arms have thus been equipped with an alternative tomographic technology: Cone-Beam Computed Tomography (CBCT). CBCT offers high spatial resolution for vessel imaging but remains limited for low contrast visualization, especially in the presence of injected contrast media and metallic therapeutic objects always under-sampled during the acquisition. Simplified acquisitions that are more dose-saving and faster, obtained by reducing the angular amplitude covered by the measurements or the number of measurements, are desirable but exacerbate under-sampling issues.The problem of reconstructing an anatomical region from projections can be efficiently solved by minimizing a cost function that compensates for under-sampling through a priori information about the region to be reconstructed. The minimization can be performed by an iterative algorithm built on a fixed point scheme. Four essential components in iterative methods are (i) the choice of the data fidelity, (ii) the regularization, and (iii) the discretization of the linear operators involved in these two terms (e.g., the projector and its adjoint, the backprojector), and (iv), the choice of the iterative algorithm. In practice, these methods are not used in a framework ensuring their convergence. In this thesis, we propose methodological contributions leading to iterative reconstruction methods that are theoretically convergent and applicable to acquisitions for interventional radiology.To achieve this objective, we extend the convergence conditions of a set of proximal algorithms when the projector adjoint is replaced by another operator, such as the voxel-driven backprojector often used in analytical reconstruction.One of the motivations for this change is the lack of management of sampling variations by the classical projector based on linear interpolation. The convergence of the algorithms is proved under conditions based on the cocoercivity of some linear operators.We then show that the modeling of sampling variations in an interpolation scheme allows for the derivation of an accurate discretization of the projector and the backprojector. Starting from an existing resampling algorithm for image enlargement, we design new projectors and backprojectors adapted to the cone-beam geometry with a flat detector, with different accuracy and speed trade-offs.Next, we propose an iterative method for reconstructing percutaneous needles from acquisitions with limited angular amplitude. We adopt a volume decomposition strategy associated with different directional regularization terms for each component and thus reconstruct an anatomical background on which the needles are superimposed.Finally, we propose a new regularized formulation for reconstructing an anatomical region from low angular density acquisitions. The combination of a robust data fidelity term with a total variation regularization limits artifacts from intense objects present in the projections but out of the reconstruction grid. To reach an accurate and fast reconstruction, we exploit recent advances in deep learning to propose an iterative unfolded algorithm allowing supervised learning of the problem parameters in a limited number of iterations. We show that a better reconstruction is obtained by learning the adjoint of the linear operators in the regularization term

Une radiothérapie externe repose sur l’acquisition d’une image scanner (computed tomography : CT) de planification. Celle-ci contient l’information des densités électroniques nécessaires au calcul de la dose à délivrer. Des images volumique, cone beam CT (CBCT), MV-CT ou imagerie par résonance magnétique (IRM), sont acquises pour le repositionnement du volume cible sous la machine de traitement. Ces images pourraient être utilisées pour quantifier l’impact dosimétrique des variations anatomiques pouvant survenir en cours de traitement. L’objectif de cette thèse était de développer, d’évaluer et de comparer des méthodes de calcul de dose à partir d’images CBCT et IRM, dans une perspective de radiothérapie adaptative guidée par la dose. Pour un calcul de dose à partir d’images CBCT, une méthode de deep learning a été comparée à trois méthodes de la littérature de la sphère ORL. Pour un calcul de dose sur IRM, neuf méthodes, dont une méthode atlas, une méthode patches et des méthodes de deep learning avec différentes architectures ont été comparées. De plus, les bénéfices dosimétriques de stratégies de radiothérapie adaptative par replanification (ORL) et par bibliothèque de plans de traitement (col de l’utérus) ont été évalués. En conclusion, les méthodes de deep learning pour générer des pseudo-CT sont prometteuses, car rapides et précises. Ces méthodes peuvent être utilisées pour un suivi de la dose en cours de traitement dans le cadre d’une radiothérapie adaptative
Standard external beam radiotherapy is based on a planning computed tomography (CT) scan. This CT provides electron densities required for dose calculation. 3D imaging such as cone beam CT (CBCT), MV-CT or magnetic resonance imaging (MRI), are acquired just before irradiation for target volume registration. These images could be used to quantify dosimetric impact of anatomical variations occurring during the treatment course. The objective of the thesis was to develop, evaluate and compare CBCT-based and MRI-based dose calculation methods, in a dose-guided adaptive radiotherapy perspective. For head-and-neck CBCT-based dose calculation, a deep learning method was compared to three other methods from literature. For prostate MRI-based dose calculation, nine methods including an atlas-based, a patch-based and deep learning methods with different architectures were compared. Moreover, dosimetric benefits of adaptive radiotherapy strategies (offline for head-and-neck and plan treatment library for cervix) were evaluated. To generate pseudo-CT from CBCT or MRI, deep learning methods are promising, since they are fast and accurate. These methods can be used for a dose monitoring during treatment course in an adaptive radiotherapy process

