RECONSTRUCTION 3D EN GÉOMÉTRIE CONIQUE : utilisation d ...

I. LAURETTE, Ph. DESVIGNES, P.M. KOULIBALY, E. DEBREUVE, J. DARCOURTRECONSTRUCTION 3D EN GÉOMÉTRIE CONIQUE :utilisation d’un collimateur sténopépour l’exploration thyroïdienneI. LAURETTE 1,2 , PH. DESVIGNES 1 , P.M. KOULIBALY, E. DEBREUVE 1, J. DARCOURT 11Laboratoire de Biophysique et Traitement de l’Image,Université de Nice-Sophia AntipolisFaculté de Médecine - Service de Médecine Nucléaire, Centre Antoine Lacassagne - Nice -2Medical Imaging Research Laboratory, University of Utah, Salt Lake City - USAL’utilisation de collimateurs convergents permet demeilleurs compromis sensibilité/résolution (1) et une améliorationde la détectabilité des lésions en tomoscintigraphie(2). La collimation en éventail est largement utiliséeen pratique courante et ses spécificités sont exposées parO. de Dreuille et al. dans cette revue. La collimation coniquea prouvé expérimentalement son intérêt, mais il n’y apas de collimateurs coniques ("cone beam") disponiblepour une utilisation clinique. En revanche, la plupart desservices de médecine nucléaire dispose de collimateurssténopés ("pinhole") qui sont un cas particulier decollimation conique et la société Elscint propose une méthodede reconstruction permettant de les utilisertomographiquement. Plusieurs expériences d’utilisationclinique en scintigraphie thyroïdienne ont déjà été menées(3-6). Pour ces raisons, il paraît opportun de présenter iciles problèmes spécifiques de reconstruction posés parcette géométrie ainsi qu’une synthèse des résultats obtenusen exploration thyroïdienne.1. Les méthodes de reconstruction 3DL’utilisation de collimateurs coniques introduit des problèmesde reconstruction spécifiques qui ne peuvent pasêtre résolus par les méthodes classiques développées pourles reconstructions 2D adaptées aux géométries parallèleou en éventail. Elle impose en effet une reconstructiondirectement tridimensionnelle et des trajectoires d’acquisitionparticulières.La reconstruction ne peut être que 3D car l’informationconcernant une coupe est projetée sur l’ensemble du détecteuret non sur une ligne de celui-ci comme c’est le casen géométrie classique. Ainsi, il n’est pas possible de selimiter à l’information recueillie par une ligne du détecteurpour l’ensemble des directions de projection pour reconstruireune coupe (2D). Il faut, au contraire, prendre encompte simultanément l’ensemble des informations contenuesdans les projections pour reconstruire directementle volume total de l’objet (3D) (Figure 1).(a)(b)- FIGURE 1 -Illustration des détections en géométrie parallèle (a) et conique (b)qui imposent une reconstruction respectivement 2D et 3D.Si une trajectoire d’acquisition circulaire est satisfaisanteen géométrie classique, ce n’est plus le cas en géométrieconique. En effet, il a été démontré (7) que, lorsqu’on veututiliser cette géométrie, la trajectoire d’acquisition devaitrépondre à une certaine condition - dite de Tuy - si l’onveut prétendre à une reconstruction exacte. Les trajectoiresdéterminées par la condition de Tuy sont, par exemple:deux cercles orthogonaux, un cercle et une droite, une hélice...On peut remarquer que ces trajectoires sont à l’heureactuelle rarement développées par les constructeurs et quela trajectoire circulaire, la plus courante dans les servicesde médecine nucléaire, ne fait pas partie de la classe destrajectoires satisfaisant la condition de Tuy. On sait doncpar avance que le manque de données va induire des reconstructionsinexactes, ce qui se traduit par des imagescontenant des objets déformés en dehors du plan contenantla trajectoire du point focal.152 Revue de l'ACOMEN, 1998, vol.4, n°2

