CHAPITRE LA TOMOGRAPHIE MEDICALE

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1 CHAPITRE LA TOMOGRAPHIE MEDICALE Dans ce chapitre, nous allons aborder en bref l histoire et l évolution de la Tomographie dans son développement depuis des années Depuis la découverte du rayonnement X par le physicien allemand Wilhelm Conrad Rontgen en 1895, la technologie de la Tomographie a fait une évolution merveilleuse dans le domaine d Imagerie médicale. Ensuite, nous présentons les matériels et ainsi les logiciels du système d imagerie médicale les plus modernes comme : la radiographie à rayon X numérique, le CT scanner et IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). Nous présentons leurs fonctions, les images générées par ces machines, le modèle de technique utilisé... Une petite légende autour de la transformation de Radon est ainsi présentée dans ce chapitre.

2 8 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE 1. Introduction La Tomographie assistée par ordinateur (TAO) 1 ou Tomodensitométrie (TDM) en médecine est une technique d acquisition et d analyse d images médicales numériques. Dans cette technique, un ordinateur collecte un grand nombre de données (valeurs d atténuation), sur une région déterminée de l organisme, ce qui permet d évaluer les relations spatiales des structures absorbantes les rayons X à l intérieur de celle-ci. Avec l aide d un programme informatique, il est possible d améliorer la qualité de l image obtenue, d identifier les structures internes, de quantifier les variations de densité, de localiser la présence de défauts. Un système de l imagerie médicale fournit ainsi une présentation virtuelle de la réalité comme : reformation en 3D, simulation de la diffusion et de la perfusion du poumon, observation du rythme du cœur Le mot Tomographie est l origine d un mot du grec : «tomos» = tranche. C est une technique qui utilise des rayonnements pénétrants comme les rayonnements X, gamma ou certaines ondes électromagnétiques ou acoustiques (comme ultrasonore d échographie). Par combinaison d un ensemble de mesures et grâce à des calculs mathématiques de la reconstruction, la Tomographie permet de voir sur l écran l organisme intérieur du corps humain, selon un ou plusieurs plans de coupe. Alors qu auparavant on y avait accès soit par l imagination, en interprétant les mesures du sang ou d urine, ou soit par l observation, en découpant matériellement les objets. Dans le cas d imagerie médicale, une observation directe nécessite une intervention chirurgicale. Avec la Tomographie, on a un outil formidable pour découvrir sans détruire les structures du corps, leur organisation et leur fonction dans l espace et dans le temps. L utilisateur pourra alors bénéficier de l assistance des logiciels de traitement, d analyse et de visualisation des images numériques. Au cours des 30 dernières années, les développements dans les techniques d imagerie médicale ont conduit à des changements révolutionnaires dans la pratique de la médecine. L imagerie est, en effet, au cœur du processus de diagnostic, en facilitant notamment un diagnostic précoce, mais elle est également importante pour l établissement et le suivi du traitement. Elle constitue, en outre, un outil pour la recherche tant clinique que fondamentale. Au fil du temps, l imagerie médicale est devenue un travail d équipe. Un système d imagerie médicale rassemble plusieurs composants technologiques. Son développement 1 Computed Tomography (CT)

