La tomographie (CT) aux rayons X joue un rôle important dans l'imagerie non invasive depuis son introduction. Au cours des dernières années, de nombreuses avancées technologiques en tomographie par rayons X ont été observées, notamment la CT spectrale, qui utilise un détecteur à comptage de photons (PCD) pour discriminer les photons transmis correspondant à des bandes d'énergie sélectionnées afin d'obtenir une information spectrale. La CT spectrale permet de surmonter de nombreuses limitations des techniques précédentes et ouvre de nombreuses applications nouvelles, parmi lesquelles la décomposition quantitative des matériaux est le sujet le plus étudié. Un certain nombre de méthodes de décomposition des matériaux ont été rapportées et différents systèmes expérimentaux sont en cours de développement pour la CT spectrale. Selon le type de données sur lequel l'étape de décomposition fonctionne, nous avons les méthodes du domaine des projections (décomposition avant reconstruction) et les méthodes du domaine de l'image reconstruite (décomposition après reconstruction). La décomposition couramment utilisée est basée sur le critère des moindres carrés, nommée proj-LS et méthode ima-LS. Cependant, le problème inverse de la décomposition du matériau est généralement mal posé et les mesures du CT spectral aux rayons X souffrent de bruits de comptage de photons de Poisson. Le critère des moindres carrés peut conduire à un surajustement des données de mesure bruitées. Dans le présent travail, nous avons proposé un critère de moindre log-carré pour la méthode du domaine de projection afin de minimiser les erreurs sur le coefficient d'atténuation linéaire: méthode proj-LLS. De plus, pour réduire l'effet du bruit et lisser les images, nous avons proposé d'ajouter un terme de régularisation par patch pour pénaliser la somme des variations au carré dans chaque zone pour les décompositions des deux domaines, nommées proj-PR-LLS et ima -PR-LS méthode. Les performances des différentes méthodes ont été évaluées par des études de simulation avec des fantômes spécifiques pour différentes applications: (1) Application médicale: identification de l'iode et du calcium. Les résultats de la décomposition des méthodes proposées montrent que le calcium et l'iode peuvent être bien séparés et quantifiés par rapport aux tissus mous. (2) Application industrielle: tri des plastiques avec ou sans retardateur de flamme. Les résultats montrent que 3 types de matériaux ABS avec différents retardateurs de flamme peuvent être séparés lorsque l'épaisseur de l'échantillon est favorable. Enfin, nous avons simulé l'imagerie par CT spectrale avec un fantôme de PMMA rempli de solutions de Fe, Ca et K. Différents paramètres d'acquisition, c'est-à-dire le facteur d'exposition et le nombre de bandes d'énergie, ont été simulés pour étudier leur influence sur la performance de décomposition pour la détermination du fer. / X-ray computed tomography (X-ray CT) plays an important part in non-invasive imaging since its introduction. During the past few years, numerous technological advances in X-ray CT have been observed, including spectral CT, which uses photon counting detectors (PCDs) to discriminate transmitted photons corresponding to selected energy bins in order to obtain spectral information with one single acquisition. Spectral CT enables us to overcome many limitations of the conventional CT techniques and opens up many new application possibilities, among which quantitative material decomposition is the hottest topic. A number of material decomposition methods have been reported and different experimental systems are under development for spectral CT. According to the type of data on which the decomposition step operates, we have projection domain method (decomposition before reconstruction) and image domain method (decomposition after reconstruction). The commonly used decomposition is based on least square criterion, named proj-LS and ima-LS method. However, the inverse problem of material decomposition is usually ill-posed and the X-ray spectral CT measurements suffer from Poisson photon counting noise. The standard LS criterion can lead to overfitting to the noisy measurement data. In the present work, we have proposed a least log-squares criterion for projection domain method to minimize the errors on linear attenuation coefficient: proj-LLS method. Furthermore, to reduce the effect of noise and enforce smoothness, we have proposed to add a patchwise regularization term to penalize the sum of the square variations within each patch for both projection domain and image domain decomposition, named proj-PR-LLS and ima-PR-LS method. The performances of the different methods were evaluated by spectral CT simulation studies with specific phantoms for different applications: (1) Medical application: iodine and calcium identification. The decomposition results of the proposed methods show that calcium and iodine can be well separated and quantified from soft tissues. (2) Industrial application: ABS-flame retardants (FR) plastic sorting. Results show that 3 kinds of ABS materials with different flame retardants can be separated when the sample thickness is favorable. Meanwhile, we simulated spectral CT imaging with a PMMA phantom filled with Fe, Ca and K solutions. Different acquisition parameters, i.e. exposure factor and number of energy bins were simulated to investigate their influence on the performance of the proposed methods for iron determination.

