Published January 26, 2011 | Version v1
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3D segmentation of scintigraphic images with validation on realistic GATE simulations

Description

The objective of this thesis was to propose a new 3D segmentation method for scintigraphic imaging. The first part of the work was to simulate 3D volumes with known ground truth in order to validate a segmentation method over other. Monte-Carlo simulations were performed using the GATE software (Geant4 Application for Emission Tomography). For this, we characterized and modeled the gamma camera 'γ Imager' BiospaceTM by comparing each measurement from a simulated acquisition to his real equivalent. The 'low level' segmentation tool that we have developed is based on a modeling of the levels of the image by probabilistic mixtures. Parameters estimation is done by an SEM algorithm (Stochastic Expectation Maximization). The 3D volume segmentation is achieved by an ICM algorithm (Iterative Conditional Mode). We compared the segmentation based on Gaussian and Poisson mixtures to segmentation by thresholding on the simulated volumes. This showed the relevance of the segmentations obtained using probabilistic mixtures, especially those obtained with Poisson mixtures. Those one has been used to segment real 18FDG PET images of the brain and to compute descriptive statistics of the different tissues. In order to obtain a 'high level' segmentation method and find anatomical structures (necrotic part or active part of a tumor, for example), we proposed a process based on the point processes formalism. A feasibility study has yielded very encouraging results. (author)

Abstract (French)

L'objectif de cette these est de proposer de nouvelles methodes de segmentation 3D en imagerie scintigraphique et de presenter une modelisation avancee d'une camera TEMP 'γ Imager' BiospaceTM. Le travail a ete initie par le besoin de segmenter des images scintigraphiques 3D bruitees pour valider ou de rejeter un protocole d'acquisition en double phase pour le diagnostic de tumeur cerebrale en TEP-FDG. Une premiere partie des travaux realises a donc consiste a simuler des volumes 3D tres realistes avec verite de terrain connue afin de pouvoir valider une methode de segmentation par rapport aux autres. Des simulations de Monte Carlo ont ainsi ete realisees a l'aide du logiciel GATE (Geant4 Application for Emission Tomography). Pour cela nous avons caracterise et modelise la gamma camera 'γ Imager' BiospaceTM en comparant chaque mesure d'une acquisition reelle a une simulation equivalente. Les volumes 3D ont pu etre reconstruits en exploitant les algorithmes FBP et OSEM classiquement utilises en imagerie scintigraphique. L'outil de segmentation 'bas niveau' que nous avons developpe et teste s'appuie sur une modelisation des niveaux de l'image par une loi de melange dont l'estimation des parametres est realisee a l'aide d'un algorithme SEM (Stochastic Expectation Maximization). La segmentation des volumes 3D est obtenue a l'aide d'un algorithme ICM (Iterative Conditional Mode). Nous avons compare des segmentations basees sur des melanges Gaussiens et des melanges Poissonniens a des segmentations par seuillage sur des volumes simules geometriquement simples avec verite de terrain connue. Cette comparaison a montre la pertinence des segmentations obtenues a l'aide des lois de melange et plus particulierement celles obtenues avec les melanges Poissonniens. Ces derniers ont donc ete utilises pour segmenter des images cerebrales reelles TEP 18-FDG et calculer des statistiques descriptives de la matiere blanche, de la matiere grise et des tumeurs. Les quantifications 3D ont ete comparees a une analyse visuelle semi-quantitative a 6 niveaux. La segmentation 'bas niveau', exploitant uniquement un critere d'homogeneite statistique, produit un morcellement des structures anatomiques ce qui a necessite pour le calcul des statistiques descriptives de regrouper de maniere supervisee des regions 3D. Afin d'obtenir une methode de segmentation 'haut niveau' et de retrouver des structures anatomiques (zone necrosee ou zone active d'une tumeur par exemple), nous avons propose un processus exploitant le formalisme des processus ponctuels. Celui-ci permet de selectionner un ensemble de regions 3D suivant des criteres geometriques et topologiques, refletant la connaissance a notre disposition sur les zones recherchees. Une etude de faisabilite nous a permis d'obtenir des resultats tres encourageants. (auteur)

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Original title (French)
Segmentation 3D d'images scintigraphiques et simulations tres realistes GATE

Publishing Information

Imprint Pagination
198 p.
Report number
FRNC-TH--9756

Optional Information

Notes
177 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/