Reconstruction 3D en géométrie coniqueD’un point de vue pratique, l’utilisation d’un collimateursténopé peut générer deux types particuliers de problème.Tout d’abord, afin de passer au plus près de l’organe étudié,il est souvent nécessaire d’incliner la γ-caméra (dansle cas de l’exploration thyroïdienne, afin d’éviter les épaules).Le détecteur n’est alors plus parallèle à l’axe de rotation.Ensuite, le point focal peut ne pas se projeter perpendiculairementsur le centre du détecteur. Ces deux problèmesnécessitent des traitements particuliers sous peined’obtenir des images contenant des objets totalement déformés.Aujourd’hui deux grands types de méthodes se distinguentdans le domaine de la reconstruction d’images : lesméthodes analytiques et les méthodes algébriques. Lespremières ont l’avantage, la plupart du temps, d’être rapides.Les secondes sont généralement plus lentes mais lescapacités sans cesse croissantes des ordinateurs autorisentl’utilisation de méthodes de plus en plus lourdes encalculs et en gestion de mémoire. Le principal avantagedes méthodes algébriques reste cependant la possibilitéd’inclure dans le processus de reconstruction lui-mêmedes modèles précis de correction des phénomènes physiques(atténuation, diffusé Compton...) altérant la qualitédes projections et, par conséquent, celle des images.Cette partie présente tout d’abord un algorithme de reconstructiontridimensionnelle développé industriellementpar le constructeur Elsint et s’appuyant sur la méthodeanalytique prososée par Manglos et al. (8) et validée parWanet et al. (4). Est ensuite présentée une méthode dereconstruction algébrique (itérative) tridimensionnelle développéeau sein du Laboratoire de Biophysique et deTraitement de l’Image de la Faculté de Médecine de Nice(9,10).1.1. Méthode analytique :algorithme de FeldkampParmi toutes les méthodes développées aujourd’hui pourla reconstruction tridimensionnelle, l’algorithme décrit parFeldkamp et al. (11) est sûrement le plus utilisé. Ses principauxavantages résident dans sa facilité de mise en oeuvreet sa rapidité d’exécution liée à sa forme équivalente à unfiltrage-rétroprojection. En outre, il a été montré que la plupartdes méthodes exactes - autrement dit toutes les méthodesdéveloppées pour des trajectoires répondant à lacondition de Tuy - se réduisaient finalement, lorsqu’ellesétaient appliquées à la trajectoire circulaire, à l’algorithmede Feldkamp. Il faut cependant noter que la méthode deGrangeat (12) est théoriquement supérieure car elle inclutun traitement particulier permettant de réduire l’influencedu manque de données induit par l’utilisation d’une trajectoired’acquisition circulaire.Le principe fondamental de l’algorithme de Feldkamp consisteà étendre à la géométrie conique la formule de filtrage-rétroprojectiondéveloppée pour la géométrie en éventail.Ainsi, la formule qui est utilisée pour le plan médian,contenant la trajectoire d’acquisition (Figure 2), est étendueà tous les plans passant par le point focal et perpendiculaireau détecteur.trajectoired’acquisitionpoint focalaxe de rotationplan médiandétecteur- FIGURE 2 -Illustration du principe de la méthode de FeldkampCet algorithme fût écrit au départ pour une configurationconique classique dans laquelle le point focal se projetteau centre du détecteur et la caméra reste parallèle à l’axe derotation. Comme cela a été rappelé plus haut, le collimateursténopé est, en pratique, utilisé dans des conditions différentes,notamment d’inclinaison du détecteur. Une solutiona été proposée par Manglos et al. (8). Cette méthodeincorpore un prétraitement des projections afin de se retrouverdans une configuration classique, plus facile à traiter.La technique utilisée consiste à calculer les projectionssur un détecteur virtuel à partir des projections acquisessur le détecteur réel (Figure 3).détecteurvirtueldétecteurpoint focal- FIGURE 3 -Adaptation de l’algorithme de Feldkamp pour un détécteur incliné.Revue de l'ACOMEN, 1998, vol.4, n°2153

