Convex analysis for minimizing and learning submodular set functions

The connections between convexity and submodularity are explored, for purposes of minimizing and learning submodular set functions.

First, we develop a novel method for minimizing a particular class of submodular functions, which can be expressed as a sum of concave functions composed with modular functions. The basic algorithm uses an accelerated first order method applied to a smoothed version of its convex extension. The smoothing algorithm is particularly novel as it allows us to treat general concave potentials without needing to construct a piecewise linear approximation as with graph-based techniques.

Second, we derive the general conditions under which it is possible to find a minimizer of a submodular function via a convex problem. This provides a framework for developing submodular minimization algorithms. The framework is then used to develop several algorithms that can be run in a distributed fashion. This is particularly useful for applications where the submodular objective function consists of a sum of many terms, each term dependent on a small part of a large data set.

Lastly, we approach the problem of learning set functions from an unorthodox perspective---sparse reconstruction. We demonstrate an explicit connection between the problem of learning set functions from random evaluations and that of sparse signals. Based on the observation that the Fourier transform for set functions satisfies exactly the conditions needed for sparse reconstruction algorithms to work, we examine some different function classes under which uniform reconstruction is possible.

Instability of solution of phase retrieval in direct diffraction phase-contrast imaging with partially coherent X-ray source

The theoretical model of direct diffraction phase-contrast imaging with partially coherent x-ray source is expressed by an operator of multiple integral. It is presented that the integral operator is linear. The problem of its phase retrieval is described by solving an operator equation of multiple integral. It is demonstrated that the solution of the phase retrieval is unstable. The numerical simulation is performed and the result validates that the solution of the phase retrieval is unstable.

Compressive video sensors using multichannel imagers.

We explore the possibilities of obtaining compression in video through modified sampling strategies using multichannel imaging systems. The redundancies in video streams are exploited through compressive sampling schemes to achieve low power and low complexity video sensors. The sampling strategies as well as the associated reconstruction algorithms are discussed. These compressive sampling schemes could be implemented in the focal plane readout hardware resulting in drastic reduction in data bandwidth and computational complexity.

Les algorithmes de haute résolution en tomographie d'émission par positrons : développement et accélération sur les cartes graphiques

