Pour le projet SIGAHRS, nous avons étudié un collimateur avec les longueurs focales qui varient dans le plan transaxial, et des longueurs focales fixes dans le plan axial. Pour situer ce collimateur par rapport à d’autres collimateurs couramment utilisés en imagerie TEMP, nous avons aussi étudié un collimateur à trous parallèles. Nous avons enfin comparé le collimateur SVF-CB à un collimateur monofocal convergent. Les collimateurs SVF-CB et monofocal convergent n’ont jamais été étudiés pour l’imagerie petit animal, mais nous connaissons bien les caractéristiques du collimateur monofocal convergent en imagerie TEMP clinique.
Collimateur parallèle
Le collimateur à trous parallèles que nous avons modélisé dans GATE (figure 4.10a, 4.10b et 4.10c) présente les caractéristiques suivantes :
– Le matériau atténuant est le tungstène.
– L’épaisseur du collimateur est de 20 mm avec 18,5 mm de tungstène, 1 mm d’aluminium (entre le tungstène et le collimateur) et 0,5 mm d’air (entre l’aluminium et le détecteur).
– L’épaisseur septale est 0,15 mm.
Figure 4.9 – Schéma de l’implémentation multi-CPU et GPU du collimateur dans GATE. 1 : les particules primaires (en vert) sont émises par la source et transportées par GATE. 2 : les particules sont stockées à l’entrée de collimateur. 3 : les particules sont alors projetées (en rouge) à travers le collimateur, avec la méthode de lancer de rayons implémentée sur GPU ou multi-CPU, pour atteindre la sortie de collimateur. 4 : de nouveaux "tracks" (en bleu) sont créés à la sortie du collimateur et la simulation se poursuit dans GATE.
– Le ROR est de 36 mm.
– Les longueurs focales dans le plan transaxial et axial sont à l’infini.
Collimateur monofocal convergent
Nous avons aussi simulé un collimateur monofocal convergent (figure 4.10d, 4.10e et 4.10f). Comme pour le collimateur SVF-CB, les trous sont modélisés à l’aide du volume "G4Trap". Ici, la paramétrisation des trous est plus simple car ces derniers sont orientés vers les mêmes points focaux, et la taille des trous est la même. On donne ici les caractéristiques du collimateur :
– Le matériau atténuant est le tungstène.
– L’épaisseur du collimateur est de 20 mm avec 18,5 mm de tungstène, 1 mm d’aluminium (entre le tungstène et le collimateur) et 0,5 mm d’air (entre l’aluminium est le détecteur).
– L’épaisseur septale est 0,15 mm.
– La taille des trous est (0,6×0,6) mm2, et il y a 131×131 trous.
– Le ROR est de à 36 mm.
Collimateur SVF-CB
Le collimateur SVF-CB (figure 4.10g, 4.10h et 4.10i) développé pour le projet SIGAHRS a les caractéristiques suivantes :
– Le matériau atténuant est le tungstène.
– L’épaisseur du collimateur est de 20 mm avec 18,5 mm de tungstène, 1 mm d’aluminium (entre le tungstène et le collimateur) et 0,5 mm d’air (entre l’aluminium est le détecteur).
– L’épaisseur septale est 0,15 mm si nous projetons les septa à la surface du détecteur. L’épaisseur des septa varient en fonction des longueurs focales.
– La taille des trous est (0,6×0,6) mm2 à la surface du détecteur. Comme chaque
paroi des septa dépend des longueurs focales, la taille des trous varie, et il y a 131×131 trous.
– Le ROR est de 36 mm.
– Les longueurs focales dans le plan transaxial varient de 42 mm à 170 mm et sont de 100 mm dans le plan axial.
4.4.2 Étude des effets physiques
Pour chacun des trois collimateurs étudiés, nous avons quantifié la nature des photons détectés (diffusé, primaire, ayant traversé les septa, etc.).
Pour cela, il a suffi d’un seule série de simulations GATE "classique" (sans le module multi-CPU/GPU) afin de garder toutes les informations sur le trajet du photon en tout point de l’espace.
Pour cette étude, nous avons modélisé un cylindre homogène, de 50 mm en hauteur et 30 mm de diamètre, rempli d’eau et centré dans le champ de vue. Celui- ci est rempli d’une activité de 6,25 MBq (émission à 140,5 keV) et pour chaque projection, un temps de pose de 1 s a été simulé. Nous avons simulé 480 projections,
sans tourner, ce qui est équivalent à simuler ∼ 3×109 photons. Les 480 projections
sont ensuite sommées pour augmenter la statistique de comptage. Ce cylindre d’eau nous permet de connaître le taux de photons diffusés dans un milieu atténuant proche de celui d’un petit animal. La décroissance radioactive n’est pas prise en compte pour ces simulations. Tous les processus physiques sont activés comme la fluorescence-X. Nous avons appliqué une fenêtre en énergie comprise entre 133 et 147 keV. Tous les photons en dehors de cette fenêtre ne sont donc pas comptabilisés dans le taux de photons diffusés et de pénétration septale. Nous avons aussi appliqué un digitizer pour lequel la résolution en énergie du détecteur est 8 % à 140.5 keV.