A Tomografia Computadorizada de Energia Dupla (DECT em inglês) é um dos campos das imagens tomográficas que mais evoluiu nos últimos anos. O DECT usa dois espectros para irradiar pacientes e é capaz de diferenciar tecidos com base na sua composição elementar. Apesar de serem semelhantes aos dispositivos padrão de tomografia, para essa modalidade é necessário o desenvolvimento de ferramentas específicas que permitam o estudo de suas propriedades de imagem. O objetivo deste trabalho era construir um sistema simulado de Tomografia Computadorizada (TC) com a capacidade de produzir imagens semelhantes às obtidas em dispositivos DECT reais. O TC simulado também permitiria explorar as propriedades das imagens de materiais de teste antes de sua construção física. Este trabalho presenta a simulação do processo de aquisição de imagens de um dispositivo DECT que funciona a partir da troca rápida de kV, o GE Discovery CT 750 HD. A geometria simulada foi baseada num dispositivo atualmente disponível no InRad (Instituto de Radiologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). As simulações foram realizadas usando o código Monte Carlo PENELOPE/penEasy para simular o transporte de radiação através dos materiais e detectores. Também é apresentada uma comparação entre as imagens obtidas no dispositivo real e nas simulações. Para isso, foi preparado um objeto simulador cilíndrico contendo concentrações de materiais equivalentes a iodo e cálcio. As imagens de tal objeto simulador foram adquiridas no equipamento GE Discovery CT 750 HD. Um objeto simulador equivalente foi modelado e as suas imagens foram simuladas com o código PENELOPE/penEasy. As imagens foram adquiridas e reconstruídas de acordo com as possibilidades do equipamento clínico de tomografia. Imagens de concentração de material e imagens monoenergéticas foram obtidas a partir do dispositivo CT clínico e das simulações. O algoritmo BMD (Basis Material Decomposition em Inglês) baseado nas projeções foi implementado usando os coeficientes de atenuação mássicos da água e do iodo. Consequentemente, imagens de concentração dos materiais água e iodo foram obtidas. A concentração medida nos cilindros de iodo foi equivalente às esperadas tanto no dispositivo real quanto nas imagens simuladas. Foram observados artefatos de endurecimento de feixe nas imagens de concentração de material. Imagens monoenergéticas foram obtidas para diferentes energias. Tais imagens foram obtidas a partir da superposição das imagens de concentração de água e iodo, que foram ponderadas pelos seus respectivos coeficientes de atenuação mássicos. Verificou-se que para as imagens monoenergéticas simuladas e reais em altas energias a imagem de concentração da água é a componente dominante, produzindo imagens que apresentaram as cavidades de iodo como menos atenuantes do que a água. Por outro lado, para energias baixas, a componente dominante nas imagens monoenergéticas foi a imagem de concentração do iodo. O CNR foi analisado nas imagens monoenergéticas como função da energia. As curvas do CNR dos dispositivos simulado e real exibiram semelhanças em sua forma, mas com escala diferente devido à diferença no ruído. Foi possível concluir que o modelo DECT simulado apresenta resultados qualitativos semelhantes aos obtidos no dispositivo real. O sistema de TC simulado permite explorar as características das imagens com diferentes materiais e composições. Ele também pode ser usado como uma ferramenta didática para melhorar a compreensão da diferenciação de materiais em tomografia espectral e DECT. / Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) is one of the fields of tomographic images that has evolved rapidly during the last years. DECT uses two X-ray spectra to irradiate patients It is capable to differentiate materials based on its elementary composition. Despite being similar to standard CT devices, DECT devices require the development of specific tools that allow the study of their image properties. The objective of this work was to build a modelled CT system capable of producing images similar to those obtained in real DECT devices. The modelled CT would also allow exploring the image properties of test materials before their physical construction. This work presents the simulation of the acquisition process of a DECT device that works with rapid kV switching, the GE Discovery CT 750 HD. The simulated geometry was based on a device currently available at the InRad (Institute of Radiology