Les images acquises avec un tomodensitomètre à double énergie (DECT) fournissent la détermination du numéro atomique effectif et de la densité électronique. L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle d'identifiation de tissu applicable en curiethérapie, le modèle de tissu réduit à trois éléments, basé sur ces quantités et de le comparer avec une méthode existante dans la littérature, le calcul de la distance de Mahalanobis. Les deux modèles sont appliqués à des images DECT du fantôme de calibration Gammex RMI 467 et pour un sous-ensemble de tissus. Les distributions de dose sont calculées avec des simulations numériques Monte Carlo avec une source point ayant le spectre d'énergie de l'iode 125. Le modèle de tissu réduit à trois éléments reproduit les distributions de dose de référence et peut être utilisé comme étant une méthode d'identifiation de tissu valide pour effectuer un calcul de dose à partir d'images DECT. / Clinical Dual-Energy Computed Tomography (DECT) images provide the determination of the effective atomic number and the electronic density. The purpose of this study is to develop a new assessment model of tissues, named the reduced three elements tissue model, for dose calculations from DECT images in brachytherapy and compare it to a known identification method, assignment through the Mahalanobis distance. Both models are applied to DECT scans of the Gammex RMI 467 phantom and for a subset of 10 human tissues. Dose distributions are calculated from Monte Carlo simulations with a point source having the energy spectrum of 125I. The reduced three elements tissue model provides dose equivalence to reference tissues and is equivalent to the calculation of the Mahalanobis distance. The model constructed can be used as a scheme to assess tissues from DECT images for dose calculation.

La proton thérapie est une modalité de traitement du cancer qu’utilise des faisceaux de protons. Les systèmes de planification de traitement actuels se basent sur une image de l’anatomie du patient acquise par tomodensitométrie. Le pouvoir d’arrêt des protons relatif à l’eau (Stopping Power Ratio en Anglais, SPR) est déterminé à partir des unités Hounsfield (Hounsfield Units en Anglais, HU) pour calculer la dose absorbée au patient. Les protons sont plus vulnérables que les photons aux modifications du SPR du tissu dans la direction du faisceau dues au mouvement, désalignement ou changements anatomiques. De plus, les inexactitudes survenues de la CT de planification et intrinsèques à la conversion HU-SPR contribuent énormément à l’incertitude de la portée des protons. Dans la pratique clinique, au volume de traitement s’ajoutent des marges de sécurité pour tenir en compte ces incertitudes en détriment de perdre la capacité d’épargner les tissus autour de la tumeur. L’usage de l’imagerie bi-énergie en proton thérapie a été proposé pour la première fois en 2009 pour mieux estimer le SPR du patient par rapport à l’imagerie mono-énergie. Le but de cette thèse est d’étudier la potentielle amélioration de l’estimation du SPR des protons en utilisant l’imagerie bi-énergie, pour ainsi réduire l’incertitude dans la prédiction de la portée des protons dans le patient. Cette thèse est appliquée à un nouveau système d’imagerie, l’Imaging Ring (IR), un scanner de tomodensitométrie conique (Cone-Beam CT en Anglais, CBCT) développé pour la radiothérapie guidée par l’image. L’IR est équipé d’une source de rayons X avec un système d’alternance rapide du voltage, synchronisé avec une roue contenant des filtres de différents matériaux que permet des acquisitions CBCT multi-énergie. La première contribution est une méthode pour calibrer les modèles de source et la réponse du détecteur pour être utilisés en simulations d’imagerie X. Deuxièmement, les recherches ont évalué les facteurs que peuvent avoir un impact sur les résultats du procès de décomposition bi-énergie, dès paramètres d’acquisition au post-traitement. Les deux domaines, image et basée en la projection, ont été minutieusement étudiés, avec un spéciale accent aux approches basés en la projection. Deux nouvelles bases de décomposition ont été proposées pour estimer le SPR, sans avoir besoin d’une variable intermédiaire comme le nombre atomique effectif. La dernière partie propose une estimation du SPR des fantômes de caractérisation tissulaire et d’un fantôme anthropomorphique à partir d’acquisitions avec l’IR. Il a été implémentée une correction du diffusé, et il a été proposée une routine pour interpoler linéairement les sinogrammes de basse et haute énergie des acquisitions bi-énergie pour pouvoir réaliser des décompositions en matériaux avec données réelles. Les valeurs réconstruits du SPR ont été comparées aux valeurs du SPR expérimentales déterminés avec un faisceau d’ions de carbone. / Proton therapy