La prévision du risque d'avalanche, les prévisions hydrologiques et l'estimation du bilan énergétique de la Terre dépendent d'une connaissance précise de la stratigraphie du manteau neigeux. Le test de pénétration du cône, qui consiste à enregistrer la force nécessaire pour faire pénétrer un cône dans le matériau d'intérêt, est largement utilisé pour mesurer des profils de neige. La sonde de battage, développée et utilisée depuis 1930, a été continuellement améliorée. Aujourd'hui, des pénétromètres numériques, tel que le SnowMicroPenetrometer, permettent de mesurer la résistance à la pénétration à vitesse constante avec une résolution verticale de quelques microns. Les fluctuations de force mesurées à cette résolution contiennent des informations sur la microstructure essentielles pour compléter la connaissance de la dureté moyenne de chaque couche de neige. Néanmoins, le lien entre le profil de dureté et la microstructure de la neige n'est pas encore entièrement compris. En effet, les modèles d'inversion existants négligent certaines des interactions entre la pointe du cône et la neige, comme la formation d'une zone de compaction, et ils n'ont été évalués que par des relations empiriques avec des propriétés macroscopiques. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'interaction entre le cône et la neige à une échelle microscopique, à l'aide de la tomographie à rayons X, afin d'extraire, de manière plus précise, les propriétés microstructurelles de la neige à partir des mesures de résistance à la pénétration. Dans ce travail, nous analysons des tests de pénétration du cône de quelques centimètres de profondeur, qui contiennent une partie transitoire non négligeable due à la formation progressive d'une zone de compaction. Afin de prendre en compte explicitement ce processus, nous avons développé un modèle statistitique non-homogène de Poisson, qui prend en compte une dépendance à la profondeur du taux d'occurrence de rupture entre grains de neige. Nous avons utilisé ce modèle pour caractériser le frittage de la neige par des tests de pénétration du cône sous conditions contrôlées dans une chambre froide. D'après le modèle, l'hétérogénéité verticale des profils de dureté était due aux variations du taux d'occurrence de rupture, tandis que l'évolution temporelle de la force macroscopique était contrôlée par un renforcement des ponts. Cette partition est cohérente avec les processus de frittage connus et fournit une validation indirecte du modèle proposé. Une deuxième partie de la thèse a porté sur des expériences en chambre froide combinant des tests de pénétration du cône et de l'imagerie par tomographie X. Des images tri-dimensionnelles à haute résolution d'un échantillon de neige ont été prises avant et après le test du cône. Sur ces images, un nouvel algorithme de suivi de grains a été appliqué pour déterminer les déplacements granulaires induits par le test. Nous avons quantifié avec précision la taille de la zone de compaction et sa relation avec les caractéristiques de la neige. Nous avons montré que les déplacements verticaux observés compliquent l'utilisation de modèles d'expansion de cavité comme modèles d'inversion. Enfin, nous avons lié les propriétés microstructurelles obtenues par tomographie, telles que la taille ou le nombre de ruptures de ponts, à des propriétés dérivées des profils de dureté. Nous avons montré que les propriétés estimées à partir des tests de pénétration du cône sont des approximations de la microstructure de la neige, mais restent trop conceptuelles pour espérer une relation directe. A l'avenir, ces études devraient permettre de dériver, de manière objective, la stratigraphie du manteau neigeux à partir d'une mesure de terrain simple et rapide
Precise knowledge of the snowpack stratigraphy is crucial for different applications such as avalanche forecasting, predicting the water runoff, or estimating the Earth energy budget. The cone penetration test, which consists of recording the force required to make a cone penetrate the material of interest, is widely used to measure in situ snow profiles. The ramsonde developed in the 1930's was continuously improved into highly-resolved digital snow penetrometers. In particular, the SnowMicroPenetrometer measures the snow penetration resistance at constant speed with a vertical resolution of four microns. The force fluctuations measured at such a resolution contain information about the snow microstructure, which is essential to complete the knowledge of the mean hardness of each snow layer. Nevertheless, the link between the measured hardness profile and the snow microstructure is not yet fully understood. Indeed, existing inversion models neglect obvious interactions between the cone tip and the snow, such as the formation of a compaction zone, and have only been evaluated through empirical relations to macroscopic properties. The goal of this thesis is to investigate the interaction between the cone and the snow at a microscopic scale using X-ray tomography in order to better invert the hardness profiles into microstructural properties. In this work, we analyze cone penetration tests of a few centimeters and thus the measured profiles contain a non negligible transient part due to the progressive formation of a compaction zone. In order to explicitly account for this process in the inversion model, we successfully developed a non-homogeneous Poisson shot noise model which considers a depth dependency of the rupture occurrence rate. We used this model to characterize snow sintering with cone penetration tests under controlled cold-lab conditions. According to the model, the vertical heterogeneity of hardness profiles was due to variations of the rupture occurrence rate, while the time evolution of the macroscopic force was controlled by bond strengthening. This partition is consistent with the expected sintering processes and provides an indirect validation of the proposed model. The second part of the thesis consists of cold-lab experiments combining cone penetration tests and X-ray tomography. High resolution three dimensional images of the snow sample before and after the cone test were measured. On these images, a novel tracking algorithm was applied to determine granular displacements induced by the test. We precisely quantified the size of the compaction zone and its relation to the snow characteristics. Furthermore, we showed that the observed vertical displacements challenge the use of standard cavity expansion models as inversion models. Finally, we linked the microstructural properties obtained from tomography, such as the bond size or the number of failed bonds, to properties derived from hardness profiles. We showed that the properties estimated from cone penetration tests are proxies of the snow microstructure, but remain too conceptual to expect a straightforward relation. In the future, these studies should make it possible to derive in an objective way the stratigraphy of the snowpack from a simple and fast field measurement

