Calibration de la matrice de réponse géometrique Rc

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Introduction

Le cancer du sein est une pathologie très répandue, qui touche environ une femme sur huit en France. C’est pourquoi, son diagnostic et son traitement sont très étudiés dans le domaine de la recherche médicale. En effet, la détection précoce de cette pathologie permet de la soigner au mieux et de minimiser les séquelles. La mammographie est l’outil le plus utilisé, mais elle est souvent complétée par d’autres méthodes d’imagerie, telles que l’échographie ou l’IRM. Cependant, toutes les méthodes ont des limites, c’est pourquoi de nombreuses équipes de recherche travaillent sur des méthodes alternatives.
La diffusion cohérente des rayons X est une des méthodes explorées. Dans le cas des ma-tières cristallines, la diffusion cohérente donne lieu au phénomène de diffraction de rayons X. La découverte de ce phénomène, qui permet de caractériser les cristaux, a valu à Max von Laue le Prix Nobel de Physique en 1914. Par ailleurs, la diffusion cohérente permet également d’étudier des matières amorphes, telles que les tissus biologiques.
Plusieurs équipes de recherche étudient l’utilisation de la diffusion cohérente de rayons X pour le diagnostic du cancer du sein, et leurs résultats attestent de l’intérêt de cette méthode. Tou-tefois, la plupart des ces équipes travaillent en conditions incompatibles avec les contraintes d’une utilisation clinique : utilisation d’un synchrotron comme source de rayons X, détecteurs non résolus en énergie ou utilisant des systèmes de refroidissement encombrants, temps d’acquisition extrêmement longs, etc.. Au CEA Leti de Grenoble, des détecteurs spectromé-triques à tellure de cadmium dopé au zinc (CdZnTe), fonctionnant à température ambiante, ont été développés. Ces détecteurs sont optimaux en terme de compacité, de sensibilité, et de résolution énergétique et spatiale, et offrent de nouvelles possibilités pour la mise au point de systèmes compatibles avec les contraintes de l’imagerie médicale. C’est pourquoi, la fai-sabilité d’un tel système a été étudiée par Fanny Marticke et par Damien Barbes au sein du CEA Leti, pendant leurs travaux de thèse. À l’issue de leurs études en simulation et par expéri-mentation, ils ont proposé des systèmes permettant de discerner le tissu cancéreux du tissu sain.
Cette thèse s’inscrit dans la continuité de leurs travaux, dans un objectif d’amélioration des per-1
Sommaire formances, afin de s’approcher des exigences de l’imagerie médicale, notamment en terme de dose déposée et de fiabilité. La thèse est organisée en trois chapitres.
Le premier chapitre traite du contexte médical et technologique associé à la diffusion cohé-rente de rayons X. Les outils de diagnostic de cancer du sein utilisés cliniquement, ainsi que leurs avantages et inconvénients sont présentés. Ensuite, nous décrivons les principes phy-siques de la diffraction cohérente des rayons X, et expliquons ce que cette méthode peut ap-porter à l’imagerie du sein. Finalement, nous présentons les systèmes expérimentaux, exploi-tant cette technique, proposés par les différentes équipes de recherche.
Le deuxième chapitre est dédié au système expérimental et analytique mis au point pendant cette thèse. Il est composé d’un montage expérimental, permettant la mesure des photons diffusés, et d’une chaîne de traitement de données, qui permet de caractériser les tissus à partir de cette mesure. Le montage expérimental a été initié par Damien Barbes pendant ses travaux de thèse. Le traitement utilisé n’avait pas mené aux résultats attendus, c’est pourquoi une autre méthode de traitement de données a été mise en place pendant cette thèse. Le traitement proposé est effectué en plusieurs étapes : tout d’abord un modèle de réponse du système est calculé en utilisant des connaissances a priori et des données de calibration. En-suite, la réponse du système est inversée pendant l’étape de reconstruction afin de remonter aux fonctions de diffusion du tissu, qui caractérisent sa structure moléculaire. Finalement, une classification en tissu sain ou cancéreux est effectuée. Les rayons X étant ionisants, la dose absorbée et son influence sur les performances du système sont également étudiées.
Enfin, dans le troisième chapitre, nous présenterons nos résultats expérimentaux sur diffé-rents types de fantômes. Dans un premier temps, nous avons effectué des mesures expéri-mentales dans des conditions quasi-identiques aux expériences de Damien Barbes, en utili-sant un fantôme plastique. Nous avons observé une nette amélioration des résultats, ce qui nous a permis de valider notre méthode de traitement des données. Ensuite, nous avons cher-ché à réaliser des expériences sur des fantômes plus réalistes. Après plusieurs essais, nous avons mis au point des fantômes à base de tissus bovins. Les résultats obtenus sont globa-lement encourageants, cependant les performances obtenues ne correspondent pas encore aux exigences de l’imagerie médicale.
En conclusion, nous présenterons une synthèse des résultats obtenus, et proposerons des pistes d’amélioration de la méthode.