is a promising radiation treatment modality that uses proton beams to treat cancer. Current treatment planning systems rely on an X-ray computed tomography (CT) image of the patient's anatomy to design the treatment plan. The proton stopping-power ratio relative to water (SPR) is derived from CT numbers (HU) to compute the absorbed dose in the patient. Protons are more vulnerable than photons to changes in tissue SPR in the beam direction caused by movement, misalignment or anatomical changes. In addition, inaccuracies arising from the planning CT and intrinsic to the HU-SPR conversion greatly contribute to the proton range uncertainty. In clinical practice, safety margins are added to the treatment volume to account for these uncertainties at the expense of losing organ-sparing capabilities. The use of dual-energy (DE) in proton therapy was first suggested in 2009 to better estimate the SPR with respect to single-energy X-ray imaging. The aim of this thesis work is to investigate the potential improvement in determining proton SPR using DE to reduce the uncertainty in predicting the proton range in the patient. This PhD work is applied to a new imaging device, the Imaging Ring (IR), which is a cone-beam CT (CBCT) scanner developed for image-guided radiotherapy (IGRT). The IR is equipped with a fast kV switching X-ray source, synchronized with a filter wheel, allowing for multi-energy CBCT imaging. The first contribution of this thesis is a method to calibrate a model for the X-ray source and the detector response to be used in X-ray image simulations. It has been validated experimentally on three CBCT scanners. Secondly, the investigations have evaluated the factors that have an impact on the outcome of the DE decomposition process, from the acquisition parameters to the post-processing. Both image- and projection-based decomposition domains have been thoroughly investigated, with special emphasis on projection-based approaches. Two novel DE decomposition bases have been proposed to estimate proton SPRs, without the need for an intermediate variable such as the effective atomic number. The last part of the thesis proposes an estimation of proton SPR maps of tissue characterization and anthropomorphic phantoms through DE-CBCT acquisitions with the IR. A correction for X-ray scattering has been implemented off-line, and a routine to linearly interpolate low-energy and high-energy sinograms from sequential and fast-switching DE acquisitions has been proposed to perform DE material decomposition in the projection domain with real data. DECT-derived SPR values have been compared with experimentally-determined SPR values in a carbon-ion beam.

La tomodensitométrie par rayons-X (CT) est une modalité d’imagerie produisant une carte tridimensionnelle du coefficient d’atténuation des rayons-X d’un objet. En radiothérapie, le CT fournit de l’information anatomique et quantitative sur le patient afin de permettre la planification du traitement et le calcul de la dose de radiation à livrer. Le CT a plusieurs problèmes, notamment (1) une limitation au niveau de l’exactitude des paramètres physiques quantitatifs extraits du patient, et (2) une sensibilité aux biais causés par des artéfacts de durcissement du faisceau. Enfin, (3) dans le cas où le CT est fait en présence d’un agent de contraste pour améliorer la planification du traitement, il est nécessaire d’effectuer un deuxième CT sans agent de contraste à des fins de calcul de dose, ce qui augmente la dose au patient. Ces trois problèmes limitent l’efficacité du CT pour certaines modalités de traitement qui sont plus sensibles aux incertitudes comme la protonthérapie. Le CT spectral regroupe un ensemble de méthodes pour produire plusieurs cartes d’atténuation des rayons-X moyennées sur différentes plages énergétiques. L’information supplémentaire, pondérée en énergie qui est obtenue permet une meilleure caractérisation des matériaux analysés. Le potentiel de l’une de ces modalités spectrales, le CT bi-énergie (DECT), est déjà bien démontré en radiothérapie, alors qu’une approche en plein essor, le CT spectral à comptage de photons (SPCCT), promet davantage d’information spectrale à l’aide de détecteurs discriminateurs en énergie. Par contre, le SPCCT souffre d’un bruit plus important et d’un conditionnement réduit. Cette thèse investigue la question suivante : y a-t-il un bénéfice à utiliser plus d’information résolue en énergie, mais de qualité réduite pour la radiothérapie ? La question est étudiée dans le contexte des trois problèmes ci-haut. Tout d’abord, un estimateur maximum a posteriori (MAP) est introduit au niveau de la caractérisation des tissus post-reconstruction afin de débruiter les données du CT spectral. L’approche est validée expérimentalement sur un DECT. Le niveau de bruit du pouvoir