Les images acquises par tomographie volumique à faisceaux coniques (CBCT) sont plus précises que celles de la radiologie classique tout en produisant 1.5 à 12 fois moins de rayons X. Ces bonnes précisions en font un outil intéressant ce qui concerne le diagnostic et la planification d’interventions chirurgicales. Ce n'est que récemment que son usage est entré dans la pratique pour des chirurgies lourdes, avec l'introduction de systèmes d'imagerie par radiographie dédiés, coûteux et encombrants. Une idée pour généraliser son utilisation à des chirurgies mineures, en orthopédie ou en traumatologie par exemple, serait de l’implanter sur le dispositif d’imagerie radiologique médicale le plus répandu en salle d’opération : l’arceau chirurgical mobile (C-arm).Cependant, le C-arm est incompatible avec les algorithmes de tomographie volumique de l’état de l’art qui nécessitent une connaissance très précise de la géométrie de l'image. En effet, un C-arm est mécaniquement instable et ses trajectoires sont non répétables. De plus, les algorithmes de calibration géométrique du C-arm mobile de l’état de l’art ne répondent pas aux exigences de cet usage : invasivité, modification trop importante de la routine chirurgicale, précision de localisation insuffisante… Dès lors, nous avons mis en évidence l’intérêt d’implanter une nouvelle méthode de calibration en ligne non invasive du C-arm. Pour ce faire, nous avons choisi d’exploiter principalement des mesures issues de capteurs inertiels.Pour répondre à cette problématique, nous abordons deux points : La construction d’un algorithme de calibration : l’idée est d’estimer la position et l’orientation du couple source-détecteur du C-arm mobile à partir des mesures inertielles et de modèles cinématiques adaptés, et grâce à des estimateurs (filtres et lisseurs de Kalman) correctement paramétrés. La propagation des erreurs d’estimation de positions et d’orientations jusqu’aux projetés 2D puis jusqu’aux reconstructions 3D : le but est d’évaluer l’impact des erreurs de localisation sur la qualité de reconstruction tout en permettant de déterminer les paramètres les plus impactants.Afin de valider le dispositif de calibration proposé, deux plateformes expérimentales ont été construites dans le cadre cette thèse : un bras rotatif qui permet de reproduire les mouvements de la source à rayons X ou du détecteur du C-arm dans le cas de trajectoires simplifiées, motorisées et répétables, et un C-arm réel qui a été sécurisé et motorisé, puis équipé de capteurs. Ce dernier nous a permis d’estimer la précision de localisation du couple source-détecteur pour des trajectoires réalistes.Sur une trajectoire classique d’un système réel, les erreurs maximales de calibration obtenues sont de l’ordre de 2 mm pour les positions et du dixième de degré pour les rotations. Ces résultats sont comparables à ceux obtenus par les méthodes de calibration invasives de l’état de l’art. La qualité de reconstruction a été évaluée sur des projetés 2D sur le plan détecteur puis sur des coupes de reconstructions 3D de mires et de fantômes réels. La précision sur l’orientation obtenue est évaluée comme étant suffisante pour garantir une bonne qualité de reconstruction. La précision sur la position est cependant jugée insuffisante. Néanmoins, les reconstructions obtenues, bien que visuellement déformées, gagneraient à être présentées et évaluées par un spécialiste médical. Les algorithmes de propagation d’erreurs ont également permis de conclure qu’une erreur sur les translations dans le plan de la source et du détecteur du C-arm ont, au moins, 6 fois plus d’impact sur les reconstructions que des erreurs sur les autres paramètres géométriques du C-arm
Cone beam computed tomography (CBCT) is more accurate than conventional radiography with less radiation exposure doses. Hence, it is a very useful complementary tool for diagnosis and surgery planning. Despite the increasing popularity of CBCT, it is mainly restricted to major surgery as it requires the use of expensive and bulky angiography systems which are specially designed to allow 3D tomography. One idea to generalize the use of CBCT to minor surgery - in orthopedics and traumatology for example - would be to introduce it on the most widely used tool for X-ray imaging: the mobile C-arm.Volume reconstruction algorithms require a very precise knowledge of the imaging geometry. Unfortunately, due to mechanical instabilities which lead to non-reproducible motions from run to run mobile C-arms are incompatible with existing tomography algorithms. Therefore, a precise C-arm on-line calibration is essential in order to achieve an accurate volume reconstruction. Existing calibration techniques do not meet these specifications. They are either not precise enough, invasive or involve a major change in the process of performing surgical acts. Therefore, we present a new on-line calibration method for mobile C-arms in order to achieve CBCT. It is based on tracking the detector and the X-ray source of the C-arm and aims to be precise and non-invasive.In order to address this issue, we will discuss two items: The first is the construction of a calibration algorithm: the idea is to estimate the position and the orientation of the detector and the X-ray source of the C-arm using inertial measurements, appropriate kinematic models, and a fitting estimator (Kalman filter and smoother). The second item is the propagation of pose estimation errors to 2D projections and to 3D reconstructions. Thus, we can evaluate the impact of the estimation errors on the reconstruction quality.This thesis also describes two experimental setups which allowed us to test and validate the proposed calibration algorithm. The first tracking experiments were carried out on a rotated-arm. It is a simple motorized mock-up to simulate either the detector or the X-ray source of a mobile C-arm. The rotated-arm exhibits a good position and orientation repeatability. The second platform is a full-size modified mobile C-arm. It includes motorized orbital and axial rotations, mechanical end stops and sensors of different characteristics and accuracies. This second platform allows us to estimate the geometric calibration accuracy on realistic trajectories.During a continuous rotation of the experimental C-arm, we achieve a tracking error of 2 mm for positions and of 0.1° for orientation. These values are comparable with existing invasive calibration algorithms accuracies. The image quality of reconstructed CBCT using the proposed calibration algorithm was evaluated on the 2D projections within the detector plane and also on the 3D reconstruction images of various phantoms. The achieved orientation accuracy is sufficient for CBCT. The position accuracy seems not. However, it may be useful to present the resulting 3D reconstruction images to medical evaluation by a specialist to confirm these conclusions. It also appears that the parameters of C-arm's projective geometry which have the greatest impact on the 2D projections are the in-plane translations of the X-ray source and of the detector. Therefore, they are the most critical parameters to be efficiently tracked in order to avoid artifacts in the 3D volume reconstruction. Compared to in-plane translations, the out-plane translations and the orientation of the detector have little influence on the 2D projections