Contexte médical et technologique

Le cancer du sein chez la femme est un enjeu majeur de santé publique : en France en 2017 cette pathologie a donné lieu à 59 000 nouveaux cas et a engendré 12 000 décès, d’après l’Institut National du Cancer (INCa) [1]. Le dépistage est essentiel, car un diagnostic précoce augmente les chances de réussite du traitement et diminue les séquelles.
Dans ce chapitre nous décrivons les différents types de cancer et les outils cliniques de diag-nostic avec leurs points forts et leurs limites. Ensuite, nous verrons les principes physiques de la diffusion cohérente de rayons X (XRD, X Ray Diffraction) et ce qu’elle peut apporter à l’imagerie du sein. Finalement, une revue des systèmes XRD étudiés récents sera proposée.

Table des matières

Remerciements
Liste des acronymes
Liste des symboles
Introduction
1 Contexte médical et technologique
1.1 Outils de diagnostic cliniques.
1.1.1 Mammographie
1.1.2 Tomosynthèse
1.1.3 Échographie mammaire
1.1.4 Imagerie par Résonance Magnétique : IRM.
1.1.5 Analyse anatomo-pathologique.
1.1.6 Conclusion
1.2 Diffusion cohérente de rayons X pour l’imagerie du sein
1.2.1 Principes généraux de l’interaction rayonnement – matière
1.2.2 Diffusion cohérente
1.2.3 Schéma général des systèmes XRD
1.2.4 Applications envisagées
1.2.5 Conclusion
1.3 Systèmes XRD pour la caractérisation des tissus mammaires.
1.3.1 Systèmes XRD proposés dans la littérature.
1.3.2 Systèmes développés au CEA.
1.3.3 Conclusion
1.4 Contexte médical et physique : conclusion.
2 Méthode proposée
2.1 Géométrie et modèle.
2.1.1 Montage expérimental.
2.1.2 Construction du modèle direct
2.1.3 Conclusion.
2.2 Estimation de la matrice système
2.2.1 Matrice de réponse du détecteur.
2.2.2 Estimation du spectre incident atténué
2.2.3 Calibration de la matrice de réponse géometrique Rc.
2.2.4 Construction de la matrice globale
2.2.5 Conclusion.
2.3 Reconstruction : inversion du modèle direct
2.4 Classication : présentation des méthodes
2.4.1 Classication par référence
2.4.2 k plus proches voisins
2.4.3 Machine à vecteur de supports
2.4.4 Analyse discriminante linéaire
2.4.5 Analyse en composantes principales
2.4.6 Conclusion.
2.5 Estimation de la dose absorbée
2.5.1 Dose absorbée : dénitions
2.5.2 Méthode d’estimation
2.6 Étude de l’inuence de la dose sur la classication
2.6.1 Métriques
2.6.2 Simulation
2.6.3 Classication en fonction de la dose
2.6.4 Analyse et discussion
2.7 Système : conclusion
3 Résultats
3.1 Fantôme plastique.
3.1.1 Mesures expérimentales
3.1.2 Reconstruction
3.1.3 Classication
3.1.4 Conclusion.
3.2 Mise au point de fantômes réalistes.
3.2.1 Recherche d’échantillons de tissus mammaires humains
3.2.2 Glandes mammaires de souris
3.2.3 Fantômes de viande.
3.3 Fantômes de viande
3.3.1 Mesures expérimentales
3.3.2 Reconstruction
3.3.3 Classication
3.3.4 Conclusion.
3.4 Conclusion
Conclusions et perspectives
A Classication BI-RADS
B Actes de conférences
Bibliographie
Résumés