3 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 9 requiert la participation des utilisateurs finaux comme les médecins, les physiciens, les biologistes pour spécifier les besoins ; les ingénieurs, les chercheurs, les informaticiens pour mettre au point les nouvelles techniques et enfin les entreprises industrielles pour réaliser et commercialiser ces systèmes. Aujourd hui, il existe plusieurs types de système d imagerie médicale et leurs applications dépendent de la spécialité du traitement de maladie ou de fonction de l organisme du corps ou du besoin des médecins. Dans ce mémoire, nous voulons proposer un modèle de classification de ces systèmes. Initialement, ce sont des systèmes de l imagerie médicale morphologique comme la Tomographie X médicale (ou CT scanner), l Imagerie par Magnétique Résonance (IRM). Dans la deuxième branche, ce sont des systèmes de l imagerie médicale fonctionnelle comme la gamma-caméra (SPECT 1 ), la Tomographie par émission de positons (TEP), la Tomographie cérébrale par NMR 2 Dans ce chapitre, nous allons étudier trois exemplaires, du plus simple au plus complexe, du plus ancien au plus récent, du système d imagerie médicale : la Radiographie à rayon X, la Tomographie X médicale (ou CT scanner) et l Imagerie par Magnétique Résonance (IRM). 2. La Radiographie à rayon X 2.1. Introduction La radiographie à rayon X a vu le jour grâce à la découverte des rayons X par le physicien allemand Wilhelm Conrad Ronghen en novembre 1895 (Ronghen a reçu le premier prix Nobel de physique pour ses travaux). Cette découverte fut, en effet, très rapidement suivie par la première application clinique qui eut lieu dès janvier En 1913, Coolidge inventa le tube générateur de rayon X, ce qui conduit au rapide développement de la radiographie par rayon X avec utilisation de plaques photographiques. Cette technique est très utile pour visualiser les structures osseuses et les masses anormalement denses qui absorbent particulièrement les rayons X (Fig. 2-1). Cependant elle ne fournit qu une image en projection et ne permet donc pas la visualisation en profondeur dans la direction d observation. 1 SPECT : Single Photo Emission Computed Tomography 2 NMR : Nuclear Magnetic Resonance

4 10 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Figure 2-1 Radiographie du crâne (Microsoft Encyclopédie Encarta 2002). Aujourd hui, la Radiographie à rayon X traditionnelle a fait une évolution avec la digitalisée de l image d acquisition. Cette méthode permet de manipuler et de sauvegarder plus facilement les images dans des équipements informatiques comme le disque magnétique ou le disque optique. Cependant, la Radiographie à rayon X traditionnelle a dominé plus de 70% de département de radiologie du monde entier [Merrill1999] et joue un rôle important dans la qualité des soins médicaux depuis plus de 100 ans Principe de la technique Le corps humain est de lui-même assez peu efficace comme composante active de l imagerie. Ses émissions naturelles, telles que les infrarouges, les potentiels électriques de surface ou l énergie acoustique liée au mouvement de l air dans les poumons, sont trop faibles pour pouvoir en tirer des images des structures internes. Il faut donc recourir à des sondes externes ou à des émissions internes artificielles. Par cette raison la radiographie utilise des ondes courtes entre Hz Hz (environ 3x10-10 m), notamment le rayonnement X. Les propriétés principales de rayon X sont : Les rayons X sont absorbés par la matière; leur absorption est fonction de la masse atomique des atomes absorbants. Les rayons X sont diffusés par la matière; c'est le rayonnement secondaire ou rayonnement de fluorescence. Les rayons X impressionnent la plaque photographique. Les rayons X déchargent les corps chargés électriquement. La technique d imagerie par Radiographie à rayon X est basée sur la physique des interactions entre l énergie (la sonde) et la matière (le tissu biologique qu on veut

5 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 11 imager). On utilise une source d émission de rayon X, un système de collimation et un récepteur pour enregistrer des informations d atténuation d énergie (Fig. 2-2). Figure 2-2 Un système de radiographie à rayon X conventionnelle. Figure 2-3 Ce diagramme illustre comment fonctionne t-il un système de la radiographie X Le tube d émission de rayon X se compose par la cathode et l anode (Fig. 2-4). Figure 2-4 Dispositif expérimental de production des rayons X. La cathode se constitue d un filament de tungstène qui est chauffé par un courant (de 40 à 140 kilovolts). Aux environs de 2500 o C, l échauffement du filament fait

