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Auteur :  Tarpau , Cécilia , 1996-.... Nguyen-Verger , Maï Khong , 19..-.... , auteur en imagerie Dumas , Laurent , 1969-.... Mars , Jérôme , 1962-.... , auteur en automatique Chehdi , Kacem , 1957-.... Maxim , Voichiţa Theodora Mériaudeau , Fabrice , 19..-.... , chercheur en informatique Pesquet , Jean-Christophe Rollet , Geneviève Avan , Jean , 1963-.... CY Cergy Paris Université , 2020-.... École doctorale Économie, Management, Mathématiques, Physique et Sciences Informatiques , Cergy-Pontoise, Val d'Oise Equipes Traitement de l'Information et Systèmes , Cergy-Pontoise, Val d'Oise Titre :  Modalités de tomographie Compton : concept, modélisation et problèmes inverses associés , Cécilia Tarpau ; sous la direction de Maï Khong Nguyen-Verger et de Laurent Dumas Editeur :  2021 Notes :  Titre provenant de l'écran-titre Ecole(s) Doctorale(s) : École doctorale Économie, Management, Mathématiques, Physique et Sciences Informatiques (Cergy-Pontoise, Val d'Oise) Partenaire(s) de recherche : Equipes Traitement de l'Information et Systèmes (Cergy-Pontoise) (Laboratoire) Autre(s) contribution(s) : Jérôme Mars (Président du jury) ; Maï Khong Nguyen-Verger, Laurent Dumas, Kacem Chehdi, Voichiţa Theodora Maxim, Fabrice Mériaudeau, Jean-Christophe Pesquet, Geneviève Rollet, Jean Avan (Membre(s) du jury) ; Kacem Chehdi, Voichiţa Theodora Maxim (Rapporteur(s)) Thèse de doctorat STIC (Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication) - ED EM2PSI CY Cergy Paris Université 2021 Depuis les travaux précurseurs de Cormack et Hounsfield, Prix Nobel de Médecine, la tomographie (CT) est devenue l'une des techniques d'imagerie privilégiée pour explorer les structures internes de la matière sans la détruire. La CT utilise uniquement le rayonnement transmis sans déviation de la source au détecteur. Cependant, une part importante des photons est diffusée par effet Compton. En conséquence, l effet Compton cause flou et perte de contraste sur les reconstructions et peut influencer les conclusions d'un diagnostic. La résolution de ce problème de diffusion reste un challenge important. Les modalités (ie. configurations) actuelles tentent d'éliminer ces rayonnement diffusés avec l'utilisation de collimateurs ou de filtres. Avec un tel équipement, peu de photons arrivent au détecteur. Le rayonnement diffusé par effet Compton peut aussi être considéré comme une part utile de l'information pour la reconstruction d'image. Cette observation marque l'émergence des modalités de tomographie Compton (CST). L'objectif principal de cette thèse est d'introduire une nouvelle modalité CST. Le système proposé, de géométrie circulaire, est composé d'une source fixe et d'un anneau de détecteurs passant par la source. Cette modalité CST, nommée Tomographie Compton Circulaire (CCST), surpasse conceptuellement les systèmes proposés précédemment car aucun mouvement de la source ni des détecteurs n'est nécessaire pour avoir un ensemble complet de données. Si la tomographie conventionnelle est modélisée par la transformée de Radon (RT) sur les lignes, la géométrie des rayonnements diffusés conduit à considérer des arcs de cercle et ainsi des RT généralisées sur la famille d'arcs de cercle appropriée. Dans le cas de la CCST, la modélisation de l'acquisition d'image conduit à une nouvelle RT sur une famille spécifique d'arcs de cercle passant par un point fixe. Le premier résultat de cette thèse a consisté en l'inversion de cette RT et résoudre le problème de reconstruction. En considérant des détecteurs collimatés, deux approches pour l'inversion ont été proposées. Le second algorithme proposé a montré des résultats prometteurs pour l'acquisition des objets de petite et de grande taille. Nous avons aussi étudié la CCST sans collimateurs. En l'absence de formule inverse, nous avons proposé une méthode de régularisation afin d effectuer des simulations. En outre, nous avons étudié la possibilité d'introduire un mouvement pour les détecteurs. Cette étude a abouti sur la proposition d'une formule inverse analytique pour la RT associée, en deux et en trois dimensions. Cependant, les algorithmes de reconstruction issus de ces formules inverses se sont révélés inutilisables en imagerie. Nous avons également étudié deux autres systèmes de tomographie Compton. Le premier, introduit dans cette thèse, est composé d un détecteur non collimaté tournant autour d une source fixe. La modélisation de l'acquisition des données conduit à une RT sur une famille de double arcs de cercle dont nous avons établi l'inversion. Nous avons également étudié son extension en trois dimensions et prouvé l'inversibilité de la RT correspondante. La seconde modalité étudiée, introduite précédemment par Webber, est composée d'une paire source détecteur séparés par une distance