of the Faculty of Medicine of the University of São Paulo). The simulations were carried out using the PENELOPE/penEasy Monte Carlo code, which simulates radiation transport through the materials and detectors. A comparison between the images obtained in the real device and from simulations is also presented. To do so, a real phantom was prepared to be imaged and an equivalent system was simulated. The phantom contained inserts with concentrations of iodine and calcium. The images were acquired and reconstructed according to the possibilities of the real CT device. Standard, material concentration and virtual monoenergetic images were acquired[L1] from both, the real CT device and simulations. The Projection-Based BMD method was implemented using the mass attenuation coefficients of water and iodine. Then, material concentration images of water and iodine were obtained. The iodine concentrations estimated from the images agreed with the expected values in both real device and simulated images. Beam hardening artefacts were observed in the simulated material concentration images. Monoenergetic images were obtained for different energies. Such images were obtained as a superposition of the concentration images of water and iodine, weighed by their respective mass attenuation coefficient. It was verified that in the simulated and real device images, at high energies, the water concentration image predominated in the monoenergetic images, producing images that presented the iodine cavities as less attenuating than water. In contrast, at low energies, the predominant component of the monoenergetic images was the iodine concentration image. Contrast Noise Ratio (CNR) was analysed in the monochromatic images as a function of energy. Simulated and real device CNR curves exhibited similarities in their shape but with a different scale due to their difference in noise. It was possible to conclude that the simulated DECT model presented qualitative results similar to the obtained in the real device. The modelled CT system permits exploring the image features with different materials and compositions. It could also be used as a didactic tool to improve the understanding of material differentiation in spectral or DECT.

A Tomografia Computadorizada de Energia Dupla (DECT em inglês) é um dos campos das imagens tomográficas que mais evoluiu nos últimos anos. O DECT usa dois espectros para irradiar pacientes e é capaz de diferenciar tecidos com base na sua composição elementar. Apesar de serem semelhantes aos dispositivos padrão de tomografia, para essa modalidade é necessário o desenvolvimento de ferramentas específicas que permitam o estudo de suas propriedades de imagem. O objetivo deste trabalho era construir um sistema simulado de Tomografia Computadorizada (TC) com a capacidade de produzir imagens semelhantes às obtidas em dispositivos DECT reais. O TC simulado também permitiria explorar as propriedades das imagens de materiais de teste antes de sua construção física. Este trabalho presenta a simulação do processo de aquisição de imagens de um dispositivo DECT que funciona a partir da troca rápida de kV, o GE Discovery CT 750 HD. A geometria simulada foi baseada num dispositivo atualmente disponível no InRad (Instituto de Radiologia da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo). As simulações foram realizadas usando o código Monte Carlo PENELOPE/penEasy para simular o transporte de radiação através dos materiais e detectores. Também é apresentada uma comparação entre as imagens obtidas no dispositivo real e nas simulações. Para isso, foi preparado um objeto simulador cilíndrico contendo concentrações de materiais equivalentes a iodo e cálcio. As imagens de tal objeto simulador foram adquiridas no equipamento GE Discovery CT 750 HD. Um objeto simulador equivalente foi modelado e as suas imagens foram simuladas com o código PENELOPE/penEasy. As imagens foram adquiridas e reconstruídas de acordo com as possibilidades do equipamento clínico de tomografia. Imagens de concentração de material e imagens monoenergéticas foram obtidas a partir do dispositivo CT clínico e das simulações. O algoritmo BMD (Basis Material Decomposition em Inglês) baseado nas projeções foi implementado usando os coeficientes de atenuação mássicos da água e do iodo. Consequentemente, imagens de concentração dos materiais água e iodo foram obtidas. A concentração medida nos cilindros de iodo foi equivalente às esperadas tanto no dispositivo