Breathing motion correction in single photon emission computed tomography
Correction du mouvement respiratoire en tomographie par émission mono-photonique
Résumé
Single Photon Emission Computed Tomograhpy (SPECT) is a medical imaging modality that allows to obtain the 3D distribution of a gamme-emitting tracer injected into the patient. It is particularly used in oncology for the diagnosis and localization of tumors. More recently, with the development of selective internal radiotherapy (SIRT), it has also become an important tool for the targeted treatment of cancer cells. In this case, the accuracy of the SPECT images influences the treatment received by the patient. As with other imaging modalities, respiratory motion creates blur and artifacts in the reconstructed images. The problem of respiratory motion has been studied in Positron Emission Tomography (PET) and cardiac SPECT but barely for other SPECT applications. The objective of this thesis is to develop methods to take into account respiratory motion for clinical SPECT systems and to study their influence on liver radioembolization. The first method proposed is a respiration-gated reconstruction. In this approach, a respiratory signal is automatically extracted from the measured projections and used to sort the measured projections in small temporal respiratory gated frames with minimal motion. Then, the sorted projections are reconstructed phase per phase yielding a series of motion-free volumetric images also called 4D SPECT image. However, the lower photon count in the projection data of each individual time frame compared to conventional reconstruction leads to SPECT images with a poorer signal-to-noise ratio. A second approach to compensate for respiratory motion while using all the available data was also developed. For this, the projections are sorted according to the respiratory signal as before but the motion is compensated before reconstruction. A 2D affine motion was estimated between projections at different phases. The transformation parameters were used to re-bin the list-mode data into one set of compensated projections that was then used to reconstruct a 3D motion-compensated SPECT image using all available events of the list-mode data. Each of these approaches was evaluated on simulated and real data. The real data came from SPECT acquisitions of a dynamic phantom but also from pre-treatment imaging of patients treated with liver radioembolization. Our methods showed an increase in the activity measured in the tumors compared to conventional 3D reconstructions. For radioembolization, the results suggest a possible benefit on treatment planning. This work also highlights the importance of the choice of the attenuation map for attenuation correction and segmentation of motion corrected images. Among the perspectives opened by this work we find the in-depth study of the attenuation correction for motion corrected images but also the application of our methods on other SPECT applications.
La tomographie par émission monophotonique (TEMP) est une modalité d'imagerie médicale permettant d'obtenir la distribution 3D d'un traceur radioactif émetteur de rayons gamma préalablement injecté dans le patient. L'objectif de cette thèse est de développer des méthodes de prise en compte du mouvement respiratoire pour des systèmes TEMP classiques et d'étudier leurs influences sur la radioembolisation du foie. La première méthode proposée est une reconstruction synchronisée à la respiration. Un signal respiratoire a été automatiquement extrait des projections mesurées et utilisé pour trier ensemble les projections correspondant à une même position dans le cycle respiratoire. Chaque sous-ensemble a été reconstruit indépendamment et une série d'images 3D affranchies du mouvement respiratoire a été obtenue. Une deuxième approche permettant de compenser le mouvement respiratoire tout en utilisant l'ensemble des photons détectés a également été développée. Les projections ont été triées en fonction du signal respiratoire comme précédemment mais le mouvement a été compensé avant la reconstruction. Un sous-ensemble de projections a été choisi comme phase de référence et les autres sous-ensembles ont été recalés sur ce dernier. On obtient un jeu de projections correspondant à une phase du cycle respiratoire comportant tous les photons mesurés. Ces projections sont utilisées pour reconstruire une image 3D compensée du mouvement respiratoire. Les approches ont été évaluées sur des données simulées et réelles. Les données réelles proviennent d'acquisitions TEMP d'un fantôme dynamique mais aussi de l'imagerie de pré-traitement de patients traités par radioembolisation du foie. Nos méthodes ont montré une augmentation de l'activité mesurée dans les tumeurs par rapport aux reconstructions 3D classiques. Pour la radioembolisation, les résultats suggèrent un possible bénéfice sur la planification du traitement.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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