La tomographie d’émission par positrons (TEP) est un outil qui permet, grâce à l’injection d’une dose de radiotraceur, de diagnostiquer et caractériser différents problèmes de santé, dont le cancer et les pathologies cardiaques. Pour exploiter cette modalité de l’imagerie médicale à son plein potentiel, plusieurs éléments, dont chacun comporte son lot de défis, doivent être réunis. La conversion des données fournies par la caméra TEP en une image interprétable par un spécialiste, dénommé la reconstruction TEP, est un sous-problème particulièrement intéressant. Ce problème a déjà été abordé à maintes reprises dans la littérature, et ce, dans plusieurs contextes différents. Parmi ceux-ci, la reconstruction d’une acquisition où le sujet, ou une partie de ce dernier, est en mouvement engendre, à cause des caractéristiques inhérentes de cette modalité, des données contaminées par ce même mouvement. Cette contamination peut, si elle n’est pas prise en compte, modifier l’image reconstruite et en fausser l’interprétation. Plusieurs méthodes ont été développées pour atténuer, voire éradiquer, la contamination de l’image reconstruite. Parmi celles-ci, il existe une sous- famille de méthodes spécialement conçues pour s’attaquer aux biais induits par des mouvements cycliques. En effet, les mouvements de type cyclique, i.e. le mouvement cardiaque ou respiratoire, possèdent une propriété particulière qui peut, moyennant certaines hypothèses, être exploitée dans la phase de reconstruction. Différentes approches ont été présentées dans la littérature pour exploiter cette particularité et chacune d’entre-elles offre son lot d’avantages et d’inconvénients. Afin d’obtenir des images de qualité semblable à celle obtenue à partir d’un sujet immobile, toutes ces approches nécessitent d’augmenter la dose de radiotraceur injectée dans le sujet. Cette augmentation sera dénommé le facteur de compensation de dose. L’objectif de cette maîtrise est d’étudier ces approches afin de diminuer le facteur de compensation de dose. Pour y parvenir, un compte-rendu sur l’état de l’art de cette problématique sera présenté. Ce compte-rendu est divisé en trois volets : une étude des propriétés théoriques de chacune de ces approches, une comparaison numérique de leurs performances et une revue des lacunes qui persistent dans ce domaine. L’analyse des propriétés théoriques a débouché sur la création d’une nouvelle variante d’une des approches. L’introduction de cette nouvelle méthode, dont la résolution est explicitée, permet d’établir des parallèles théoriques avec l’approche originelle. La comparaison, en terme de vitesse de convergence, de ces variantes semble indiquer que le nouveau modèle offre un gain en vitesse de reconstruction, et ce, sans perte de qualité. La caractérisation des modèles représentant chaque approche, résultant de leur analyse théorique, a permis de motiver l’utilisation de solveurs généraux. Une méthodologie a été développée pour effectuer la comparaison numérique des per-formances. Les résultats des tests de performance permettent de déceler une lacune commune à certaines approches. Une hypothèse sur la source de cet inconvénient de même que quelques arguments la soutenant sont formulés.