d’arrêt des protons diminue en moyenne d’un facteur 3.2 à l’aide de l’estimateur MAP. Celui-ci permet également de conserver généralement le caractère quantitatif des paramètres physiques estimés, le pouvoir d’arrêt variant en moyenne de 0.9% par rapport à l’approche conventionnelle. Ensuite, l’estimateur MAP est adapté au contexte de l’imagerie avec agent de contraste. Les résultats numériques démontrent un bénéfice clair à utiliser le SPCCT pour l’imagerie virtuellement sans contraste par rapport au DECT, avec une réduction de l’erreur RMS sur le pouvoir d’arrêt des protons de 2.7 à 1.4%. Troisièmement, les outils développés ci-haut sont validés expérimentalement sur un micro-SPCCT de la compagnie MARS Bioimaging, dont le détecteur à comptage de photons est le Medipix 3, qui est utilisé pour le suivi de particules au CERN. De légers bénéfices au niveau de l’estimation des propriétés physiques à l’aide du SPCCT par rapport au DECT sont obtenus pour des matériaux substituts à des tissus humains. Finalement, une nouvelle paramétrisation du coefficient d’atténuation pour l’imagerie pré-reconstruction est proposée, dans le but ultime de corriger les artéfacts de durcissement du faisceau. La paramétrisation proposée élimine les biais au niveau de l’exactitude de la caractérisation des tissus humains par rapport aux paramétrisations existantes. Cependant, aucun avantage n’a été obtenu à l’aide du SPCCT par rapport au DECT, ce qui suggère qu’il est nécessaire d’incorporer l’estimation MAP dans l’imagerie pré-reconstruction via une approche de reconstruction itérative. / X-ray computed tomography (CT) is an imaging modality that produces a tridimensional map of the attenuation of X-rays by the scanned object. In radiation therapy, CT provides anatomical and quantitative information on the patient that is required for treatment planning. However, CT has some issues, notably (1) a limited accuracy in the estimation of quantitative physical parameters of the patient, and (2) a sensitivity to biases caused by beam hardening artifacts. Finally, (3) in the case where contrast-enhanced CT is performed to help treatment planning, a second scan with no contrast agent is required for dose calculation purposes, which increases the overall dose to the patient. Those 3 problems limit the efficiency of CT for some treatment modalities more sensitive to uncertainties, such as proton therapy. Spectral CT regroups a set of methods that allows the production of multiple X-ray attenuation maps evaluated over various energy windows. The additional energy-weighted information that is obtained allows better material characterization. The potential of one spectral CT modality, dual-energy CT (DECT), is already well demonstrated for radiation therapy, while an upcoming method, spectral photon counting CT (SPCCT), promises more spectral information with the help of energy discriminating detectors. Unfortunately, SPCCT suffers from increased noise and poor conditioning. This thesis thus investigates the following question: is there a benefit to using more, but lower quality energy-resolved information for radiotherapy? The question is studied in the context of the three problems discussed earlier. First, a maximum a posteriori (MAP) estimator is introduced for post-reconstruction tissue characterization for denoising purposes in spectral CT. The estimator is validated experimentally using a commercial DECT. The noise level on the proton stopping power is reduced, on average, by a factor of 3.2 with the MAP estimator. The estimator also generally con- serves the quantitative accuracy of estimated physical parameters. For instance, the stopping power varies on average by 0.9% with respect to the conventional approach. Then, the MAP estimation framework is adapted to the context of contrast-enhanced imaging. Numerical results show clear benefits when using SPCCT for virtual non-contrast imaging compared to DECT, with a reduction of the RMS error on the proton stopping power from 2.7 to 1.4%. Third, the developed tools are validated experimentally on a micro-SPCCT from MARS Bioimaging, which uses the Medipix 3 chip as a photon counting detector. Small benefits in the accuracy of physical parameters of tissue substitutes materials are obtained. Finally, a new parametrization of the attenuation coefficient for pre-reconstruction imaging is pro- posed, whose ultimate aim is to correct beam hardening artifacts. In a simulation study, the proposed parametrization eliminates all biases in the estimated physical parameters of human tissues, which is an improvement upon existing parametrizations. However, no ad- vantage has been obtained with SPCCT compared to DECT, which suggests the need to incorporate MAP estimation in the pre-reconstruction framework using an iterative reconstruction approach.