La tomographie d’émission par positrons (TEP) est une modalité d’imagerie moléculaire utilisant des radiotraceurs marqués par des isotopes émetteurs de positrons permettant de quantifier et de sonder des processus biologiques et physiologiques. Cette modalité est surtout utilisée actuellement en oncologie, mais elle est aussi utilisée de plus en plus en cardiologie, en neurologie et en pharmacologie. En fait, c’est une modalité qui est intrinsèquement capable d’offrir avec une meilleure sensibilité des informations fonctionnelles sur le métabolisme cellulaire. Les limites de cette modalité sont surtout la faible résolution spatiale et le manque d’exactitude de la quantification. Par ailleurs, afin de dépasser ces limites qui constituent un obstacle pour élargir le champ des applications cliniques de la TEP, les nouveaux systèmes d’acquisition sont équipés d’un grand nombre de petits détecteurs ayant des meilleures performances de détection. La reconstruction de l’image se fait en utilisant les algorithmes stochastiques itératifs mieux adaptés aux acquisitions à faibles statistiques. De ce fait, le temps de reconstruction est devenu trop long pour une utilisation en milieu clinique. Ainsi, pour réduire ce temps, on les données d’acquisition sont compressées et des versions accélérées d’algorithmes stochastiques itératifs qui sont généralement moins exactes sont utilisées. Les performances améliorées par l’augmentation de nombre des détecteurs sont donc limitées par les contraintes de temps de calcul. Afin de sortir de cette boucle et permettre l’utilisation des algorithmes de reconstruction robustes, de nombreux travaux ont été effectués pour accélérer ces algorithmes sur les dispositifs GPU (Graphics Processing Units) de calcul haute performance. Dans ce travail, nous avons rejoint cet effort de la communauté scientifique pour développer et introduire en clinique l’utilisation des algorithmes de reconstruction puissants qui améliorent la résolution spatiale et l’exactitude de la quantification en TEP. Nous avons d’abord travaillé sur le développement des stratégies pour accélérer sur les dispositifs GPU la reconstruction des images TEP à partir des données d’acquisition en mode liste. En fait, le mode liste offre de nombreux avantages par rapport à la reconstruction à partir des sinogrammes, entre autres : il permet d’implanter facilement et avec précision la correction du mouvement et le temps de vol (TOF : Time-Of Flight) pour améliorer l’exactitude de la quantification. Il permet aussi d’utiliser les fonctions de bases spatio-temporelles pour effectuer la reconstruction 4D afin d’estimer les paramètres cinétiques des métabolismes avec exactitude. Cependant, d’une part, l’utilisation de ce mode est très limitée en clinique, et d’autre part, il est surtout utilisé pour estimer la valeur normalisée de captation SUV qui est une grandeur semi-quantitative limitant le caractère fonctionnel de la TEP. Nos contributions sont les suivantes : - Le développement d’une nouvelle stratégie visant à accélérer sur les dispositifs GPU l’algorithme 3D LM-OSEM (List Mode Ordered-Subset Expectation-Maximization), y compris le calcul de la matrice de sensibilité intégrant les facteurs d’atténuation du patient et les coefficients de normalisation des détecteurs. Le temps de calcul obtenu est non seulement compatible avec une utilisation clinique des algorithmes 3D LM-OSEM, mais il permet également d’envisager des reconstructions rapides pour les applications TEP avancées telles que les études dynamiques en temps réel et des reconstructions d’images paramétriques à partir des données d’acquisitions directement. - Le développement et l’implantation sur GPU de l’approche Multigrilles/Multitrames pour accélérer l’algorithme LMEM (List-Mode Expectation-Maximization). L’objectif est de développer une nouvelle stratégie pour accélérer l’algorithme de référence LMEM qui est un algorithme convergent et puissant, mais qui a l’inconvénient de converger très lentement. Les résultats obtenus permettent d’entrevoir des reconstructions en temps quasi-réel que ce soit pour les examens utilisant un grand nombre de données d’acquisition aussi bien que pour les acquisitions dynamiques synchronisées. Par ailleurs, en clinique, la quantification est souvent faite à partir de données d’acquisition en sinogrammes généralement compressés. Mais des travaux antérieurs ont montré que cette approche pour accélérer la reconstruction diminue l’exactitude de la quantification et dégrade la résolution spatiale. Pour cette raison, nous avons parallélisé et implémenté sur GPU l’algorithme AW-LOR-OSEM (Attenuation-Weighted Line-of-Response-OSEM) ; une version de l’algorithme 3D OSEM qui effectue la reconstruction à partir de sinogrammes sans compression de données en intégrant les corrections de l’atténuation et de la normalisation dans les matrices de sensibilité. Nous avons comparé deux approches d’implantation : dans la première, la matrice système (MS) est calculée en temps réel au cours de la reconstruction, tandis que la seconde implantation utilise une MS pré- calculée avec une meilleure exactitude. Les résultats montrent que la première implantation offre une efficacité de calcul environ deux fois meilleure que celle obtenue dans la deuxième implantation. Les temps de reconstruction rapportés sont compatibles avec une utilisation clinique de ces deux stratégies.

Missing transverse energy performance of the CMS detector

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Análise da viabilidade de simulações com feixes de prótons de 100, 150, 200 e 250 MeV em alvos heterogêneos