Parmi les outils de réduction de dose d’exposition en scanner, le plus récent est l’emploi des Reconstructions Itératives (RI). Ces nouveaux algorithmes permettent de corriger de façon répétée les données d’acquisition par modélisation, rendant envisageable la compensation sur les images reconstruites, du bruit engendré par une acquisition scanographique à basse dose. Ce travail a eu pour but d’évaluer, à travers 5 études originales, la performance des RI en scanner thoracique, en particulier leur potentiel de réduction de dose et leurs applications cliniques. La 1ère étude a permis de valider la réduction de bruit sans perte d’information diagnostique sur 32 scanners thoraciques grâce à un algorithme de RI de 1ère génération (IRIS). L’évaluation initiale de cette technique a permis de l’intégrer en pratique clinique donnant lieu à la 2e étude évaluant IRIS chez 80 patients ayant bénéficié de 2 scanners thoraciques successifs dans le cadre d’un suivi. Malgré une réduction de dose de 35% par réduction du milliampérage, IRIS a permis de maintenir une qualité image similaire à celle du scanner initial. L’évaluation d’un algorithme de RI de 2e génération (SAFIRE) a ensuite été réalisée sur des examens acquis à dose encore plus réduite : (a) chez 80 patients étudiés par angioscanner à bas kilovoltage avec 50% de réduction de dose ; et (b) chez 50 patients étudiés en scanner double source avec acquisition simultanée d’images pleine dose et d’images à dose réduite de 60%. Enfin, SAFIRE a été évalué dans une situation clinique particulière, l’embolie pulmonaire, permettant une réduction de dose de 60% sans perte de performance diagnostique. / Among the different tools available to save dose in CT, the most recent option is the use of Iterative Reconstructions (IR) instead of Filtered Back Projection. These new algorithms can correct repeatedly the acquisition by modeling data, making possible the compensation of the noise generated in reconstructed images by a low-dose CT acquisition. The purpose of the present work was to evaluate, through 5 original studies, the performance of IR in chest CT, especially their potential for dose reduction and clinical applications.Based on 32 chest CT examinations, the first study validated the level of noise reduction achievable with a first-generation IR algorithm (IRIS). This initial evaluation allowed us to investigate the performance of IRIS in clinical practice, giving rise to the second IRIS study; the latter evaluated 80 patients who underwent two successive chest CT examinations for monitoring. Despite a 35% dose reduction achieved by reduction of the tube current, IRIS provided a similar image quality in comparison with that of the initial examination. A second-generation IR algorithm (SAFIRE) was then evaluated on examinations obtained at lower dose levels in (a) 80 patients who had undergone low-kilovoltage chest CT angiography with a 50% dose reduction; and (b) 50 patients studied with a dual source CT system providing simultaneously full-dose and low- dose (reduction of 60%) images. Lastly, SAFIRE has been evaluated in the specific context of acute pulmonary embolism where the diagnostic performance of low-dose SAFIRE images was found to be similar to that of full-dose FBP images.

La tomodensitométrie (TDM) permet d'obtenir, et ce de façon non invasive, une image tridimensionnelle de l'anatomie interne d'un sujet. Elle constitue l'évolution logique de la radiographie et permet l'observation d'un volume sous différents plans (sagittal, coronal, axial ou n'importe quel autre plan). La TDM peut avantageusement compléter la tomographie d'émission par positrons (TEP), un outil de prédilection utilisé en recherche biomédicale et pour le diagnostic du cancer. La TEP fournit une information fonctionnelle, physiologique et métabolique, permettant la localisation et la quantification de radiotraceurs à l'intérieur du corps humain. Cette dernière possède une sensibilité inégalée, mais peut néanmoins souffrir d'une faible résolution spatiale et d'un manque de repère anatomique selon le radiotraceur utilisé. La combinaison, ou fusion, des images TEP et TDM permet d'obtenir cette localisation anatomique de la distribution du radiotraceur. L'image TDM représente une carte de l'atténuation subie par les rayons-X lors de leur passage à travers les tissus. Elle permet donc aussi d'améliorer la quantification de l'image TEP en offrant la possibilité de corriger pour l'atténuation. L'image TDM s'obtient par la transformation de profils d'atténuation en une image cartésienne pouvant être interprétée par l'humain. Si la qualité de cette image est fortement influencée par les performances de l'appareil, elle dépend aussi grandement de la capacité de l'algorithme de reconstruction à obtenir une représentation fidèle du milieu imagé. Les techniques de reconstruction standards, basées sur la rétroprojection filtrée (FBP, filtered back-projection), reposent sur un modèle mathématiquement parfait de la géométrie d'acquisition. Une alternative à cette méthode étalon est appelée reconstruction statistique, ou itérative. Elle permet d'obtenir de meilleurs résultats en présence de bruit ou d'une quantité limitée d'information et peut virtuellement s'adapter à toutes formes de géométrie d'acquisition. Le présent mémoire se consacre à l'étude de ces algorithmes statistiques en imagerie TDM et à leur implantation logicielle. Le prototype d'imageur TEP/TDM basé sur la technologie LabPET[indice supérieur TM] de l'Université de Sherbrooke possède tous les pré-requis pour bénéficier de ces nombreux avantages.