Le besoin croissant de puissance de calcul imposé par la complexité des algorithmes de traitement et la taille des problèmes nécessite l'utilisation d'accélérateurs matériels pour répondre aux contraintes de temps et d'énergie. Les architectures FPGA sont connues pour être parmi les plateformes les plus économes en énergie, notamment pour les systèmes embarqués à travers les langages de description matérielle. L'apparition des nouveaux outils de synthèse de haut niveau a été un facteur majeur dans la prise en compte des FPGAs pour les applications complexes, comme c'est le cas avec les processeurs manycores. Les outils de synthèse de haut niveau génèrent une conception de description matérielle à partir de langages de haut niveau tels que C, C++ ou OpenCL. Les derniers FPGAs sont équipés de plusieurs unités de calcul à virgule flottante capables de répondre aux exigences de précision d'un large éventail d'applications. Cependant, l'exploitation du plein potentiel de ces architectures a toujours été une préoccupation majeure. Cette thèse vise à explorer les méthodologies d'accélération des algorithmes de problèmes inverses mal posés sur les architectures FPGA grâce à de nouveaux outils de synthèse de haut niveau appliqués à la reconstruction tomographique et à la radioastronomie. En effet, de nombreux algorithmes pour ces applications sont limités par la mémoire. Une architecture sur-mesure dérivée d'une méthodologie d'adéquation algorithme-architecture a été proposée pour surmonter le goulot d'étranglement de la mémoire. Nous avons appliqué cette méthodologie à l'opérateur de rétroprojection 3D dans le contexte de la reconstruction itérative. L'architecture du rétroprojecteur 3D tire parti d'une stratégie d'accès à la mémoire pour atteindre un débit de calcul élevé. Ensuite, nous prenons en compte la parallélisation de l'algorithme d'optimisation complet sur FPGA. Nous discutons également de la place des FPGAs en radioastronomie, notamment pour le système d'imagerie du pipeline SKA
The increasing need for computing power imposed by the complexity of processing algorithms and the size of problems requires using hardware accelerators to meet time and energy constraints. FPGA architectures are known to be among the most power-efficient platforms, especially for embedded systems using hardware description languages. The appearance of the new high-level synthesis tools has been a major factor in the consideration of FPGAs for complex applications, as is the case with the manycores processors. The high-level synthesis tools generate a hardware description design from high-level languages such as C, C++, or OpenCL. The recent FPGAs are equipped with several floating-point computing units capable of meeting the precision requirements of a wide range of applications. However, exploiting the full potential of these architectures has always been a major concern. This thesis aims to explore methodologies for accelerating inverse problem algorithms on FPGA architectures through new high-level synthesis tools applied to tomographic reconstruction and radioastronomy. Indeed, many algorithms for these applications are memory-bound. A custom architecture derived from an algorithm-architecture co-design methodology has been proposed to overcome the memory bottleneck. We applied this methodology to the 3D back-projection operator in the context of iterative reconstruction. The 3D back-projector architecture takes advantage of a custom memory access strategy to reach a full computational throughput. Then we consider the parallelization of the complete optimization algorithm on FPGA. We also discuss the position of FPGAs in radio astronomy, particularly for the SKA pipeline imaging system

Dans un contexte industriel, la tomographie 3D par rayons X vise à imager virtuellement une pièce afin d'en contrôler l'intérieur. Le volume virtuel de la pièce est obtenu par un algorithme de reconstruction, prenant en entrées les projections de rayons X qui ont été envoyés à travers la pièce. Beaucoup d'incertitudes résident dans ces projections à cause de phénomènes non contrôlés tels que la diffusion et le durcissement de faisceau, causes d'artefacts dans les reconstructions conventionnelles par rétroprojection filtrée. Afin de compenser ces incertitudes, les méthodes de reconstruction dites itératives tentent de faire correspondre la reconstruction à un modèle a priori, ce qui, combiné à l'information apportée par les projections, permet d'améliorer la qualité de reconstruction. Dans ce contexte, cette thèse propose de nouvelles méthodes de reconstruction itératives pour le contrôle de pièces produites par le groupe SAFRAN. Compte tenu de nombreuses opérations de projection et de rétroprojection modélisant le processus d'acquisition, les méthodes de reconstruction itératives peuvent être accélérées grâce au calcul parallèle haute performance sur processeur graphique (GPU). Dans cette thèse, les implémentations sur GPU de plusieurs paires de projecteur-rétroprojecteur sont décrites. En particulier, une nouvelle implémentation pour la paire duale dite à empreinte séparable est proposée. Beaucoup de pièces produites par SAFRAN pouvant être vues comme des volumes constants par morceaux, un modèle a priori de Gauss-Markov-Potts est introduit, à partir duquel est déduit un algorithme de reconstruction et de segmentation conjointes. Cet algorithme repose sur une approche bayésienne permettant d'expliquer le rôle de chacun des paramètres. Le caractère polychromatique des rayons X par lequel s'expliquent la diffusion et le durcissement de faisceau est pris en compte par l'introduction d'un modèle direct séparant les incertitudes sur les projections. Allié à un modèle de Gauss-Markov-Potts sur le volume, il est montré expérimentalement que ce nouveau modèle direct apporte un gain en précision et en robustesse. Enfin, l'estimation des incertitudes sur la reconstruction est traitée via l'approche bayésienne variationnelle. Pour obtenir cette estimation en un temps de calcul raisonnable, il est montré qu'il est nécessaire d'utiliser une paire duale de projecteur-rétroprojecteur
