Nesta tese é apresentado um novo método de reconstrução de imagens, por tomografia de transmissão, de projeções sujeitas a ruído na contagem de fótons. O método de reconstrução selecionado utiliza a técnica POCS (Projections Onto Convex Sets). A estimação das projeções originais a partir das observações ruidosas se dá por meio de quatro métodos: a) estimação utilizando o critério MAP (Maximum a Posteriori); b) filtragem nos coeficientes wavelets das projeções ruidosas; c) aplicação do filtro de Wiener pontual e d) aplicação do filtro de Goodman-Belsher. É apresentado o resultado da reconstrução após a estimação das projeções, mostrando o ISNR (Improvement Signal-to-Noise Ratio) entre as imagens reconstruídas, a partir das projeções ruidosas, com a técnica POCS, estimando as projeções e sem a realização da estimação. Foram utilizados, para reconstrução tomográfica, projeções de corpos de prova obtidos por meio de simulação e também projeções obtidas experimentalmente no minitomógrafo do CNPDIA - EMBRAPA. O uso de estimação sobre as projeções ruidosas mostrou-se eficaz para melhorar a relação sinal-ruído na imagem final, pois esse pré-processamento faz com que os conjuntos impostos pelas projeções sejam mais restritivos. Deve-se observar que a melhoria das imagens obtidas com o uso de filtragem das projeções é obtida com uma relação custo-benefício bastante baixa, pois a maior parte do custo computacional está na fase de reconstrução das imagens. / In this thesis is pesented a new method for image reconstruction, by transmission tomography, for projections under noise in the counting of photons. The selected method of reconstruction uses the POCS (Projections Onto Convex Sets) technique. The estimation of the original projections from the noisy projections observed is performed through four methods: a) estimation using the MAP (Maximum a Posteriori) criteria; b) through of filtering of the wavelets coefficients of the noisy projections; c) using the pointwise Wiener filter and d) using the Goodman-Belsher filter. We present the result of reconstruction after projection estimation, showing the ISNR (Improvement Signal-to-Noise Ratio) between the reconstructed images on noisy projections, using POCS technique after the estimated projections and without this estimation. We use, for tomographic reconstruction, test body projections obtained through simulation and also projections obtained experimentally in the minitomograph scanner of CNPDIA-EMBRAPA. The use of estimation on noisy projections demonstrated to be efficient in improving the signalnoise ratio in the final image, since this pre-processing makes the sets that projections more restrictive. We should observe that the use of projection filtering is obtained with a cost-benefit ratio rather low, since the largest part of the computational effort is in the image reconstruction phase.

Nesta tese é apresentado um novo método de reconstrução de imagens, por tomografia de transmissão, de projeções sujeitas a ruído na contagem de fótons. O método de reconstrução selecionado utiliza a técnica POCS (Projections Onto Convex Sets). A estimação das projeções originais a partir das observações ruidosas se dá por meio de quatro métodos: a) estimação utilizando o critério MAP (Maximum a Posteriori); b) filtragem nos coeficientes wavelets das projeções ruidosas; c) aplicação do filtro de Wiener pontual e d) aplicação do filtro de Goodman-Belsher. É apresentado o resultado da reconstrução após a estimação das projeções, mostrando o ISNR (Improvement Signal-to-Noise Ratio) entre as imagens reconstruídas, a partir das projeções ruidosas, com a técnica POCS, estimando as projeções e sem a realização da estimação. Foram utilizados, para reconstrução tomográfica, projeções de corpos de prova obtidos por meio de simulação e também projeções obtidas experimentalmente no minitomógrafo do CNPDIA - EMBRAPA. O uso de estimação sobre as projeções ruidosas mostrou-se eficaz para melhorar a relação sinal-ruído na imagem final, pois esse pré-processamento faz com que os conjuntos impostos pelas projeções sejam mais restritivos. Deve-se observar que a melhoria das imagens obtidas com o uso de filtragem das projeções é obtida com uma relação custo-benefício bastante baixa, pois a maior parte do custo computacional está na fase de reconstrução das imagens. / In this thesis is pesented a new method for image reconstruction, by transmission tomography, for projections under noise in the counting of photons. The selected method of reconstruction uses the POCS (Projections Onto Convex Sets) technique. The estimation of the original projections from the noisy projections observed is performed through four methods: a) estimation using the MAP (Maximum a Posteriori) criteria; b) through of filtering of the wavelets coefficients of the noisy projections; c) using the pointwise Wiener filter and d) using the Goodman-Belsher filter. We present the result of reconstruction after projection estimation, showing the ISNR (Improvement Signal-to-Noise Ratio) between the reconstructed images on noisy projections, using POCS technique after the estimated projections and without this estimation. We use, for tomographic reconstruction, test body projections obtained through simulation and also projections obtained experimentally in the minitomograph scanner of CNPDIA-EMBRAPA. The use of estimation on noisy projections demonstrated to be efficient in improving the signalnoise ratio in the final image, since this pre-processing makes the sets that projections more restrictive. We should observe that the use of projection filtering is obtained with a cost-benefit ratio rather low, since the largest part of the computational effort is in the image reconstruction phase.