I. LAURETTE, Ph. DESVIGNES, P.M. KOULIBALY, E. DEBREUVE, J. DARCOURTLe problème du manque de données n’est, par contre, pasabordé. En dernier lieu, comme dans toute technique defiltrage-rétroprojection, un filtre passe-bas est nécessairepour réduire l’influence du bruit haute-fréquence.Le collimateur sténopé (pinhole), est un collimateur coniqueparticulier, utilisé dans tous les services de médecinenucléaire pour l’exploration des petits organes, et surtoutla thyroïde. A résolution égale, la sensibilité des collimateursà géométrie conique est supérieure à celle des collimateursparallèles, mais ceci n’est vrai que jusqu’à unecertaine distance de l’objet. Les résultats des mesures desensibilité et de résolution (FWHM) en fonction de la distancesont présentés Figures 4 et 5. Ils permettent decomparer les performances de 2 inserts de collimateurssténopé (3 et 5 mm) avec celles d’un collimateur parallèleLEHR sur une même caméra (DSX Sopha Médical Vision).1.2. Méthode algébriqueCes méthodes sont plus coûteuses encore en temps decalcul que ne le sont les méthodes utilisées en 2D. Cependant,elles présentent l’avantage de pouvoir prendre encompte diverses contraintes, soit dans la modélisation duprojecteur, soit à travers le processus de régularisation.Comme en 2D, elles peuvent aussi permettre de réduirel’influence des phénomènes d’atténuation ou de diffusionet de traiter le bruit grâce à des hypothèses a priori convenables.Pour des acquisitions réalisées avec un collimateursténopé, ce type de méthode permet aussi de réduireles conséquences des problèmes spécifiques que posecette géométrie. L’opérateur inclut les coordonnées dupoint focal grâce à une opération préalable de calibration(9,13). Il tient également compte de l’inclinaison ("tilt") dela caméra lors de l’acquisition qui permet de passer au plusprès de l’objet. Enfin, la régularisation permet de traiter lebruit en faisant l’hypothèse que l’image recherchée estformée de zones homogènes séparées par des bords francs.Elle permet aussi de compenser le manque de donnéesinhérent à une trajectoire d’acquisition circulaire en ajoutantune contrainte de support (10).2. Application à l’explorationthyroïdienneUne limitation de la scintigraphie planaire conventionnelleest représentée par les nodules qualifiés "d’isofixants",exposant à un risque de dégénérescence cancéreuse voisinde celui des nodules manifestement froids (de l’ordrede 10 %). L’aspect d’isofixation d’un nodule révèle en faitsouvent une zone froide masquée par du tissu thyroïdiensain, qui fixe normalement le traceur. L’étude de coupes(reformatées à partir du volume 3D reconstruit) devraitpermettre de visualiser l’aspect réel de fixation du nodule,en évitant l’effet de superposition du planaire et, donc, detirer le meilleur parti de l’examen scintigraphique, dont laplace est actuellement controversée pour l’exploration dunodule thyroïdien.sensibilité (cps/sec/k.Bq)FWHM (mm)9876543210,350,30,250,20,150,10,0501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15distance (cm)- FIGURE 4 -Sensibilité en fonction de la distance :triangles = collimateur parallèle LEHR,cercles = sténopé avec insert 3 mm,carrés = sténopé avec insert 5 mm.01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15distance (cm)- FIGURE 5 -Résolution en fonctionde la distance :triangles = collimateur parallèle LEHR,cercles = sténopé avec insert 3 mm,carrés = sténopé avec insert 5 mm.On peut exploiter ces performances, en utilisant le mêmecollimateur pour l’imagerie 3D car la forme conique du collimateurpermet une rotation à plus faible distance par rapportau collimateur parallèle. Une inclinaison de la tête dela caméra , permet de passer au niveau des épaules pour serapprocher un peu plus de la thyroïde (Figure 6).Trois équipes ont déjà mené des études cliniques avecreconstruction thyroïdienne tridimensionnelle après acquisitionsavec un collimateur sténopé : l’équipe belge deStegen et Wanet (3,4) ; l’équipe parisienne de Helal et al.(5) et notre équipe à Nice (6). Nous allons rappeler lesméthodes de reconstruction qu’ils ont utilisées et leursrésultats.154 Revue de l'ACOMEN, 1998, vol.4, n°2

I. LAURETTE, Ph. DESVIGNES, P.M. KOULIBALY, E. DEBREUVE, J. DARCOURT- FIGURE 7 -Exemple de résultat :rendu 3D d’une thyroïde présentant un nodule froid du lobe gauche.156 Revue de l'ACOMEN, 1998, vol.4, n°2

