List-mode proton CT reconstruction
Reconstruction tomographique proton CT en mode liste
Résumé
Proton therapy is used for cancer treatment to achieve better dose conformity by exploiting the energy-loss properties of protons. Proton treatment planning systems require knowledge of the stopping-power map of the patient’s anatomy to compute the absorbed dose. In clinical practice, this map is generated through a conversion from X-ray computed tomography (CT) Hounsfield units to proton stopping power relative to water (RSP). This calibration generates uncertainties as photon and proton physics are different, which leads to the use of safety margins and the reduction of
dose conformity. In order to reduce uncertainties, proton CT (pCT) was proposed as a planning imaging modality since the reconstructed quantity is directly the RSP. In addition to energy loss, protons also undergo multiple Coulomb scattering (MCS) inducing non-linear paths, thus making the pCT reconstruction problem different
from that of X-ray CT.
The objective of this thesis is to improve image quality of pCT list-mode reconstruction. The use of a most likely path (MLP) formalism for protons to account for the effects of MCS has improved the spatial resolution in pCT. This formalism assumes a homogeneous medium. The first contribution of this thesis is a study on proton paths in heteregeneous media: the accuracy of the MLP was evaluated against a Monte Carlo generated path in different heterogeneous configurations. Results in terms of spatial, angular, and energy distributions were analyzed to assess
the impact on reconstruction. The second contribution is a 2D directional ramp filter used for pCT data reconstruction. An intermediate between a filtered backprojection and a backproject-filter approach was proposed, based on the extension of the usual ramp filter to two dimensions, in order to preserve the MLP spatial information. An expression for a band-limited 2D version of the ramp filter was derived and tested on simulated pCT list-mode data. Then, a comparison of direct reconstruction algorithms in terms of spatial resolution and RSP accuracy was conducted. Five algorithms, including the 2D directional ramp, were tested to reconstruct different simulated phantoms. Results were compared between reconstructions from data acquired using idealized or realistic trackers. Finally, the last contribution is a deconvolution method using the information on the MLP uncertainty in order to improve spatial resolution of pCT images.
La thérapie proton est utilisée dans le cadre du traitement contre le cancer afin de parvenir à une meilleure distribution de dose en exploitant les propriétés du proton. Les systèmes de planification de thérapie proton requièrent une carte du pouvoir d’arrêt des tissus du patient afin de pouvoir calculer la dose absorbée. En clinique, cette image est générée à partir d’une conversion des unités Hounsfield d’une image tomodensitométrique (CT) rayons X au pouvoir d’arrêt relatif (RSP) du proton. Cette calibration induit des incertitudes étant donné que les interactions physiques
des photons et des protons sont différentes, ce qui va mener à l’utilisation de marges de sécurité et à la réduction de la conformité de dose. Afin de réduire ces incertitudes, l’imagerie proton CT a été proposée pour la planification de la thérapie proton puisque la quantité reconstruite est directement le RSP. En plus de la perte d’énergie, les protons interagissent également via la diffusion multiple de Coulomb (MCS) qui induit des trajectoires non linéaires, ce qui rend le problème de reconstruction en proton CT différent de la reconstruction CT rayons X.
L’objectif de cette thèse est l’amélioration de la qualité d’image en reconstruction proton CT en mode liste. L’utilisation du formalisme du chemin le plus vraisemblable (MLP) afin de prendre en compte les effets du MCS a permis d’améliorer la résolution spatiale en proton CT. Ce formalisme suppose un milieu homogène. La première contribution de cette thèse est une étude sur les trajectoires des protons en milieux hétérogènes: la justesse du MLP a été évaluée en comparaison avec un MLP obtenu par simulations Monte Carlo dans différentes configurations. Les résultats en matière de distribution spatiale, angulaire, et énergétique ont été analysés afin d’évaluer l’impact sur l’image reconstruite. La seconde contribution est un filtre rampe directionnel 2D utilisé dans le cadre de la reconstruction proton CT. Il s’agit d’une méthode intermédiaire entre la rétroprojection filtrée et le filtrage de la rétroprojection, basée sur l’extension du filtre rampe en 2D afin de préserver l’information spatiale sur le MLP. Une expression pour une version 2D limitée en bande de fréquence du filtre rampe a été dérivée et testée sur des données pCT simulées. Ensuite, une comparaison de différents algorithmes de reconstruction directs en matière de résolution spatiale et justesse du RSP a été menée. Cinq algorithmes, incluant le filtre rampe directionnel, ont été testés afin de reconstruire
différents fantômes. Les résultats obtenus à partir de données acquises avec des détecteurs idéaux ou réalistes ont été comparés. Enfin, la dernière contribution est une méthode de déconvolution qui utilise l’information sur l’incertitude du MLP afin d’améliorer la résolution des images proton CT.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)