In the recent years, the use of proton beams in radiotherapy has been an outstanding progress (SMITH, 2006). Up to now, computed tomography (CT) is a prerequisite for treatment planning in this kind of therapy because it provides the electron density distribution required for calculation of dose and the interval of doses. However, the use of CT images for proton treatment planning ignores fundamental differences in physical interaction processes between photons and protons and is, therefore, potentially inaccurate (SADROZINSKI, 2004). Proton CT (pCT) can in principle directly measure the density distribution needed in a patient for the dose distribution (SCHULTE, et al, 2004). One important problem that should be solved is the implementation of image reconstruction algorithms. In this sense, it is necessary to know how the presence of materials with different density and composition interfere in the energy deposition by ionization and coulomb excitation, during its trajectory. The study was conducted in two stages, was used in both the program SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter) to perform simulations of the interaction of proton beams with pencil beam type. In the first step we used the energies in the range of 100-250 MeV (ZIEGLER, 1999). The targets were set to 50 mm in length for the beam of 100 MeV, due to its interaction with the target, and short-range, and 70 mm for 150, 200 and 250 MeV The target was composed of liquid water and a layer of 6 mm cortical bone (ICRP). It were made 9 simulations varying the position of the heterogeneity of 5 mm. In the second step the energy of 250 MeV was taken out from the simulations, due to its greater energy and less interaction. The targets were diminished to 50 mm thick to standardize the simulations. The layer of bone was divided into two equal parts and both were put in the ends of the target... (Complete abstract click electronic access below)

Measurement of top quark pairs production cross-section in the semi-leptonic channel with the ATLAS experiment

This thesis is about three major aspects of the identification of top quarks. First comes the understanding of their production mechanism, their decay channels and how to translate theoretical formulae into programs that can simulate such physical processes using Monte Carlo techniques. In particular, the author has been involved in the introduction of the POWHEG generator in the framework of the ATLAS experiment. POWHEG is now fully used as the benchmark program for the simulation of ttbar pairs production and decay, along with MC@NLO and AcerMC: this will be shown in chapter one. The second chapter illustrates the ATLAS detectors and its sub-units, such as calorimeters and muon chambers. It is very important to evaluate their efficiency in order to fully understand what happens during the passage of radiation through the detector and to use this knowledge in the calculation of final quantities such as the ttbar production cross section. The last part of this thesis concerns the evaluation of this quantity deploying the so-called "golden channel" of ttbar decays, yielding one energetic charged lepton, four particle jets and a relevant quantity of missing transverse energy due to the neutrino. The most important systematic errors arising from the various part of the calculation are studied in detail. Jet energy scale, trigger efficiency, Monte Carlo models, reconstruction algorithms and luminosity measurement are examples of what can contribute to the uncertainty about the cross-section.

Die Faktorisierungsmethode für die elektrische Impedanztomographie im Halbraum

In der vorliegenden Arbeit wird die Faktorisierungsmethode zur Erkennung von Inhomogenitäten der Leitfähigkeit in der elektrischen Impedanztomographie auf unbeschränkten Gebieten - speziell der Halbebene bzw. dem Halbraum - untersucht. Als Lösungsräume für das direkte Problem, d.h. die Bestimmung des elektrischen Potentials zu vorgegebener Leitfähigkeit und zu vorgegebenem Randstrom, führen wir gewichtete Sobolev-Räume ein. In diesen wird die Existenz von schwachen Lösungen des direkten Problems gezeigt und die Gültigkeit einer Integraldarstellung für die Lösung der Laplace-Gleichung, die man bei homogener Leitfähigkeit erhält, bewiesen. Mittels der Faktorisierungsmethode geben wir eine explizite Charakterisierung von Einschlüssen an, die gegenüber dem Hintergrund eine sprunghaft erhöhte oder erniedrigte Leitfähigkeit haben. Damit ist zugleich für diese Klasse von Leitfähigkeiten die eindeutige Rekonstruierbarkeit der Einschlüsse bei Kenntnis der lokalen Neumann-Dirichlet-Abbildung gezeigt. Die mittels der Faktorisierungsmethode erhaltene Charakterisierung der Einschlüsse haben wir in ein numerisches Verfahren umgesetzt und sowohl im zwei- als auch im dreidimensionalen Fall mit simulierten, teilweise gestörten Daten getestet. Im Gegensatz zu anderen bekannten Rekonstruktionsverfahren benötigt das hier vorgestellte keine Vorabinformation über Anzahl und Form der Einschlüsse und hat als nicht-iteratives Verfahren einen vergleichsweise geringen Rechenaufwand.