Par le passé, la collaboration entre le Centre d'Imagerie Médicale de Sherbrooke (CIMS) et le Groupe de Recherche en Appareillage Médicale de Sherbrooke (GRAMS) a permis de développer le scanner LabPET. Celui-ci fut le premier scanner de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) commercial utilisant des photodiodes à effet avalanche (PDA) comme détecteur. Depuis, cette collaboration a permis de faire évoluer le scanner afin d'améliorer cette modalité d'imagerie et d'y ajouter la tomodensitométrie (TDM). Les attentes pour la prochaine génération du scanner sont donc grandes. Cette nouvelle génération du scanner, le LabPET II, verra les deux modalités nativement intégrées et elles utiliseront la même chaine de détection. Ce scanner se verra doté de nouveaux détecteurs organisés en matrices de 64 cristaux de 1,1 par 1,1 mm². Cette nouvelle matrice, associée à ses deux matrices de 32 PDA, a prouvé sa capacité à fournir une résolution spatiale inférieure au millimètre. L'utilisation de ce nouveau module de détection pourra donc permettre au LabPET II d'être le premier scanner bimodal (TEP/TDM) commercial atteignant une résolution submillimétrique. Ce scanner permettra de s'approcher un peu plus de la résolution spatiale ultime en TEP tout en permettant une bonne localisation anatomique grâce à l'ajout d'une imagerie TDM rudimentaire. Pour atteindre ces objectifs, une intégration complète de l'électronique frontale a été nécessaire. Dans les versions précédentes, seuls les préamplificateurs de charge et les filtres de mise en forme étaient intégrés; dans cette nouvelle version, toute l'électronique analogique ainsi que la numérisation et les liens de communications devront être intégrés. Pour ce faire, la technique de temps de survol au-dessus d'un seuil (ou ToT pour «Time-over-Threshold») a été préférée à la solution utilisée par le LabPET I qui nécessitait un convertisseur analogique-numérique par canal. La contrepartie de cette solution est l'obligation de maintenir la tension de base à une valeur fixe et commune à tous les canaux. Le circuit de polarisation des PDA a aussi dû être intégré dans l'ASIC, car il occupait énormément de place sur la carte d'électronique frontale du LabPET 1. Dans ce mémoire seront décrits la conception, l'intégration et les tests de ces deux circuits du système. Ils ont démontré leur efficacité tout en n'occupant que très peu de place dans le circuit intégré spécialisé (ASIC) du «module de détection». Au vu des sources bibliographiques recensées, le module de détection du LabPET II devrait être l'un de ceux ayant la plus forte densité de canaux (environ 45 par centimètre carré) et le seul combinant électronique analogique faible bruit, numérique et haute tension (~450 V). La réalisation de cette nouvelle génération devrait permettre au partenariat CIMS/GRAMS de réaffirmer leur position de leader dans le domaine en améliorant les outils d'imagerie à la disposition des chercheurs en médecine préclinique.

L'imagerie moléculaire est un domaine permettant d'observer et d'analyser in vivo le fonctionnement cellulaire et tissulaire. Elle permet une meilleure compréhension des bioprocessus et par ricochet, le diagnostic, le traitement et le suivi de plusieurs maladies telles que les maladies neurologiques, cardiovasculaires ou les tumeurs cancéreuses. Le LabPET[indice supérieurTM] II, un scanner d'imagerie médicale TEP en développement au sein du Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS), vise à atteindre une résolution spatiale submillimétrique. Ceci demande une densité de détecteurs de l'ordre de 37 000, répartis sur un anneau de 15 cm de diamètre par 12 cm de longueur axiale. Le but ultime est de pouvoir jumeler la tomodensitométrie (TDM) durant la même séance, et de combiner ainsi les informations métaboliques et les informations anatomiques tout en assurant une réduction par un facteur 1,5 à 5 la dose de rayon X par rapport aux doses actuelles en TDM. Ce défi est réparti sur plusieurs axes, parmi lesquels se trouve la chaîne de détection frontale analogique. Un circuit intégré (ASIC) a été développé pour atteindre les performances attendues en TEP et initier des travaux en TDM par comptage de photons individuels. La conception se base sur l'approche de mesures au-dessus d'un seuil (Time Over Threshold (TOT)). Ce choix impose un soin particulier au niveau de l'extraction de l'information temporelle des événements détectés. Ainsi, un convertisseur temps numérique a été conçu à partir d'une boucle à verrouillage de délai (DLL). Le convertisseur comporte deux composantes dont un compteur grossier synchronisé sur l'horloge de référence de 100 MHz (10 ns) et un autre compteur d'une résolution de 312.5 ps.