fixe. Cette paire translate pour effectuer l'acquisition des données. Nous avons proposé une formule d'inversion appropriée pour les simulations. Finalement, nous revenons aux deux premières modalités proposées. Un constat commun sur la qualité des résultats de reconstruction obtenus a émergé: les reconstructions émanant de ces deux systèmes souffrent d'un type particulier d'artéfacts. Même si ces artefacts sont bien expliqués théoriquement, il est difficile de les réduire sans augmenter le temps de calcul de la reconstruction. L'idée dans la dernière partie de cette thèse est de combiner les algorithmes de reconstruction proposés avec des techniques de machine learning pour supprimer ces artefacts. Since the seminal works of Cormack and Hounsfield, Nobel Prize of Medicine, Computed Tomography (CT) has become one of the privileged imaging techniques to explore internal structures of matter without destroying it. Classical CT uses only transmitted radiation without any deviation from the source to the detector. However, a significant proportion of emitted photons is scattered by Compton effect inside matter. As a consequence, Compton scattering causes serious degradation, in terms of blurring and loss of contrast on reconstructions. This may lead to influence the conclusions of diagnoses. Solving the scattering problem remains an important challenge. Current CT modalities (i.e., configurations) attempt to eliminate these scattered radiations by the use of collimation or filtering. With such equipment, only few photons arrive at the detector. Compton scattered radiation can also be considered as a useful and significant part of information, which can be used for image reconstruction. This observation is the starting point of the development of imaging systems of Compton Scattering Tomography (CST). The main objective of this thesis is to introduce a new CST modality, of circular geometry, made of a fixed source and a ring of detectors passing through the source. This CST modality, called Circular CST (CCST), conceptually surpasses the previous proposed systems since no movement of the source and detectors is required to acquire a complete set of data necessary for reconstruction. While CT is modelled by the Radon transform (RT) on lines, the geometry of the scattered radiation leads to consider circle arcs and generalized RT on the convenient family of circle arcs. In the case of CCST, the modelling of its operation leads to a new RT on a specific family of double arcs of circles passing through a fixed point. The first result of this thesis was the inversion of this RT to solve the reconstruction problem. With collimation at detectors, two approaches for inversion have been proposed. Moreover, the second proposed algorithm has shown promising results for acquisition of both small and large objects with a double scanning configuration. We also studied CCST without collimation. In absence of an analytical inversion formula, we proposed to use a regularization method in order to have simulation results. Otherwise, we studied also the possibility to introduce a movement for detectors. This study results in the proposition of an inversion formula for the associated RT, in two and three dimensions. The corresponding reconstruction algorithms have proved impossible to use in practice for a CST system. We also studied two other CST systems. The first one, introduced also during this thesis, consists of a fixed source and a detector rotating around the source. The two-dimensional design of this modality does not use collimation at detectors. Consequently, the modelling of data acquisition leads to a RT on another family of double circle arcs. As a first theoretical result, we established the analytic inversion of the RT. We also investigated its extension in three dimensions and proved the invertibility of the corresponding RT on toric surfaces. The second studied modality, previously introduced by Webber, consists of a pair source detector separated by a fixed distance one from each other. The source and the detector translate simultaneously to perform data acquisition. We suggested a suitable inverse formulation for simulations. Finally, we come back to the two first studied CST modalities. A common comment about the quality of the obtained reconstruction results arises : both exhibit a particular type of artifacts. These artifacts are well explained theoretically, nevertheless, it is difficult to reduce them without increasing drastically the calculation time of reconstruction. The idea in the last part is to combine the previous proposed reconstruction algorithms with data-driven methods to improve reconstruction quality. Sujet :  Thèses et écrits académiques   Exemplaires Pas de données exemplaires

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