Entwicklung und Tests von Algorithmen für die Impedanztomographie

Die Elektrische Impedanztomographie soll als kostengünstige und nebenwirkungsfreie Tomographiemethode in der medizinischen Diagnostik, z. B. in der Mammographie dienen. Mit der EIT läßt sich Krebsgewebe von gesundem Gewebe unterscheiden, da es eine signifikant erhöhte Leitfähigkeit aufweist. Damit kann die EIT als Ergänzung zu den klassischen Diagnoseverfahren dienen. So ist z.B. bei jungen Frauen mit einem dichteren Fettgewebe die Identifizierung eines Mammakarzinoms mit der Röntgentomographie nicht immer möglich. Ziel dieser Arbeit war es, einen Prototypen für die Impedanztomographie zu entwickeln und mögliche Anwendungen zu testen. Der Tomograph ist in Zusammenarbeit mit Dr. K.H.Georgi gebaut worden. Der Tomograph erlaubt es niederohmige, Wechselströme an Elektroden auf der Körperoberfläche einzuspeisen. Die Potentiale können an diesen Elektroden programmierbar vorgegeben werden. Weitere hochohmige Elektroden dienen zur Potentialmessung. Um den Hautwiderstand zu überbrücken, werden Wechselstromfrequenzen von 20-100 kHz eingesetzt. Mit der Möglichkeit der Messung von Strom und Potential auf unterschiedlichen Elektroden kann man das Problem des nur ungenau bekannten Hautwiderstandes umgehen. Prinzipiell ist es mit dem Mainzer EIT System möglich, 100 Messungen in der Sekunde durchzuführen. Auf der Basis von mit dem Mainzer EIT gewonnenen Daten sollten unterschiedliche Rekonstruktionsalgorithmen getestet und weiterentwickelt werden. In der Vergangenheit sind verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen für das mathematisch schlecht gestellte EIT Problem betrachtet worden. Sie beruhen im Wesentlichen auf zwei Strategien: Die Linearisierung und iterative Lösung des Problems und Gebietserkennungsmethoden. Die iterativen Verfahren wurden von mir dahingehend modifiziert, dass Leitfähigkeitserhöhungen und Leitfähigkeitserniedrigungen gleichberechtigt behandelt werden können. Für den modifizierten Algorithmus wurden zwei verschiedene Rekonstruktionsalgorithmen programmiert und mit synthetischen Daten getestet. Zum einen die Rekonstruktion über die approximative Inverse, zum anderen eine Rekonstruktion mit einer Diskretisierung. Speziell für die Rekonstruktion mittels Diskretisierung wurde eine Methode entwickelt, mit der zusätzliche Informationen in der Rekonstruktion berücksichtigt werden können, was zu einer Verbesserung der Rekonstruktion beiträgt. Der Gebietserkennungsalgorithmus kann diese Zusatzinformationen liefern. In der Arbeit wurde ein neueres Verfahren für die Gebietserkennung derart modifiziert, dass eine Rekonstruktion auch für getrennte Strom- und Spannungselektroden möglich wurde. Mit Hilfe von Differenzdaten lassen sich ausgezeichnete Rekonstruktionen erzielen. Für die medizinischen Anwendungen sind aber Absolutmessungen nötig, d.h. ohne Leermessung. Der erwartende Effekt einer Inhomogenität in der Leitfähigkeit ist sehr klein und als Differenz zweier grosser Zahlen sehr schwierig zu bestimmen. Die entwickelten Algorithmen kommen auch gut mit Absolutdaten zurecht.