In industry, 3D X-ray Computed Tomography aims at virtually imaging a volume in order to inspect its interior. The virtual volume is obtained thanks to a reconstruction algorithm based on projections of X-rays sent through the industrial part to inspect. In order to compensate uncertainties in the projections such as scattering or beam-hardening, which are cause of many artifacts in conventional filtered backprojection methods, iterative reconstruction methods bring further information by enforcing a prior model on the volume to reconstruct, and actually enhance the reconstruction quality. In this context, this thesis proposes new iterative reconstruction methods for the inspection of aeronautical parts made by SAFRAN group. In order to alleviate the computational cost due to repeated projection and backprojection operations which model the acquisition process, iterative reconstruction methods can take benefit from the use of high-parallel computing on Graphical Processor Unit (GPU). In this thesis, the implementation on GPU of several pairs of projector and backprojector is detailed. In particular, a new GPU implementation of the matched Separable Footprint pair is proposed. Since many of SAFRAN's industrial parts are piecewise-constant volumes, a Gauss-Markov-Potts prior model is introduced, from which a joint reconstruction and segmentation algorithm is derived. This algorithm is based on a Bayesian approach which enables to explain the role of each parameter. The actual polychromacy of X-rays, which is responsible for scattering and beam-hardening, is taken into account by proposing an error-splitting forward model. Combined with Gauss-Markov-Potts prior on the volume, this new forward model is experimentally shown to bring more accuracy and robustness. At last, the estimation of the uncertainties on the reconstruction is investigated by variational Bayesian approach. In order to have a reasonable computation time, it is highlighted that the use of a matched pair of projector and backprojector is necessary

Ces travaux de thèse sont divisés en deux parties et portent sur la reconstruction et la description de formes géométriques complexes. La première partie présente le développement d'une approche de reconstruction multi-structures de données volumétriques issues de modèles déformables. Cette approche est appliquée sur des volumes obtenus par tomographie à faisceau conique pour la reconstruction de structures de l'oreille interne et de la chaîne ossiculaire. L'utilisateur positionne d'abord un ensemble de points de contrôle dans le volume pour chaque structures de l'oreille. Les maillages sont ensuite recalés puis déformés de manière itérative suivant deux étapes : une étape de segmentation, qui permet de trouver les limites de la structure dans le volume; et une étape de régularisation, qui permet de maintenir la forme générale de la structure. Enfin, la qualité des reconstructions, la reproductibilité et l'influence des paramètres sont estimées et comparées à la littérature. La deuxième partie présente le développement d'une approche d'analyse et de comparaison de forme 3D. Elle s'appuie sur la construction d'un graphe de Reeb d'indice de forme qui permet de caractériser de manière compacte à la fois la géométrie et la topologie de l'objet. Ce graphe est partitionné en plusieurs sous-graphes pour obtenir une description locale des régions de la surface. Les sous-graphes de deux surfaces similaires sont mis en correspondance en fonction de leur similarité pour effectuer la comparaison. Cette approche est appliquée à la détection de malformation sur les canaux semi-circulaires entre un groupe de patients asymptomatiques et un groupe de patients atteints de scoliose
This thesis work is divided into two parts and deals with the reconstruction and description of complex geometric shapes. The first part presents the development of a multi-structure reconstruction approach of volumetric data from deformable models. This approach is applied on volumes obtained by cone beam tomography for the reconstruction of structures of the inner ear and the ossicular chain. The user first positions a set of control points in the volume for each structure of the ear. The meshes are then iteratively reshaped in two steps: a segmentation step, which allows to find the limits of the structure in the volume; and a regularization step, which allows to maintain the general shape of the structure. Finally, the quality of the reconstructions, the reproducibility and the influence of the parameters are estimated and compared to the literature. The second part presents the development of a 3D shape analysis and comparison approach. It is based on the construction of a Reeb shape index graph that allows to characterize in a compact way both the geometry and the topology of the object. This graph is partitioned into several subgraphs to obtain a local description of the surface regions. The subgraphs of two similar surfaces are matched according to their similarity to perform the comparison. This approach is applied to the detection of malformation on the semicircular canals between a group of asymptomatic patients and a group of patients with scoliosis

L'imagerie est maintenant partie intégrante des traitements de radiothérapie. Avec la technologie CBCT embarquée sur les appareils de traitement, l'imagerie tomographique permet non seulement de repositionner fidèlement le patient tout au long de son traitement mais aussi d'adapter la planification initiale aux modifications quotidiennes de volume. C'est la radiothérapie adaptative, objet des travaux de cette thèse. Nous avons établi les limites techniques de précision de repositionnement des équipements utilisé. Ensuite, à partir des acquisitions CBCT quotidiennes de patients traités pour la prostate, nous avons élaboré une stratégie de traitement basée sur une banque de plans personnalisés. Nous avons mis au point une méthode semi-automatique de sélection du plan de traitement du jour qui a montré une efficacité supérieure à la sélection par des opérateurs expérimentés. Enfin, nous avons quantifié les doses additionnelles à la dose thérapeutique associées à l'utilisation quotidienne de l'imagerie CBCT. En conclusion, on peut dire qu'avec l'imagerie CBCT embarquée, on peut voir ce que l'on veut traiter, irradier ce que l'on a vu et contrôler ce qu'on a traité
Imaging is now fully integrated in the radiation therapy process. With on-board CBCT systems, tomography imaging allows not only patient positioning but also treatment planning adaptation with patient anatomy modifications, throughout the entire treatment. This is called adaptive radiation therapy, and is the main subject of this PhD thesis. During this work, we measured the repositioning accuracy of the system used. We also developed a treatment strategy using daily CBCT images and a personalized plan database to adapt treatment plan to patient anatomy. We found a way to select the daily treatment plan that shows superiority over operator selection. Then we also quantified the additional dose delivered while using this technique and the impact with regards to the risks added to patients. As a conclusion, with CBCT imaging, radiation therapy has entered an era where one can see what need to be treated, can treat what has been seen and can control what has been treated