L'un des principaux défis de l'interprétation radiographique réside dans la compréhension de l’anatomie radiographique, laquelle est intrinsèquement liée à la disposition tridimensionnelle des structures anatomiques et à l’impact du positionnement du tube radiogène vis-à-vis de ces structures lors de l'acquisition de l'image. Traditionnellement, des radiographies obtenues selon des projections standard sont employées pour enseigner l'anatomie radiographique en médecine vétérinaire. La tomodensitométrie − ou communément appelée CT (Computed Tomography) − partage plusieurs des caractéristiques de la radiographie en ce qui a trait à la génération des images. À l’aide d'un plug-in spécialement développé (ORS Visual ©), la matrice contenant les images CT est déformée pour reproduire les effets géométriques propres au positionnement du tube et du détecteur vis-à-vis du patient radiographié, tout particulièrement les effets de magnification et de distorsion. Afin d'évaluer le rendu des images simulées, différentes régions corporelles ont été imagées au CT chez deux chiens, un chat et un cheval, avant d'être radiographiées suivant des protocoles d'examens standards. Pour valider le potentiel éducatif des simulations, dix radiologistes certifiés ont comparé à l'aveugle neuf séries d'images radiographiques simulées aux séries radiographiques standard. Plusieurs critères ont été évalués, soient le grade de visualisation des marqueurs anatomiques, le réalisme et la qualité radiographique des images, le positionnement du patient et le potentiel éducatif de celles-ci pour différents niveaux de formation vétérinaire. Les résultats généraux indiquent que les images radiographiques simulées à partir de ce modèle sont suffisamment représentatives de la réalité pour être employées dans l’enseignement de l’anatomie radiographique en médecine vétérinaire. / Understanding radiographic anatomy, which is intimately linked to the comprehension of tridimensional anatomy and the impact of patient, radiographic tube and x-ray detector positioning, represents a challenge for students. Traditionally, radiographs obtained under specific angles of projection have been used for teaching radiographic anatomy. Computed tomography (CT) shares several features with radiography with regard to image production. A plug-in was developed for a DICOM viewer (ORS visual ©) simulating radiographs using CT datasets. This plug-in distorts the CT image matrix to reproduce the magnification and distortion effects that take place in radiographs due to the variations in radiographic tube, patient and detector positioning and angulation. In order to test this model, specific body parts of two dogs, one cat and one horse were radiographed and CT-scanned. The CT datasets were used to generate a total of nine series of radiographic simulations that could be compared to corresponding standard radiographic projections. Ten board-certified veterinary radiologists blindly scored several parameters in these image series, including the visualization of specific anatomical landmarks, image realism and quality, patient positioning, and the educational potential for students and veterinarians of variable degree of veterinary training Overall results indicate that simulated radiographs are representative enough to be used to teach several concepts of image formation and radiographic anatomy in veterinary radiology.

Présentement, le diagnostic d’otite moyenne-interne chez le veau est basé sur la présence de signes cliniques appropriés ainsi que les tests diagnostiques tels que la radiographie et la tomodensitométrie. L’objectif de cette étude prospective était d’évaluer les valeurs prédictives de l’examen neurologique, l’examen otoscopique et le test des potentiels auditifs évoqués (PAE) dans le diagnostic d’otite moyenne-interne chez le veau, en utilisant la tomodensitométrie comme test standard. Le deuxième objectif était de définir les valeurs de référence pour le PAE chez le veau normal et d’en décrire les anomalies chez des veaux atteints d’otite moyenne-interne. Dix-sept veaux de race Holstein entre 5-7 semaines d’âge ont été inclus. Tous les veaux ont eu un examen neurologique, un examen otoscopique et une évaluation des PAEs. Les veaux ont été tranquillisés avec de la xylazine intraveineuse (0,05-0,15mg/kg) pour la tomodensitométrie des bulles tympaniques afin d’évaluer pour la présence d’otite moyenne-interne. Selon les résultats de la tomodensitométrie, 11 des 17 veaux étaient atteints avec otite moyenne, 4 de façon unilatérale et 7 bilatéralement. Cinq ondes ont été identifiées de façon constante sur les tracés des PAEs des 6 veaux normaux. Les valeurs positives prédictives pour le PAE, l’examen neurologique et l’examen otoscopique étaient 94,7%, 91,7% et 66,7% respectivement. D’un point de vue clinique, le test le plus fiable dans le diagnostic d’otite moyenne-interne chez le veau est le PAE. Les anomalies ont été observées au PAE avant le