Ein inverses Rückstreuproblem der elektrischen Impedanztomographie

Die vorliegende Arbeit untersucht das inverse Hindernisproblem der zweidimensionalen elektrischen Impedanztomographie (EIT) mit Rückstreudaten. Wir präsentieren und analysieren das mathematische Modell für Rückstreudaten, diskutieren das inverse Problem für einen einzelnen isolierenden oder perfekt leitenden Einschluss und stellen zwei Rekonstruktionsverfahren für das inverse Hindernisproblem mit Rückstreudaten vor. Ziel des inversen Hindernisproblems der EIT ist es, Inhomogenitäten (sogenannte Einschlüsse) der elektrischen Leitfähigkeit eines Körpers aus Strom-Spannungs-Messungen an der Körperoberfläche zu identifizieren. Für die Messung von Rückstreudaten ist dafür nur ein Paar aus an der Körperoberfläche nahe zueinander angebrachten Elektroden nötig, das zur Datenerfassung auf der Oberfläche entlang bewegt wird. Wir stellen ein mathematisches Modell für Rückstreudaten vor und zeigen, dass Rückstreudaten die Randwerte einer außerhalb der Einschlüsse holomorphen Funktion sind. Auf dieser Grundlage entwickeln wir das Konzept des konvexen Rückstreuträgers: Der konvexe Rückstreuträger ist eine Teilmenge der konvexen Hülle der Einschlüsse und kann daher zu deren Auffindung dienen. Wir stellen einen Algorithmus zur Berechnung des konvexen Rückstreuträgers vor und demonstrieren ihn an numerischen Beispielen. Ferner zeigen wir, dass ein einzelner isolierender Einschluss anhand seiner Rückstreudaten eindeutig identifizierbar ist. Der Beweis dazu beruht auf dem Riemann'schen Abbildungssatz für zweifach zusammenhängende Gebiete und dient als Grundlage für einen Rekonstruktionsalgorithmus, dessen Leistungsfähigkeit wir an verschiedenen Beispielen demonstrieren. Ein perfekt leitender Einschluss ist hingegen nicht immer aus seinen Rückstreudaten rekonstruierbar. Wir diskutieren, in welchen Fällen die eindeutige Identifizierung fehlschlägt und zeigen Beispiele für unterschiedliche perfekt leitende Einschlüsse mit gleichen Rückstreudaten.

Study of 3 Lambda H and 4 Lambda H in the reaction of 6 Li + 12 C at 2 A GeV

Die Produktion von Hyperkernen wurde in peripheren Schwerionenreaktionen untersucht, bei denen eine Kohlenstofffolie mit $^6$Li Projektilen mit einer Strahlenergie von $2 A$~GeV bestrahlt wurde. Es konnten klare Signale f{"{u}}r $Lambda$, $^3_{Lambda}$H, $^4_{Lambda}$H in deren jeweiligen invarianten Massenverteilungen aus Mesonenzerfall beobachtet werden.rnrnIn dieser Arbeit wird eine unabh{"{a}}ngige Datenauswertung vorgelegt, die eine Verifizierung fr"{u}herer Ergebnisse der HypHI Kollaboration zum Ziel hatte. Zu diesem Zweck wurde eine neue Track-Rekonstruktion, basierend auf einem Kalman-Filter-Ansatz, und zwei unterschiedliche Algorithmen zur Rekonstruktion sekund"{a}rer Vertices entwickelt.rn%-Rekonstruktionsalgorithmen .rnrnDie invarianten Massen des $Lambda$-Hyperon und der $^3_{Lambda}$H- und $^4_{Lambda}$H-Hyperkerne wurden mit $1109.6 pm 0.4$, $2981.0 pm 0.3$ und $3898.1 pm 0.7$~MeV$/c^2$ und statistischen Signifikanzen von $9.8sigma$, $12.8sigma$ beziehungsweise $7.3sigma$ bestimmt. Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse stimmen mit der fr{"{u}}heren Auswertung {"{u}}berein.rnrnDas Ausbeutenverh{"{a}}ltnis der beiden Hyperkerne wurde als $N(^3_{Lambda}$H)/$N(^4_{Lambda}$H)$ sim 3$ bestimmt. Das deutet darauf hin, dass der Produktionsmechanismus f{"{u}}r Hyperkerne in Schwerionen-induzierten Reaktionen im Projektil-Rapidit{"{a}}tsbereich nicht allein durch einen Koaleszenzmechanismus beschrieben werden kann, sondern dass auch sekund{"{a}}re Pion-/Kaon-induzierte Reaktionen und Fermi-Aufbruch involviert sind.rn

Transconvolution and the virtual positron emission tomograph--a new method for cross calibration in quantitative PET∕CT imaging