Reconstruction 3D en géométrie coniqueHelal et al. donnent les résultats d’une étude concernant43 patients, dont 33 porteurs de nodules thyroïdiens, soit101 nodules explorés au total (5) (résumé) :Taille noduleEchoPlanairePSPECT< 8 mm21008-12 mm256 (24 %)19 (76 %)12-20 mm2917 (58 %)23 (79 %)> 20 mm262626Ces chiffres montrent une amélioration significative pourla détection de nodules thyroïdiens, de taille comprise entre8 et 12 mm, identifiés en nombre trois fois supérieur.L’auteur cite également le gain apporté dans la précisionde localisation du nodule (antérieur, postérieur, latéral, isthmique).Il n’est pas fait état du caractère fonctionnel desnodules, en particulier pas d’analyse détaillée du nombrede nodules froids détectés.Trente patients ont été inclus dans notre étude qui n’aconcerné que la détection des nodules froids (6), soit 39nodules thyroïdiens au total (méthode de reconstructionitérative) :TailleEchographiePlanaire3D + planaire< 10 mm1307 (54 %)10-15 mm188 (44 %)11 (61 %)> 15 mm86 (75 %)7 (87 %)La reconstruction tridimensionnelle a été possible pourl’ensemble des patients (même ceux à taux de comptageinférieur à 300 kcps). Le nombre de nodules froids détectésprogresse pour toutes les catégories de nodules. Cegain concerne surtout les petits nodules, et plus particulièrementles formations échographiques de moins de 1 cm(aucune n’est détectée sur la scintigraphie planaire seule).ConclusionLa reconstruction 3D d’images thyroïdiennes est faisableen pratique courante en utilisant un collimateur sténopéstandard, une trajectoire d’acquisition circulaire, une inclinaisonde la caméra pour passer très près du cou et unalgoritme de reconstuction dédié.Les résultats rapportés par 3 équipes en matière d’explorationthyroïdienne sont concordants et montrent que l’étude3D permet l’identification d’au moins 25 % de nodulessupplémentaires par rapport à l’exploration planaire conventionnelle.Références bibliographiques1. Tournier E., Mestais C., Peyret 0. Le compromis sensibilitérésolution,méthodes de collimation, caméras multi-têtes, méthodestomographiques, Médecine Nucléaire 1994; 18: 317-321.2. Li J., Jaszczak R.J., Turkington T.J. et al. An evaluation of lesiondetectability with cone-beam, fanbeam and parallel-beam collimationin SPECT by continuous ROC study. J Nucl Med 1994; 35: 135-140.3. Stegen M., Wanet P., Metello L., Rubistein M. Improvingsensibility of thyroid scintigraphy using pinhole SPECT. Eur J NuclMed 1995; 22: 745 (résumé)4. Wanet P.M., Sand A., Abramovici J. Physical and clinicalevaluation of high-resolution thyroid pinhole tomography, J NuclMed 1996; 37: 2017-2020.5. Helal B.O., Le Guillouzic D., Attal P. High resolution pinholeSPECT: evaluation of thyroid disease. J Nucl Med 1997; 38 : 16P(résumé).6. Desvignes Ph. Exploration scintigraphique thyroïdienne par reconstructiontridimensionnelle à partir de projections coniques.Thèse de doctorat en médecine 1998. Université de Nice-SophiaAntipolis.7. Tuy H.K. An inversion formula for cone-beam reconstruction,SIAM J Appl Math 1983; 43: 546-552.8. Manglos S.H., Jaszczak R.J., Greer K.L. Cone beam SPECT reconstructionwith camera tilt. Phys Med Biol 1989; 34: 625-631.9. Laurette I. Reconstruction en géométrie conique : application àl’imagerie d’émission tridimensionnelle. Thèse de doctorat, mentionSciences de l’Ingénieur 1997, Université de Nice-SophiaAntipolis.10. Laurette I., Darcourt J., Blanc-Féraud L., Koulibaly P.M., BarlaudM. Combined constraints for efficient algebraic regularized methodsin fully 3d reconstruction. Phys Med Biol 1998; 43: 991-1000.11. Feldkamp L.A., Davis L.C., Kress J.W. Practical cone-beamalgorithm. J Opt Soc Am 1984; 1: 612-619.12. Grangeat P. Mathematical framework of cone-beam reconstructionvia the first derivative of the Radon transform, inMathematical Methods in Tomography. G.T. Herman, A.K. Louisand F. Natterer eds, Springer Verlag, Berlin, 1991 pp. 66-97.13. Gullberg G.T., Crawford C.R. and Tsui B.M.W. Reconstructionalgorithm for fan beam with a displaced center-of-rotation. IEEETrans Med Imaging 1986; MI-5: 23-29.------Revue de l'ACOMEN, 1998, vol.4, n°2157