Les variations affectant les dimensions et la forme de l’os hyoïde sont analysées chez le vivant à partir de tomodensitométries volumétriques en faisceau conique (CBCT) et complétées par des téléradiographies. Ces variations sont mises en relation avec différents paramètres biologiques (âge, sexe, population). La documentation regroupe 94 enfants et 83 adultes issus de 2 échantillons de populations, Française et Vietnamienne. Pour la première fois, l’existence d’une croissance différentielle de l’os hyoïde entre filles et garçons est mise en évidence, en termes d'amplitude et de chronologie des modifications osseuses. Chez l’adulte, la fusion des grandes cornes au corps de l'os hyoïde intervient dans l’évolution des dimensions de l'os mais ce processus biologique ne présente aucune loi prédictive. Aucune différence significative de l'âge de cette fusion n’est observée entre hommes et femmes et les facteurs l’influençant restent inconnus. Des variations affectant les dimensions et la forme de l'os hyoïde entre populations sont identifiées. La classification de la morphologie de l'os hyoïde selon 6 catégories qui est proposée consitue un outil pour l’étude des séries archéologiques. Des corrélations significatives entre les dimensions de l'os hyoïde et les voies aériennes supérieures sont observées, confirmant leurs relations étroites et réciproques, tant anatomique que fonctionnelle. Tous ces paramètres, évalués dans différents types faciaux, montrent en revanche des manifestations plus complexes qui nécessitent plus de recherche pour affiner les résultats
In this study, variations of size, shape and position of the hyoid bone are analyzed with different biological parameters (age, sex, population) from Cone Beam CT and reconstitued radiographs of living people. The study sample includes 94 children and 83 adults from two populations French and Vietnamese. The results bring the first evidence of a differential growth of the hyoid bone between girls and boys in terms of magnitude and timing of bone changes. In adults, the fusion of the greater cornua with the hyoid body is involved in the dimensional changes of the bone but no significant influencing factor (like sex or population) for this biological process can be confirmed. Variations of dimension and shape of the hyoid bone between populations are identified. Within the study, a new morphological classification of the hyoid bone based on metric data is proposed. This classification distinguishes 6 categories of shape and constitutes a tool for studies of archaeological series. Significant correlations between dimensions and position of the hyoid bone and upper airways is observed, thus confirming their close mutual relationships, both anatomical and functional. All these parameters, analyzed in different facial types, show, however, a complex interaction that requires more research to refine the results

La thèse a pour but d’étudier les effets de changements de mouillabilité de roches dans des conditions d’injections d’eau douce en tant que méthode de récupération d’hydrocarbures. Afin d’identifier le ou les mécanismes à l’origine du gain additionnel de récupération nous avons utilisé un microtomographe RX. Nous avons ainsi imagé les états de saturations finales d’un milieu poreux rempli de saumures et d’huiles. Une fois le drainage primaire réalisé nous avons effectué deux phases d’imbibitions : avec une saumure (récupération secondaire) puis une imbibition d’eau douce (récupération tertiaire). L’analyse de la mouillabilité à l’échelle du pore a permis de mettre en évidence l’effet de la température et de la salinité sur la mouillabilité. Nous avons montré que les changements de mouillages des roches n’étaient pas occasionnées par la seule expansion de la couche électrique en revanche des changements de mouillabilité ont été montrés. Ces changements s’expliquant par des transitions de mouillages de second ordre observées non seulement pour des gouttes d’huiles sur de l’eau mais également sur un substrat en verre. Au final, la mouillabilité en milieux poreux doit être mise en évidence à une échelle sous-Micrométrique ce qui est relativement nouveau dans le domaine pétrolier
The aim of the thesis is to study rock wettability change effects caused by Low Salinity brine injection as tertiary recovery method. To identify the underlying mechanism or mechanisms of additional oil recovery X-Ray imaging technology was applied. We have also imaged the end-Point saturations of filled by brine and water core samples. Once the primary drainage is realized we carried out two phases imbibitions: with high salinity brine (waterflooding) and with low salinity brine (tertiary recovery mode). The wettability analysis at pore scale permitted to put in evidence the thermal and saline effects playing a decisive role in rock wettability. We have showed wettability changes are not caused by only electrical double layer expansion, however wettability changes was shown. These changes are explained by wettability transition of second order and observed not only for oil droplet on brine, but also for oil deposited on glass substrate. Finally, the pore space wettability needs to be evidenced at sub-Micrometric scale that is new for the petroleum domain

Ce travail a porté sur la caractérisation et la quantification en 3D de la répartition de charges de différents types (nanoparticules, nanotubes, etc.) dans des matrices polymères. Nous nous focalisons sur les techniques de tomographie en microscopie électronique. Une approche multiple en tomographie électronique a été réalisée : la tomographie en FIB/MEB (faisceau d’ions focalisé/microscope électronique à balayage), la tomographie en MEB et la tomographie en MET (microscope électronique en transmission). Les nanocomposites polymère sont généralement élaborés aux fins d’améliorer les propriétés physiques (mécanique, électrique, etc.) du matériau polymère constituant la matrice, grâce à une addition contrôlée de charges nanométriques. La caractérisation de tels matériaux, et l’établissement de corrélations précises entre la microstructure et les propriétés d’usage, requièrent une approche tri-dimensionnelle. En raison de la taille nanométrique des charges, la microscopie électronique est incontournable. Deux systèmes de nanocomposite polymère ont été étudiés par une approche multiple de tomographie électronique : P(BuA-stat-S)/MWNTs (copolymère statistique poly (styrène-co-acrylate de butyl) renforcé par des nanotubes de carbone multi-parois), et P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (copolymère statistique poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) renforcé par des nanoparticules de silice). Par combinaison de divers techniques, la caractérisation et la quantification des nanocharges ont été possibles. En particulier, la taille, la fraction volumique et la distribution des charges ont été mesurées. Cette étude a ainsi fourni des informations en 3D qui contribuent à mieux comprendre les propriétés des nanocomposites. Une attention particulière a été portée aux artefacts et causes d’erreur possibles durant l’étape de traitement 3D. Nous avons également essayé de comparer les différentes techniques utilisées du point de vue de leurs avantages et inconvénients respectifs, en dégageant des possibilités d’amélioration future