L’ionomycine est un ionophore produit par la bactérie gram-positive streptomyces conglobatus. Sa synthèse représente un défi, car il possède plusieurs centres chiraux dans un motif polypropylène. De plus, la grande densité d’oxygène sur celui-ci oblige l’utilisation de plusieurs protections orthogonales. Notre stratégie divise l’ionomycine en quatre fragments, trois possédant le motif polypropylène, ainsi qu’un quatrième, bis-tétrahydrofuranne. Les trois premiers sont synthétisés en utilisant une méthodologie puissante développée dans le laboratoire du Pr Spino, qui utilise l’addition d’alkylcyanocuprates sur les carbonates allyliques dérivés de la menthone. Celle-ci permet l’introduction d’une unité propylène, avec un excellent contrôle du centre chiral introduit. Cette méthode est utilisée de manière itérative, afin d’introduire plusieurs unités propylènes. De plus, notre stratégie est hautement convergente, puisque des intermédiaires des fragments plus courts servent de produit de départ pour la synthèse des fragments plus longs. Le dernier fragment, bis-tétrahydrofuranne, a été fabriqué à partir de l’acétate de géranyle, par une polycyclisation d’un diépoxyde chiral, les époxydes ayant été introduits par une époxydation de Shi. Cette synthèse, si complétée, serait la plus courte publiée, avec 24 étapes pour la séquence linéaire la plus longue (51 au total).

La phase de segmentation constitue un point central dans les processus d'interprétation et d'analyse d'images. Bien que la segmentation ait déjà fait l'objet de nombreux travaux, elle reste en général très dépendante de la nature et du contexte d¿exploitation de l'image. Notons que l'application de différentes méthodes de segmentation à une même image produit souvent des résultats différents. Dans le but d'obtenir une segmentation fiable et robuste, nous mettons dans ce travail l'accent sur la question de l'espace de représentation des connaissances issues de l'image, afin d'exploiter le maximum d'information disponible, en termes de caractéristiques et de structure spatiale. Dans ce contexte, nous présentons une approche de segmentation basée sur la théorie des possibilités. Cette approche permet de représenter les mesures numériques issues des capteurs en prenant en compte les ambiguïtés inhérentes à cette information, sur la base des connaissances descriptives exprimées par l'expert. De plus, l'approche proposée modélise un aspect important du raisonnement humain dans le processus de classification des pixels, en exploitant l'information issue du contexte spatial de ces éléments. Ce processus cognitif, la focalisation progressive de l'attention, est ici représenté par la diffusion itérative des connaissances acquises, dans le voisinage des pixels, notamment des germes possibilistes, qui représentent les points appartenant à une classe thématique donnée avec un fort degré de certitude. Plusieurs stratégies de diffusion des connaissances, ainsi que deux modes d'intégration des germes au processus (statiquement ou dynamiquement), sont proposés et évalués de manière qualitative et quantitative. La validation globale de la méthode est réalisée en utilisant un ensemble représentatif d'images mammographiques. Ces résultats, ainsi que leur comparaison aux résultats de méthodes plus classiques, montrent le fort potentiel de l'approche proposée en termes de spécificité et de précision des régions segmentées.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Avec l’augmentation du nombre de scanner et de la dose collective, le risque potentiel d’apparition d’effets stochastiques est accentué. Pour limiter au maximum ce risque, les principes de justification et d’optimisation doivent être appliqués avec rigueur. L’optimisation des pratiques a pour but de délivrer la dose la plus faible possible tout en conservant une qualité diagnostique des images. C’est une tâche complexe qui implique de trouver en permanence un compromis entre la dose délivrée et la qualité image résultante. Pour faciliter cette démarche, des évolutions technologiques ont été développées. Les deux évolutions majeures sont la modulation du courant du tube en fonction de l’atténuation du patient et l’apparition des reconstructions itératives (IR). L’introduction des IR a modifié les habitudes puisqu’elles permettent de conserver des indices de qualité image équivalents en réduisant les doses. Cependant, leurs utilisations s’accompagnent d’une