développement des signes neurologiques chez certains veaux. / Currently, the antemortem diagnosis of otitis media-interna is based upon the presence of appropriate clinical signs and adjunctive diagnostic imaging including radiography and computed tomography. The purpose of this prospective study was to evaluate predictive values of neurological examination, otoscopic examination and BAER in calves for the diagnosis of otitis media-interna using computed tomography as the gold standard. The second objective was to define BAER reference values in normal calves and to describe BAER abnormalities in calves affected with otitis media-interna. Seventeen Holstein calves between 5 and 7 weeks of age were included. All calves had a neurological examination, otoscopic examination and BAER. Calves were sedated with intravenous xylazine (0.05-0.15 mg/kg [0.02-0.07 mg/lb]) for computed tomography of the tympanic bullae to evaluate for the presence of otitis media-interna. Based upon computed tomographic results, 11 of 17 calves were affected with otitis media, 4 unilaterally and 7 bilaterally. Five waveforms were consistently identified on BAER traces from 6 normal calves. The positive predictive value of BAER, neurological examination and otoscopic examination were 94.7%, 91.7% and 66.7% respectively. Clinically, the most reliable non-invasive diagnostic test to diagnose otitis media-interna in the calf is the BAER. Abnormalities were observed on BAER before the development of neurological deficits in approximately 40% of calves allowing earlier diagnosis.

L'un des principaux défis de l'interprétation radiographique réside dans la compréhension de l’anatomie radiographique, laquelle est intrinsèquement liée à la disposition tridimensionnelle des structures anatomiques et à l’impact du positionnement du tube radiogène vis-à-vis de ces structures lors de l'acquisition de l'image. Traditionnellement, des radiographies obtenues selon des projections standard sont employées pour enseigner l'anatomie radiographique en médecine vétérinaire. La tomodensitométrie − ou communément appelée CT (Computed Tomography) − partage plusieurs des caractéristiques de la radiographie en ce qui a trait à la génération des images. À l’aide d'un plug-in spécialement développé (ORS Visual ©), la matrice contenant les images CT est déformée pour reproduire les effets géométriques propres au positionnement du tube et du détecteur vis-à-vis du patient radiographié, tout particulièrement les effets de magnification et de distorsion. Afin d'évaluer le rendu des images simulées, différentes régions corporelles ont été imagées au CT chez deux chiens, un chat et un cheval, avant d'être radiographiées suivant des protocoles d'examens standards. Pour valider le potentiel éducatif des simulations, dix radiologistes certifiés ont comparé à l'aveugle neuf séries d'images radiographiques simulées aux séries radiographiques standard. Plusieurs critères ont été évalués, soient le grade de visualisation des marqueurs anatomiques, le réalisme et la qualité radiographique des images, le positionnement du patient et le potentiel éducatif de celles-ci pour différents niveaux de formation vétérinaire. Les résultats généraux indiquent que les images radiographiques simulées à partir de ce modèle sont suffisamment représentatives de la réalité pour être employées dans l’enseignement de l’anatomie radiographique en médecine vétérinaire. / Understanding radiographic anatomy, which is intimately linked to the comprehension of tridimensional anatomy and the impact of patient, radiographic tube and x-ray detector positioning, represents a challenge for students. Traditionally, radiographs obtained under specific angles of projection have been used for teaching radiographic anatomy. Computed tomography (CT) shares several features with radiography with regard to image production. A plug-in was developed for a DICOM viewer (ORS visual ©) simulating radiographs using CT datasets. This plug-in distorts the CT image matrix to reproduce the magnification and distortion effects that take place in radiographs due to the variations in radiographic tube, patient and detector positioning and angulation. In order to test this model, specific body parts of two dogs, one cat and one horse were radiographed and CT-scanned. The CT datasets were used to generate a total of nine series of radiographic simulations that could be compared to corresponding standard radiographic projections. Ten board-certified veterinary radiologists blindly scored several parameters in these image series, including the visualization of specific anatomical landmarks, image realism and quality, patient positioning, and the educational potential for students and veterinarians of variable degree of veterinary training Overall results indicate that simulated radiographs are representative enough to be used to teach several concepts of image formation and radiographic anatomy in veterinary radiology.