This work is focused on the characterization and quantification of the 3D distribution of different types of fillers (nanoparticles, nanotubes, etc.) in polymer matrices. We have essentially used tomography techniques in electron microscopy. Multiple approaches to electron tomography were performed: FIB-SEM (focused ion beam/scanning electron microscope) tomography, SEM tomography and TEM (transmission electron microscope) tomography. Polymer nanocomposites are basically synthesized in order to improve the physical properties (mechanical, electric, etc.) of the pure polymer constituting the matrix, by a controlled addition of fillers at the nanoscale. The characterization of such materials and the establishment of accurate correlations between the microstructure and the modified properties require a three-dimensional approach. According to the nanometric size of the fillers, electron microscopy techniques are needed. Two systems of polymer nanocomposites have been studied by multiple electron tomography approaches: P(BuA-stat-S)/MWNTs (statistical copolymer poly(styrene-co-butyl acrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes) and P(BuA-stat-MMA)/SiO2 (statistical copolymer poly(butyl acrylate-co-methyl methacrylate) reinforced by silica nanoparticles). By combining various techniques, the characterization and the quantification of nanofillers were possible. In particular, statistics about size, distribution and volume fraction of the fillers were measured. This study has then provided 3D information, which contributes to a better understanding of properties of the nanocomposites. Attention has been paid to analyze carefully original data, and artifacts and causes of errors or inaccuracy were considered in the 3D treatments. We also attempted to compare benefits and drawbacks of all techniques employed in this study, and perspectives for future improvements have been proposed

Cette thèse est constituée de deux principaux axes de recherche portant sur l'imagerie dentaire par la tomographie à rayons X : le développement de nouvelles méthodes itératives de reconstruction tomographique afin de réduire les artefacts métalliques et la réduction de la dose délivrée au patient. Afin de réduire les artefacts métalliques, nous prendrons en compte le durcissement du spectre des faisceaux de rayons X et le rayonnement diffusé. La réduction de la dose est abordée dans cette thèse en diminuant le nombre des projections traitées. La tomographie par rayons X a pour objectif de reconstruire la cartographie des coefficients d'atténuations d'un objet inconnu de façon non destructive. Les bases mathématiques de la tomographie repose sur la transformée de Radon et son inversion. Néanmoins des artefacts métalliques apparaissent dans les images reconstruites en inversant la transformée de Radon (la méthode de rétro-projection filtrée), un certain nombre d'hypothèse faites dans cette approche ne sont pas vérifiées. En effet, la présence de métaux exacerbe les phénomènes de durcissement de spectre et l'absence de prise en compte du rayonnement diffusé. Nous nous intéressons dans cette thèse aux méthodes itératives issues d'une méthodologie Bayésienne. Afin d'obtenir des résultats de traitement compatible avec une application clinique de nos nouvelles approches, nous avons choisi un modèle direct relativement simple et classique (linéaire) associé à des approches de corrections de données. De plus, nous avons pris en compte l'incertitude liée à la correction des données en utilisant la minimisation d'un critère de moindres carrés pondérés. Nous proposons donc une nouvelle méthode de correction du durcissement du métal sans connaissances du spectre de la source et des coefficients d'atténuation des matériaux. Nous proposons également une nouvelle méthode de correction du diffusé associée sur les mesures sous certaines conditions notamment de faible dose. En imagerie médicale par tomographie à rayons X, la surexposition ou exposition non nécessaire irradiante augmente le risque de cancer radio-induit lors d'un examen du patient. Notre deuxième axe de recherche porte donc sur la réduction de la dose en diminuant le nombre de projections. Nous avons donc introduit un nouveau mode d'acquisition possédant un échantillonnage angulaire adaptatif. On utilise pour définir cette acquisition notre connaissance a priori de l'objet. Ce mode d'acquisition associé à un algorithme de reconstruction dédié, nous permet de réduire le nombre de projections tout en obtenant une qualité de reconstruction comparable au mode d'acquisition classique. Enfin, dans certains modes d’acquisition des scanners dentaires, nous avons un détecteur qui n'arrive pas à couvrir l'ensemble de l'objet. Pour s'affranchir aux problèmes liés à la tomographie locale qui se pose alors, nous utilisons des acquisitions multiples suivant des trajectoires circulaires. Nous avons adaptés les résultats développés par l’approche « super short scan » [Noo et al 2003] à cette trajectoire très particulière et au fait que le détecteur mesure uniquement des projections tronquées. Nous avons évalué nos méthodes de réduction des artefacts métalliques et de réduction de la dose en diminuant le nombre des projections sur les données réelles. Grâce à nos méthodes de réduction des artefacts métalliques, l'amélioration de qualité des images est indéniable et il n'y a pas d'introduction de nouveaux artefacts en comparant avec la méthode de l'état de l'art NMAR [Meyer et al 2010]. Par ailleurs, nous avons réussi à réduire le nombre des projections avec notre nouveau mode d'acquisition basé sur un « super short scan » appliqué à des trajectoires multiples. La qualité obtenue est comparable aux reconstructions obtenues avec les modes d'acquisition classiques ou short-scan mais avec une réduction d’au moins 20% de la dose radioactive