Le format de sortie de toutes ces simulations GATE est ROOT. Pour chacun des photons détectés, les informations sur la pénétration septale et la diffusion des photons, Compton et Rayleigh, est accessible. On montrera la part de chacun de ces effets physiques, ainsi que le spectre en énergie et l’image 2D correspondante.
4.4.3 Validation du module multi-CPU/GPU
Notre méthode de simulation multi-CPU/GPU ignore tous les effets physiques dans le collimateur (pénétration septale, génération de photons X secondaires et diffusion Compton et Rayleigh).
(a) (b) (c)
(d) (e) (f)
(g) (h) (i)
Figure 4.10 – Quelques vues des différents collimateurs simulés dans GATE. Le collimateur parallèle : (a) vue de côté, (b) vue de face et (c) vue en perspective. Le collimateur monofocal convergent : (d) vue de côté, (e) vue de face et (f) vue en perspective. Le collimateur SVF-CB : (g) vue de côté, (h) vue de face et (i) vue en perspective. Le détecteur est en rouge et les trous en jaune.
Pour vérifier que la contribution de ces effets est négligeable à 140 keV, pour chacun des collimateurs étudiés (parallèle, monofocal convergent, et SVF-CB), nous avons réalisé deux séries de simulations :
1. La première série de simulations a été faite avec GATE classique. Nous avons simulé un point source sans dimension au centre du champ de vue. L’activité du point source était 5 MBq pour un temps de pose de 1 s, et nous avons simulé
480 projections, sans tourner, ce qui revient à simuler ∼ 2,4×109 photons.
Les 480 projections sont ensuite sommées pour augmenter la statistique de comptage. L’énergie du point source est 140,5 keV et nous ne prenons pas en compte la décroissance radioactive. Pour ces simulations, nous avons activé le module de fluorescence dans GATE.
2. Ensuite, nous avons simulé le même point source avec le module multi- CPU/GPU. Dans ce cas, l’activité du point source était de 20 MBq pour un temps de pose de 1 s, et nous avons simulé 120 projections, sans tourner,
ce qui revient aussi à générer ∼ 2,4×109 photons. Comme précédemment la
décroissance radioactive n’est pas prise en compte.
Nous avons comparé les taux de comptage de ces deux simulations. Nous avons produit une carte des photons diffusés provenant du collimateur quand nous avons réalisé nos simulations GATE classique, et nous avons également produit une carte de la pénétration septale. Dans tous les cas, nous avons appliqué un seuil en énergie sur toutes les mesures. Seuls les photons qui ont déposé une énergie entre 133 et 147 keV sont enregistrés.
Afin de visualiser correctement les résultats, nous avons sur-pixélisé les éléments du détecteur, pour faire ressortir les zones mortes dues aux septa du collimateur. Toutes les projections seront représentées sur une image 2D zoomées sur le point source projeté avec des pixels de 75 microns. Quant aux profils, ils sont tracés dans le plan transaxial central du détecteur sur une épaisseur d’un pixel (750 microns).
4.4.4 Performance du module multi-CPU/GPU
Nous avons réalisé une série de simulations afin d’évaluer le gain en temps de calcul entre une simulation réalisé avec GATE classique et une simulation réalisée avec le module multi-CPU/GPU. Le protocole de simulation est le même pour chaque collimateur. Nous avons simulé un point source centré dans le champ de vue. Ce point source avait une activité de 20 MBq à 140,5 keV et un temps de pose de 1 s. Nous avons réalisé seulement une projection. La décroissance radioactive n’est pas prise en compte.
Pour chacun des trois collimateurs, nous avons réalisé la simulation avec GATE classique, puis avec GATE en activant le module multi-CPU seulement et enfin avec GATE avec le module GPU seulement. Nous comparerons les temps de calcul pour chacune des méthodes ainsi que le taux de comptage. Afin de pouvoir comparer les simulations, le germe du générateur de nombres aléatoires est le même pour toutes les simulations. Les caractéristiques du CPU ainsi que du GPU sur lesquels nous avons fait les simulations sont les suivantes :
– CPU : le processeur est un Intel(R) Core(TM) i7 X 980 cadencé à 3,33 GHz, composé de 6 coeurs de calculs et 12 "threads", et les calculs sont réalisés sur une architecture 64 bits.
– GPU : la carte graphique est une NVIDIA GTX 480 composée de 480 coeurs CUDA.
Les simulations avec le module multi-CPU ont été réalisées seulement sur 1 seul "thread".
4.4.5 Sensibilité
La sensibilité d’un système TEMP évalue avec quelle efficacité une zone du champ de vue peut être vue par le détecteur. La sensibilité est une caractéristique que l’on cherche à maximiser, tout en ne perdant pas en résolution spatiale. Nous avons évalué la sensibilité de chacun des collimateurs étudiés.
Pour cela, nous avons réalisé une série de simulations avec GATE en utilisant le module multi-CPU/GPU. Nous avons simulé un point source, sans dimension, d’une activité de 20 MBq à 140,5 keV avec un temps de pose de 1 s pour chaque projection.
Nous avons simulé une seule projection ce qui correspond à ∼ 20×106 particules
simulées. La décroissance radioative n’est pas prise en compte. Comme sur la figure 4.11, le point source balaie différentes régions de l’espace dans le champ de vue, et pour chaque position, nous évaluons la sensibilité, que nous définissons par :
Sensibilité = Nombre de particules détectées
Nombre de particules émises ×100 %