Dans le domaine de la tomographie par rayons X préclinique, la tomographie spectrale est une voie de plus en plus en plus explorée. Les objectifs de la tomographie spectrale sont la caractérisation et la quantification des tissus et agents de contraste que l'amélioration de contraste entre tissus mous. Cela passe par l'exploitation de l'information spectrale (ou énergétique) des photons X et non plus seulement par leur quantité détectée comme en tomographie standard par rayons X. L'intérêt de la tomographie spectrale se trouve renforcé par l'arrivée des caméras à pixels hybrides comme le XPAD qui ont la capacité de sélectionner les photons X en fonction de leur énergie. La caméra XPAD3, la troisième version du XPAD est construite pour fonctionner dans le micro-tomodensitomètre, PIXSCAN développé au CPPM.Dans ce contexte, cette thèse a deux buts~: participer au développement du PIXSCAN et effectuer une preuve de concept de la tomographie spectrale à l'aide du PIXSCAN. Le premier but est rempli grâce au développement de l'interface d'acquisition du PIXSCAN. Le second est accompli par l'implantation de la méthode par séparation de composantes dont le but est d'isoler les contributions photoélectrique, Compton et des agents de contraste. Ce travail débute par la caractérisation de la méthode et se termine par la preuve de concept sur données réelles acquises à l'aide du PIXSCAN. / In the field of preclinical X-ray tomography, spectral tomography is actively explorated. The aims of spectral tomography are the caracterisation of tissues and contrast agentstogether with the quantification of the latter and the enhancement of contrast between soft tissues. This is achived by the exploitation of spectral information (i.e. energy) and not only the detected quantities of photons X. The interest in spectral tomography is enforced by the arrival of hybrid pixel cameras like XPAD, because of their ability to select photons according to their energy. The XPAD3 camera, third version of XPAD, is built to be used in the micro-CT demonstrator PIXCAN fully developped at CPPM.In this context, this thesis has two goals : a contribution to the developement of the PIXSCAN and a realisation of a proof of concept of spectral tomography in PIXSCAN. The first goal is done by developing the data acquisition system of PIXSCAN. To accomplish the second one, we perform spectral tomography by implementing component separation in order to isolate photoelectric, compton and contrast agents contribution. This work begins by the caracterisation of this method and ends by a proof of concept on real data acquired by PIXSCAN.

Contexte : Le cancer du sein est le cancer le plus fréquent et le deuxième cancer le plus mortel chez la femme. Les techniques d'imagerie constituent un élément essentiel pour le dépistage, le diagnostic, la stadification et le traitement du cancer du sein. L'imagerie par résonance magnétique avec injection de produit de contraste (CE-MRI) est actuellement la technique d'imagerie standard pour la détection du développement vasculaire anormal et des prises de contraste des lésions mammaires. CE-MRI est cependant très coûteuse et peu disponible. De plus, sa résolution spatiale pourrait être insuffisante pour la détection de certains types de lésions, et ne permet pas d'imager les amas de microcalcifications. Le développement de l'angiomammographie double-énergie (CESM) a permis l'utilisation des produits de contraste intraveineux en clinique avec des appareils conventionnels de mammographie. Cependant, CESM est une technique de projection 2D et présente, par conséquence, des limites pour décrire la structure 3D interne des lésions et pour fournir une information fonctionnelle 3D précise.La tomosynthèse numérique du sein avec injection de produit de contraste (CE-DBT) et le scanner dédié du sein avec injection de produit de contraste (CE-bCT) sont deux techniques d'imagerie actuellement en investigation par des groupes de recherche académiques et industriels. Il est cependant anticipé que le potentiel quantitatif de la CE-DBT soit limité, en raison de la faible résolution en profondeur due à l'ouverture angulaire limitée de la DBT. CE-bCT, avec sa résolution spatiale quasi-isotrope et son intensité de signal proportionnelle au coefficient d'atténuation linéaire, est supposée offrir une information quantitative plus précise, bien qu'une utilisation à faible dose de radiation reste toujours un défi.Objectifs : L'objectif de cette thèse a été d'étudier la faisabilité de la méthode CE-bCT et sa capacité à détecter et localiser des tumeurs vascularisées, ainsi que d'offrir de l'information morphologique et fonctionnelle précise sur les tumeurs. Pour comprendre la valeur ajoutée de la CE-bCT par rapport à CE-DBT, le potentiel quantitatif des deux méthodes a également été comparé. Nos études ont été réalisées grâce à des simulations par ordinateur, validées par des mesures expérimentales.Méthodes : Dans un premier temps, une plateforme de simulation