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nessa tese foi feito um estudo preliminar, destinado à elaboração do programa experimental inicial para a primeira instalação da tomografia com prótons (pCT) brasileira por meio de modelagem computacional. A terapia com feixe de prótons é uma forma bastante precisa de tratamento de câncer. Atualmente, o planejamento de tratamento é baseado na tomografia computadorizada com raios X, alternativamente, a tomografia com prótons pode ser usada. Algumas questões importantes, como efeito de escala e a Curva de Calibração (fonte de dados iniciais para planejamento de terapia com prótons), foram estudados neste trabalho. A passagem de prótons com energias iniciais de 19,68MeV; 23MeV; 25MeV; 49,10MeV e 230MeV pelas camadas de materiais variados (água, alumínio, polietileno, ouro) foi simulada usando códigos Monte Carlo populares como SRIM e GEANT4. Os resultados das simulações foram comparados com a previsão teórica (baseada na solução aproximada da equação de transporte de Boltzmann) e com resultados das simulações feitas com outro popular código Monte Carlo MCNPX. Análise comparativa dos resultados das simulações com dados experimentais publicados na literatura científica para alvos grossos e na faixa de energias de prótons usada em medidas em pCT foi feita. Foi observado que apesar de que todos os códigos mostram os resultados parecidos alguns deslocamentos não sistemáticos podem ser observados. Foram feitas observações importantes sobre a precisão dos códigos e uma necessidade em medidas sistemáticas de frenagem de prótons em alvos grossos foi declarada. / In the present work a preliminary research via computer simulations was made in order to elaborate a prior program for the first experimental pCT setup in Brazil. Proton therapy is a high precise form of a cancer treatment. Treatment planning nowadays is performed basing on X ray Computer Tomography data (CT), alternatively the same procedure could be performed using proton Computer Tomography (pCT). Some important questions, as a scale effect and so called Calibration Curve (as a source of primary data for pCT treatment planning) were studied in this work. The 19.68MeV; 23MeV; 25MeV; 49.10MeV e 230MeV protons passage through varied absorbers (water, aluminum, polyethylene, gold) were simulated by such popular Monte Carlo packages as SRIM and GEANT4. The simulation results were compared with a theoretic prevision based on approximate solution of the Boltzmann transport equation and with simulation results of the other popular Monte Carlo code MCNPX. The comparative analysis of the simulations results with the experimental data published in scientific literature for thick absorbers and within the energy range used in the pCT measurements was made. It was noted in spite of the fact that all codes showed similar results some nonsystematic displacements can be observed. Some important observations about the codes precision were made and a necessity of the systematic measurements of the proton stopping power in thick absorbers was declared.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nessa tese foi feito um estudo preliminar, destinado à elaboração do programa experimental inicial para a primeira instalação da tomografia com prótons (pCT) brasileira por meio de modelagem computacional. A terapia com feixe de prótons é uma forma bastante precisa de tratamento de câncer. Atualmente, o planejamento de tratamento é baseado na tomografia computadorizada com raios X, alternativamente, a tomografia com prótons pode ser usada. Algumas questões importantes, como efeito de escala e a Curva de Calibração (fonte de dados iniciais para planejamento de terapia com prótons), foram estudados neste trabalho. A passagem de prótons com energias iniciais de 19,68MeV; 23MeV; 25MeV; 49,10MeV e 230MeV pelas camadas de materiais variados (água, alumínio, polietileno, ouro) foi simulada usando códigos Monte Carlo populares como SRIM e GEANT4. Os resultados das simulações foram comparados com a previsão teórica (baseada na solução aproximada da equação de transporte de Boltzmann) e com resultados das simulações feitas com outro popular código Monte Carlo MCNPX. Análise comparativa dos resultados das simulações com dados experimentais publicados na literatura científica para alvos grossos e na faixa de energias de prótons usada em medidas em pCT foi feita. Foi observado que apesar de que todos os códigos mostram os resultados parecidos alguns deslocamentos não sistemáticos podem ser observados. Foram feitas observações importantes sobre a precisão dos códigos e uma necessidade em medidas sistemáticas de frenagem de prótons em alvos grossos foi declarada. / In the present work a preliminary research via computer simulations was made in order to elaborate a prior program for the first experimental pCT setup in Brazil. Proton therapy is a high precise form of a cancer treatment. Treatment planning nowadays is performed basing on X ray Computer Tomography data (CT), alternatively the same procedure could be performed using proton Computer Tomography (pCT). Some important questions, as a scale effect and so called Calibration Curve (as a source of primary data for pCT treatment planning) were studied in this work. The 19.68MeV; 23MeV; 25MeV; 49.10MeV e 230MeV protons passage through varied absorbers (water, aluminum, polyethylene, gold) were simulated by such popular Monte Carlo packages as SRIM and GEANT4. The simulation results were compared with a theoretic prevision based on approximate solution of the Boltzmann transport equation and with simulation results of the other popular Monte Carlo code MCNPX. The comparative analysis of the simulations results with the experimental data published in scientific literature for thick absorbers and within the energy range used in the pCT measurements was made. It was noted in spite of the fact that all codes showed similar results some nonsystematic displacements can be observed. Some important observations about the codes precision were made and a necessity of the systematic measurements of the proton stopping power in thick absorbers was declared.