modification de la composition et de la texture de l’image nécessitant d’utiliser des métriques adaptées pour les évaluer. Le but de cette thèse est d’évaluer l’impact d’une utilisation des IR sur la réduction de la dose et sur la qualité des images afin de proposer en routine pour tous les patients, des protocoles avec la dose la plus faible possible et une qualité image adaptée au diagnostic. La première partie de cette thèse est consacrée à une mise au point sur la problématique du compromis dose/qualité image en scanographie. Les métriques de qualité image et les indicateurs dosimétriques à utiliser, ainsi que le principe et l’apport des reconstructions itératives y sont exposés. La deuxième partie est consacrée à la description des trois étapes réalisées dans cette thèse pour atteindre les objectifs. La troisième partie est constituée d’une production scientifique de 7 articles. Le 1er article présente la méthodologie d’optimisation globale permettant la mise en place de protocoles Basses Doses en routine avec utilisation de niveaux modérés des IR. Le 2ème article évalue l’impact et l’apport sur la qualité des images obtenues pour des niveaux de doses très bas. Le 3ème et le 4ème article montrent l’intérêt d’adapter ou de proposer des protocoles optimisés selon la morphologie du patient. Enfin les 3 derniers articles, illustrent la mise en place de protocoles Très Basses Doses pour des structures ayant un fort contraste spontané. Pour ces protocoles les doses sont proches des examens radiographiques avec des niveaux élevés des IR. La démarche d’optimisation mise en place a permis de réduire considérablement les doses. Malgré une modification de la texture et de la composition des images, la qualité des images obtenues pour tous les protocoles était jugée satisfaisante pour le diagnostic par les radiologues. L’utilisation des IR en routine nécessite une évaluation particulière et un temps d’apprentissage pour les radiologues. / The increasing number of scanner and the cumulative dose delivered lead to potential risk of stochastic effects. To minimize this risk, optimization on CT usage should be rigorously employed. Optimization aims to deliver the lowest dose but maintaining image quality for an accurate diagnosis. This is a complex task, which requires setting up the compromise between the dose delivered and the resulting image quality. To achieve such goal, several CT technological evolutions have been developed. Two predominant developments are the Tube Current Modulation and the Iterative Reconstruction (IR). The former lays one patient's attenuation, the latter depend on advanced mathematical approaches. Using IR allows one to maintain equivalent image quality values by reducing the dose. However, it changes the composition and texture of the image and requires the use of appropriate metric to evaluate them. The aim of this thesis was to evaluate the impact of using IR on dose reduction and image quality in routine for all patients, protocols with the lowest dose delivered with an image quality suitable for diagnosis. The first part of the thesis addressed the compromise between dose delivered and image quality. Metrics of the image quality and the dosimetric indicators were applied as well the principle and the contribution of IRs were explored. The second part targets the description of the three steps performed in this thesis to achieve the objectives. The third part of the thesis consists of a scientific production of seven papers. The first paper presents the global optimization methodology for the establishment of low dose protocols in routine using moderate levels of IR. The second paper assesses the impact and contribution of IR to the image quality obtained to levels very low doses. The third and the fourth papers show the interest to adapt or propose protocols optimized according to patient's morphology. Finally the last three papers illustrate the development of Very Low Dose protocols for structures with high spontaneous contrast. For these protocols, doses are close to radiographic examinations with high levels of IR. The optimization process implementation has significantly doses reduction. Despite the change on the texture and on composition of the images, the quality of images obtained for all protocols was satisfactory for the diagnosis by radiologists. However, the use of routine IR requires special assessment and a learning time for radiologists.