capable de modéliser différentes techniques d'imagerie du sein par rayons X, et fournissant des images radiographiques de fantômes numériques simples et complexes, a été implémentée et validée. Deuxièmement, une étude d'optimisation pour la technique CE-bCT basée sur une approche double-énergie a été réalisée, dans le but de maximiser la qualité des images équivalentes-iode ainsi que des images morphologiques. Enfin, le potentiel quantitatif des méthodes CE-bCT et CE-DBT a été comparé au travers de l'évaluation de la détectabilité, de la caractérisation, de la localisation et de la mesure de l'étendue 3D des lésions iodées. Dans une étude impliquant des observateurs humains, la détectabilité et la caractérisation des lésions iodées de différentes tailles, formes et concentrations ont été comparées entre CE-bCT et CE-DBT, grâce à l'utilisation d'un fantôme anthropomorphique numérique du sein.Conclusions : Les études de simulation menées pendant cette thèse suggèrent que le scanner dédié du sein avec injection de produit de contraste iodé pourrait être une technique réalisable pour la détection, localisation et caractérisation des tumeurs du sein, pour un niveau de dose comparable à une mammographie standard. Bien que les comparaisons préliminaires avec CE-DBT suggèrent une performance comparable sur la détection et caractérisation, l'information 3D complète combinée avec une haute résolution spatiale font de CE-bCT une évolution intéressante de CESM vers une évaluation quantitative 3D des prises de contraste, et une alternative potentielle à CE-MRI pour certaines indications cliniques. / Background: Worldwide, breast cancer is the most common cancer and second deadliest cancer in women. Diagnostic imaging techniques are a critical part for screening, diagnosis, tumor staging and cancer therapy of the breast. Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging (CE-MRI) is the current standard imaging technique allowing detection of abnormal vascular development and lesion contrast uptake. CE-MRI is however very costly and not widely available. Moreover, its spatial resolution might not be sufficient to depict certain types of lesions including microcalcifications. The development of Contrast-Enhanced Spectral Mammography (CESM) has made the clinical use of intravenous contrast enhancement with conventional mammography possible. However, CESM is a 2D projection technique and therefore presents limitations to depict the 3D internal structures of lesions and to provide accurate quantitative 3D functional information.Contrast-Enhanced Digital Breast Tomosynthesis (CE-DBT) and dedicated Contrast-Enhanced Breast CT (CE-bCT) are two breast imaging modalities currently under investigation by academic and industrial research groups. It is however anticipated that the quantitative potential of CE-DBT is limited, due to the inherent low depth-resolution of limited opening angle DBT modality. CE-bCT with quasi-isotropic spatial resolution and voxel signal intensity proportional to the linear attenuation coefficient is believed to offer more accurate quantitative information, though a low-dose operation is still a challenge.Objectives: The purpose of this thesis has been to study the technical feasibility of CE-bCT and its potential to accurately depict and localize tumors, as well as to provide accurate quantitative morphological and functional imaging information about tumors, at low radiation dose levels. To understand the incremental value of CE-bCT over CE-DBT, the quantitative potential of both technologies have been compared. This investigation has been performed through computer simulations.Methods: At first, a simulation platform capable of modeling various X-ray breast imaging techniques and providing radiographic images of simple and complex computational phantoms was developed and validated. Secondly, an optimization study of a CE-bCT technique based on a dual-energy approach was performed, aiming to maximize image quality of iodine-enhanced and morphological images. Finally, the quantitative potential of CE-bCT and CE-DBT was compared through the assessment of iodine-enhanced lesion detectability, characterization, localization and 3D extent measurement. In a human observer study, depiction and characterization of iodine-enhanced lesions of different sizes, shapes and iodine uptakes was compared between CE-bCT and CE-DBT using a mesh-based anthropomorphic breast phantom.Conclusions: The simulation studies in this PhD thesis suggest that dual-energy iodine-injected CE-bCT could be a feasible technique for breast tumor depiction, localization and characterization, with dose levels comparable to standard mammography. While preliminary comparisons with CE-DBT suggests comparable depiction and characterization performance, the fully 3D information combined with high spatial resolution confirms CE-bCT as an interesting low-dose evolution of CESM toward 3D quantitative assessment of contrast uptakes and potential alternative to