This thesis contains two main themes: development of new iterative approaches for metal artifact reduction (MAR) and dose reduction in dental CT (Computed Tomography). The metal artifacts are mainly due to the beam-hardening, scatter and photon starvation in case of metal in contrast background like metallic dental implants in teeth. The first issue concerns about data correction on account of these effects. The second one involves the radiation dose reduction delivered to a patient by decreasing the number of projections. At first, the polychromatic spectra of X-ray beam and scatter can be modeled by a non-linear direct modeling in the statistical methods for the purpose of the metal artifacts reduction. However, the reconstruction by statistical methods is too much time consuming. Consequently, we proposed an iterative algorithm with a linear direct modeling based on data correction (beam-hardening and scatter). We introduced a new beam-hardening correction without knowledge of the spectra of X-ray source and the linear attenuation coefficients of the materials and a new scatter estimation method based on the measurements as well. Later, we continued to study the iterative approaches of dose reduction since the over-exposition or unnecessary exposition of irradiation during a CT scan has been increasing the patient's risk of radio-induced cancer. In practice, it may be useful that one can reconstruct an object larger than the field of view of scanner. We proposed an iterative algorithm on super-short-scans on multiple scans in this case, which contain a minimal set of the projections for an optimal dose. Furthermore, we introduced a new scanning mode of variant angular sampling to reduce the number of projections on a single scan. This was adapted to the properties and predefined interesting regions of the scanned object. It needed fewer projections than the standard scanning mode of uniform angular sampling to reconstruct the objet. All of our approaches for MAR and dose reduction have been evaluated on real data. Thanks to our MAR methods, the quality of reconstructed images was improved noticeably. Besides, it did not introduce some new artifacts compared to the MAR method of state of art NMAR [Meyer et al 2010]. We could reduce obviously the number of projections with the proposed new scanning mode and schema of super-short-scans on multiple scans in particular case

Introduction : L’expansion palatine rapide assistée chirurgicalement (EPRAC) est une option de traitement privilégiée chez les patients ayant atteint la maturité squelettique et présentant une déficience transverse du maxillaire. L’effet bénéfique de l’EPRAC sur la fonction respiratoire est régulièrement mentionné, toutefois, encore peu d’études ont évalué son impact sur les voies aériennes supérieures. L’objectif de cette étude clinique prospective comparative consistait à évaluer les effets tridimensionnels de l’EPRAC sur la cavité nasale, le nasopharynx et l’oropharynx à l’aide de la tomodensitométrie. Méthodologie : L’échantillon était constitué de 14 patients (5 hommes, 9 femmes) dont l’âge moyen était de 23,0 ± 1,9 ans (16 ans 4 mois à 39 ans 7 mois). Tous ont été traités avec un appareil d’expansion de type Hyrax collé et l’expansion moyenne a été de 9,82 mm (7,5 - 12,0 mm). Tous ont eu une période de contention d’une année avant le début de tout autre traitement orthodontique. Une évaluation par tomodensitométrie volumique à faisceau conique a été réalisée aux temps T0 (initial), T1 (6 mois post-expansion) et T2 (1an post-expansion) et le volume des fosses nasales, du nasopharynx et de l’oropharynx ainsi que les dimensions de la zone de constriction maximale de l’oropharynx ont été mesurés sur les volumes tridimensionnels obtenus. Résultats : Les résultats radiologiques ont démontré une augmentation significative du volume des fosses nasales et du nasopharynx ainsi qu’une augmentation de la zone de constriction maximale de l’oropharynx à 6 mois post-expansion. Par la suite, une portion du gain enregistré pour ces trois paramètres était perdue à un an post-EPRAC sans toutefois retourner aux valeurs initiales. Aucun effet significatif sur le volume de l’oropharynx n’a été observé. De plus, aucune corrélation significative entre la quantité d’expansion réalisée et l’ensemble des données radiologiques n’a été observée. L’analyse de la corrélation intra-classe a démontré une excellente fiabilité intra-examinateur. Conclusions : L’EPRAC entraîne un changement significatif du volume de la cavité nasale et du nasopharynx. L’EPRAC ne modifie pas le volume de l’oropharynx, par contre, un effet significatif sur la zone de constriction maximale de l’oropharynx est noté. Les effets observés n’ont pas de corrélation avec le montant d’activation de la vis d’expansion.
Introduction: Surgically assisted rapid palatal expansion (SARPE) is a treatment of choice for patients who have reached skeletal maturity and present a maxillary transverse deficiency. It is often mentioned that SARPE has the benefit to improve respiratory function, however, only a few research projects have investigated the effects of SARPE on the upper airways. The objective of this clinical prospective comparative study was to evaluate the three-dimensional effects of SARPE on the nasal cavity, the nasopharynx and the oropharynx using computed tomography. Materials and Methods: The sample consisted of 14 subjects (5 males, 9 females) whose mean age was 23.0 ± 1.9 years (range: 16 y. 4 mo. to 39 y. 7 mo.). All patients were treated using a bonded Hyrax expander and the mean expansion was 9.82 mm (7.5-12.0 mm). A one-year retention period was undertaken before the beginning of any other orthodontic treatment. A cone-beam computed tomography (CBCT) evaluation was performed at T0 (initial), T1 (6 months post-expansion) and T2 (1 year post-expansion), and then the nasal cavity, nasopharyngeal and oropharyngeal volumes and the oropharyngeal minimal cross-sectional area were measured on the three-dimensional volumes that were obtained. Results: Radiological results have demonstrated a significant increase of the nasal and nasopharyngeal volumes and also an increase of the oropharyngeal minimal cross-sectional area at 6 months post-expansion. At one year post-SARPE, for these three parameters, a part of the gain was lost but did not return to the initial values. No significant effect on oropharyngeal volume was found. No significant correlation between expansion screw activation and radiological parameters were noted. Intra-class correlation analysis showed excellent intra-examiner reliability. Conclusions: SARPE causes significant changes of the nasal cavity and nasopharyngeal volumes. SARPE does not modify the oropharyngeal volume, but induces significant changes of the oropharyngeal minimal cross-sectional area. The observed effects do not have a correlation with the amount of expansion screw activation.