Le scanner a révolutionné la médecine permettant une accélération et une meilleure prise en charge du patient. La tomodensitométrie (TDM) s’accompagne d’un désavantage qui est l’augmentation du risque de cancer radio-induit des patients qui en bénéficient. La question se pose notamment aux urgences où l’emploi du scanner est de plus en plus prédominant, souvent après la réalisation d’une radiographie. Cette attitude, malgré tout justifiée dans la plupart des cas, peut s'avérer délétère. De ce fait les principes de radioprotection obligent à l’optimisation de la dose délivrée aux patients. L’inquiétude principale réside dans l’irradiation du thorax qui est la région la plus radiosensible du corps humain. Cela se traduit par une recherche continue d’un compromis entre l’obtention de la dose la plus basse possible tout en gardant une qualité d’image satisfaisante pour le diagnostic. Les dernières années des innovations technologiques ont été développées pour optimiser la dose au scanner ; la plus importante et la plus récente étant la reconstruction itérative (RI). La RI permet d’améliorer les index de qualité image avec une dose abaissée ou à dose équivalente reconstruite avec la classique rétroprojection filtrée, mais restituant enfin une qualité d’image modifiée. L’objectif de cette thèse était d’établir un protocole TDM du thorax délivrant une dose similaire à celle d’une radiographie du thorax de face et une de profil (ULD-CT_Ultra-low-dose-Computed Tomography) pour des indications de douleurs thoraciques en urgence sans injection de produit de contraste. La réaction des radiologues non habitués a été investiguée pour considérer la modification de l’image liée à la réduction de la dose et de l’emploi de la RI. Pour atteindre cet objectif les travaux de cette thèse se sont déroulés selon trois phases. La première phase représente une approche globale à la RI, testée sur fantômes pour optimiser les protocoles TDM de notre département. À partir des résultats obtenus, la deuxième phase a débuté. Des protocoles TDM thorax standard, à basse dose (LD-CT_Low-dose) et à très basse dose (ULD-CT) ont été testés sur des cadavres humains. La troisième phase a été caractérisée par l’application du protocole ULD-CT en pratique clinique aux urgences. Quatre articles scientifiques ont été rédigés pour représenter les trois phases de cette thèse. En conclusion, le protocole ULD-CT reconstruit avec des hauts niveaux de RI a délivré une dose inférieure à celle du niveau de référence diagnostique national pour une radiographie du thorax de face et une de profil. Ce type de protocole à très faible dose reconstruit avec RI est une alternative valable à la radiographie pour certaines indications sélectionnées pour l’exploration du thorax en urgence. En outre les radiologues malgré des remarques critiques sur la qualité d’image de l’ULD-CT ont toujours déclaré un niveau de confiance diagnostique élevé. / Computed Tomography (CT) improved patients' health care. However CT has a major drawback, which is the ionizing irradiation of the patient with an ensuing radiation-induced cancer risk. This issue is particularly observed in emergency settings, where the CT is increasingly becoming a dominant tool for the care decision-making, often after a radiographic study. Although this attitude is justified in the majority of the cases, it could be deleterious. Thus the principles of radiation safety obligate to the optimization of radiation dose delivered to the patients. The main problem is that the chest is the most radiation sensitive region of the human body. Hence the research of the better trade-off between the dose reduction and a diagnostic image quality is mandatory. Recently, several technological improvements have been developed to optimize the radiation dose at CT. The newest and most important innovation is the iterative reconstruction (IR). IR improves the quality image indexes of a CT image generated with a lowered dose or equivalent to that reconstructed with filtered back projection. Finally this reconstruction method renders a modified CT image. The goals of this PhD thesis were: i) to establish an unenhanced CT protocol, delivering a dose in the range of a radiographic study (ULD_ultra-low-dose-CT), for chest pain indications with no need of contrast media administration and ii) to investigate the reaction of unaccustomed radiologists to ULD-CT imaging. To accomplish these tasks the work of this thesis has been split in three phases. In the first phase a study approaching globally the IR was carried out testing several CT protocols on phantoms, in order to optimize the CT protocols of our institution. The outcomes of this study opened the second phase. A standard dose CT, a low-dose-CT and an ULD-CT protocols were acquired on the chest of human cadavers. The third phase was characterized by the application of ULD-CT in clinical practice in emergency settings. Four scientific articles were produced to communicate the results of this doctorate work. In conclusion, the ULD-CT protocol, reconstructed with high strengths of IR, conveyed a dose lower than the one of the national diagnostic reference level for a double projections chest X-ray. This ULD-CT protocol with IR is a valid alternative to the radiography for the study of the chest, for selected indications in emergency settings. Moreover, despite the radiologists were censorious about the ULD-CT image quality, they demonstrated always a high diagnostic confidence level.

Des réalisations hiérarchisées et systématiques de logiques en bandes sont proposées dans différentes technologies (découpage en cellules fonctionnelles, assemblages en bandes de cellules fonctionnelles puis en blocs). Un système d'implantation automatisé, OASIS II, permet de placer, d'améliorer le placement et de connecter de tels circuits. On propose une application de ces méthodes à l'optimisation topologique des PLA

On adapte des méthodes numériques efficaces pour équations de Fredholm à la résolution d'équations singulières. On développe en particulier les variantes itératives de Brakhage et d' Atkinson de la méthode de Nyström. Les exemples numériques traités confirment la nette supériorité de la méthode itérative de Brakhage