real quanto nas imagens simuladas. Foram observados artefatos de endurecimento de feixe nas imagens de concentração de material. Imagens monoenergéticas foram obtidas para diferentes energias. Tais imagens foram obtidas a partir da superposição das imagens de concentração de água e iodo, que foram ponderadas pelos seus respectivos coeficientes de atenuação mássicos. Verificou-se que para as imagens monoenergéticas simuladas e reais em altas energias a imagem de concentração da água é a componente dominante, produzindo imagens que apresentaram as cavidades de iodo como menos atenuantes do que a água. Por outro lado, para energias baixas, a componente dominante nas imagens monoenergéticas foi a imagem de concentração do iodo. O CNR foi analisado nas imagens monoenergéticas como função da energia. As curvas do CNR dos dispositivos simulado e real exibiram semelhanças em sua forma, mas com escala diferente devido à diferença no ruído. Foi possível concluir que o modelo DECT simulado apresenta resultados qualitativos semelhantes aos obtidos no dispositivo real. O sistema de TC simulado permite explorar as características das imagens com diferentes materiais e composições. Ele também pode ser usado como uma ferramenta didática para melhorar a compreensão da diferenciação de materiais em tomografia espectral e DECT. / Dual Energy (DE) Computed Tomography (CT) is one of the fields of tomographic images that has evolved rapidly during the last years. DECT uses two X-ray spectra to irradiate patients It is capable to differentiate materials based on its elementary composition. Despite being similar to standard CT devices, DECT devices require the development of specific tools that allow the study of their image properties. The objective of this work was to build a modelled CT system capable of producing images similar to those obtained in real DECT devices. The modelled CT would also allow exploring the image properties of test materials before their physical construction. This work presents the simulation of the acquisition process of a DECT device that works with rapid kV switching, the GE Discovery CT 750 HD. The simulated geometry was based on a device currently available at the InRad (Institute of Radiology of the Faculty of Medicine of the University of São Paulo). The simulations were carried out using the PENELOPE/penEasy Monte Carlo code, which simulates radiation transport through the materials and detectors. A comparison between the images obtained in the real device and from simulations is also presented. To do so, a real phantom was prepared to be imaged and an equivalent system was simulated. The phantom contained inserts with concentrations of iodine and calcium. The images were acquired and reconstructed according to the possibilities of the real CT device. Standard, material concentration and virtual monoenergetic images were acquired[L1] from both, the real CT device and simulations. The Projection-Based BMD method was implemented using the mass attenuation coefficients of water and iodine. Then, material concentration images of water and iodine were obtained. The iodine concentrations estimated from the images agreed with the expected values in both real device and simulated images. Beam hardening artefacts were observed in the simulated material concentration images. Monoenergetic images were obtained for different energies. Such images were obtained as a superposition of the concentration images of water and iodine, weighed by their respective mass attenuation coefficient. It was verified that in the simulated and real device images, at high energies, the water concentration image predominated in the monoenergetic images, producing images that presented the iodine cavities as less attenuating than water. In contrast, at low energies, the predominant component of the monoenergetic images was the iodine concentration image. Contrast Noise Ratio (CNR) was analysed in the monochromatic images as a function of energy. Simulated and real device CNR curves exhibited similarities in their shape but with a different scale due to their difference in noise. It was possible to conclude that the simulated DECT model presented qualitative results similar to the obtained in the real device. The modelled CT system permits exploring the image features with different materials and compositions. It could also be used as a didactic tool to improve the understanding of material differentiation in spectral or DECT.