PURPOSE Positron emission tomography (PET)∕computed tomography (CT) measurements on small lesions are impaired by the partial volume effect, which is intrinsically tied to the point spread function of the actual imaging system, including the reconstruction algorithms. The variability resulting from different point spread functions hinders the assessment of quantitative measurements in clinical routine and especially degrades comparability within multicenter trials. To improve quantitative comparability there is a need for methods to match different PET∕CT systems through elimination of this systemic variability. Consequently, a new method was developed and tested that transforms the image of an object as produced by one tomograph to another image of the same object as it would have been seen by a different tomograph. The proposed new method, termed Transconvolution, compensates for differing imaging properties of different tomographs and particularly aims at quantitative comparability of PET∕CT in the context of multicenter trials. METHODS To solve the problem of image normalization, the theory of Transconvolution was mathematically established together with new methods to handle point spread functions of different PET∕CT systems. Knowing the point spread functions of two different imaging systems allows determining a Transconvolution function to convert one image into the other. This function is calculated by convolving one point spread function with the inverse of the other point spread function which, when adhering to certain boundary conditions such as the use of linear acquisition and image reconstruction methods, is a numerically accessible operation. For reliable measurement of such point spread functions characterizing different PET∕CT systems, a dedicated solid-state phantom incorporating (68)Ge∕(68)Ga filled spheres was developed. To iteratively determine and represent such point spread functions, exponential density functions in combination with a Gaussian distribution were introduced. Furthermore, simulation of a virtual PET system provided a standard imaging system with clearly defined properties to which the real PET systems were to be matched. A Hann window served as the modulation transfer function for the virtual PET. The Hann's apodization properties suppressed high spatial frequencies above a certain critical frequency, thereby fulfilling the above-mentioned boundary conditions. The determined point spread functions were subsequently used by the novel Transconvolution algorithm to match different PET∕CT systems onto the virtual PET system. Finally, the theoretically elaborated Transconvolution method was validated transforming phantom images acquired on two different PET systems to nearly identical data sets, as they would be imaged by the virtual PET system. RESULTS The proposed Transconvolution method matched different PET∕CT-systems for an improved and reproducible determination of a normalized activity concentration. The highest difference in measured activity concentration between the two different PET systems of 18.2% was found in spheres of 2 ml volume. Transconvolution reduced this difference down to 1.6%. In addition to reestablishing comparability the new method with its parameterization of point spread functions allowed a full characterization of imaging properties of the examined tomographs. CONCLUSIONS By matching different tomographs to a virtual standardized imaging system, Transconvolution opens a new comprehensive method for cross calibration in quantitative PET imaging. The use of a virtual PET system restores comparability between data sets from different PET systems by exerting a common, reproducible, and defined partial volume effect.

Lung Nodule Detection by Microdose CT Versus Chest Radiography (Standard and Dual-Energy Subtracted).

OBJECTIVE The purpose of this study was to investigate the feasibility of microdose CT using a comparable dose as for conventional chest radiographs in two planes including dual-energy subtraction for lung nodule assessment. MATERIALS AND METHODS We investigated 65 chest phantoms with 141 lung nodules, using an anthropomorphic chest phantom with artificial lung nodules. Microdose CT parameters were 80 kV and 6 mAs, with pitch of 2.2. Iterative reconstruction algorithms and an integrated circuit detector system (Stellar, Siemens Healthcare) were applied for maximum dose reduction. Maximum intensity projections (MIPs) were reconstructed. Chest radiographs were acquired in two projections with bone suppression. Four blinded radiologists interpreted the images in random order. RESULTS A soft-tissue CT kernel (I30f) delivered better sensitivities in a pilot study than a hard kernel (I70f), with respective mean (SD) sensitivities of 91.1% ± 2.2% versus 85.6% ± 5.6% (p = 0.041). Nodule size was measured accurately for all kernels. Mean clustered nodule sensitivity with chest radiography was 45.7% ± 8.1% (with bone suppression, 46.1% ± 8%; p = 0.94); for microdose CT, nodule sensitivity was 83.6% ± 9% without MIP (with additional MIP, 92.5% ± 6%; p < 10(-3)). Individual sensitivities of microdose CT for readers 1, 2, 3, and 4 were 84.3%, 90.7%, 68.6%, and 45.0%, respectively. Sensitivities with chest radiography for readers 1, 2, 3, and 4 were 42.9%, 58.6%, 36.4%, and 90.7%, respectively. In the per-phantom analysis, respective sensitivities of microdose CT versus chest radiography were 96.2% and 75% (p < 10(-6)). The effective dose for chest radiography including dual-energy subtraction was 0.242 mSv; for microdose CT, the applied dose was 0.1323 mSv. CONCLUSION Microdose CT is better than the combination of chest radiography and dual-energy subtraction for the detection of solid nodules between 5 and 12 mm at a lower dose level of 0.13 mSv. Soft-tissue kernels allow better sensitivities. These preliminary results indicate that microdose CT has the potential to replace conventional chest radiography for lung nodule detection.

Design and Optimization of Four-dimensional Cone-beam Computed Tomography in Image-guided Radiation Therapy

The influence of respiratory motion on patient anatomy poses a challenge to accurate radiation therapy, especially in lung cancer treatment. Modern radiation therapy planning uses models of tumor respiratory motion to account for target motion in targeting. The tumor motion model can be verified on a per-treatment session basis with four-dimensional cone-beam computed tomography (4D-CBCT), which acquires an image set of the dynamic target throughout the respiratory cycle during the therapy session. 4D-CBCT is undersampled if the scan time is too short. However, short scan time is desirable in clinical practice to reduce patient setup time. This dissertation presents the design and optimization of 4D-CBCT to reduce the impact of undersampling artifacts with short scan times. This work measures the impact of undersampling artifacts on the accuracy of target motion measurement under different sampling conditions and for various object sizes and motions. The results provide a minimum scan time such that the target tracking error is less than a specified tolerance. This work also presents new image reconstruction algorithms for reducing undersampling artifacts in undersampled datasets by taking advantage of the assumption that the relevant motion of interest is contained within a volume-of-interest (VOI). It is shown that the VOI-based reconstruction provides more accurate image intensity than standard reconstruction. The VOI-based reconstruction produced 43% fewer least-squares error inside the VOI and 84% fewer error throughout the image in a study designed to simulate target motion. The VOI-based reconstruction approach can reduce acquisition time and improve image quality in 4D-CBCT.

Análise da dinâmica e quantificação metabólica de imagens de medicina nuclear na modalidade PET/CT.

A presença da Medicina Nuclear como modalidade de obtenção de imagens médicas é um dos principais procedimentos utilizados hoje nos centros de saúde, tendo como grande vantagem a capacidade de analisar o comportamento metabólico do paciente, traduzindo-se em diagnósticos precoces. Entretanto, sabe-se que a quantificação em Medicina Nuclear é dificultada por diversos fatores, entre os quais estão a correção de atenuação, espalhamento, algoritmos de reconstrução e modelos assumidos. Neste contexto, o principal objetivo deste projeto foi melhorar a acurácia e a precisão na análise de imagens de PET/CT via processos realísticos e bem controlados. Para esse fim, foi proposta a elaboração de uma estrutura modular, a qual está composta por um conjunto de passos consecutivamente interligados começando com a simulação de phantoms antropomórficos 3D para posteriormente gerar as projeções realísticas PET/CT usando a plataforma GATE (com simulação de Monte Carlo), em seguida é aplicada uma etapa de reconstrução de imagens 3D, na sequência as imagens são filtradas (por meio do filtro de Anscombe/Wiener para a redução de ruído Poisson caraterístico deste tipo de imagens) e, segmentadas (baseados na teoria Fuzzy Connectedness). Uma vez definida a região de interesse (ROI) foram produzidas as Curvas de Atividade de Entrada e Resultante requeridas no processo de análise da dinâmica de compartimentos com o qual foi obtida a quantificação do metabolismo do órgão ou estrutura de estudo. Finalmente, de uma maneira semelhante imagens PET/CT reais fornecidas pelo Instituto do Coração (InCor) do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (HC-FMUSP) foram analisadas. Portanto, concluiu-se que a etapa de filtragem tridimensional usando o filtro Anscombe/Wiener foi relevante e de alto impacto no processo de quantificação metabólica e em outras etapas importantes do projeto em geral.