6 12 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE naître un nuage d électrons. En faisant varier le courant dans le filament on contrôle le nombre d électrons émis par unité de temps dont dépend directement l émission de photons X [Monn2002]. L anode est la cible qui va arrêter le faisceau d électrons et produire des rayons X. Le rendement est déplorable, en effet 99% de l énergie est perdue sous forme de chaleur et seul 1% sert à la production de rayons X [Monn2002]. Le récepteur de l image est un film qui reçoit l énergie de rayon X et forme de l image du corps humain. Dans la radiographie diagnostique, il existe 3 types principaux des récepteurs de l image [Merrill1999] : La cassette avec le film : C est le film conventionnel d un système de radiographique depuis son premier jour au service. D abord, il faut avoir une chambre noire pour développer le cliché de ce type de film. En suite, on peut voir l image de ce film grâce à un illuminateur. La cassette avec le phosphore plaque : L image est «mémorisée» dans un phosphore plaque. Puis, un lecteur de la cassette va développer cette phosphore plaque pour obtenir de l image. Cette technique n exige pas une chambre noire et le temps pour développer un film et plus rapide. De plus, l image peut transformer au format numérique pour transférer à l ordinateur et présenter à l écran d un moniteur. L écran de fluoroscopique : Le rayon X frappe directement sur un écran de fluoroscopique où l image d une partie du corps a été formée. Et puis, l image est transmise à la télévision de manipulateur par une caméra. Le point fort de ce type est de permettre la manipulation de l image d acquisition en temps réel Un système de radiographie à rayon X numérique 1 La Radiographie à rayon X a été digitalisée pour bénéficier de la puissance et la rapidité de développement de technologie de l informatique. Tandis que la plupart des facteurs dans un système de Radiographie conventionnelle tels la machine de radiographie, les techniques de manipulation du patient ne changent pas beaucoup dans le nouveau système, la technique d acquisition de l image a été numérisée grâce à un phosphore plaque au lieu d un cliché traditionnel. On va observer ensuite le système Centricity SP 1001 fabriqué par GE Medical installant au FV Hôpital de Ho Chi Minh ville. 1 Computed Radiography (CR)

7 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 13 Ce système comprend 5 components principaux : une machine de radiographie, des cassettes, une lecture de la cassette, un système de console de traitement et un imprimeur du film laser Machine de radiographie Figure 2-5 Une machine de la radiographie numérique de GE Medical (Imagerie/FV Hôpital) Cette machine fonctionne comme un tube d émission du rayonnement X. En appliquant plusieurs nouvelles technologies et le matériel d émission, on a optimisé notamment la dose d irradiation dans un examen pour chaque patient. Les manipulateurs peuvent contrôler facilement l intensité (de 10 à 800 ma) et la différence potentielle d électrique (de 40 kv à 140 kv) pour déterminer essentiellement la qualité mais aussi la quantité du faisceau de rayon X. Elle permet ainsi des techniciens de localiser une région d intérêt ou de préparer la position du patient pour obtenir une bonne image. En effet, la machine de radiographie devient maintenant plus efficace et a moins d effets secondaires sur le corps humain Cassette avec le phosphore plaque Pareil au film conventionnel, la cassette sert à acquérir une partie de rayonnement X passant du patient. Cette cassette contient à l intérieur une couche qui s appelle le phosphore plaque ce qui joue un rôle très important pour former l image. L image plaque

8 14 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE est protégée grâce à une couverture en plastique (Fig. 2-6). La taille de la cassette varie de 15x30cm à 43x35cm d après une norme internationale en médecine. Figure 2-6 Une radiographie cassette avec le phosphore plaque changeable (Imagerie/FV Hôpital) L image phosphore plaque a une structure très complexe et se compose de plusieurs couches [Merrill1999 p.310] comme : couche de protection, couche de phosphore, couche de réflexion, couche de support et couche d identification (Fig. 2-7). Couche de protection Couche de phosphore BaFx : Cristal Eu 2+ Couche de réflexion Couche de support Couche en arrière Couche d identification Figure 2-7 La structure d une image phosphore plaque Le rayon X frappe directement à la couche de phosphore et conduite le cristal BaFx changer à nouvel semi-stable état. La distribution de ces cristaux forme une latente image. La couche de réflexion empêche les effets inattendus de la lumière ou du laser. Puis, la couche de support protège la couche de phosphore contre des chocs externes. Finalement, la couche d indentification fournit un mécanisme pour associer chaque image plaque avec des informations d un patient identique. Le phosphore plaque est flexible et très fin (environ 1mm). Il peut mémoriser la latente image pendant une certaine période de temps. Normalement, l image est gardée pendant 24 heures.

9 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION Lecture de la cassette La lecture de l image plaque est un autre component très important dans un système Radiographie à rayon X numérique. Elle transforme des informations continuos de latente image au format d image digitalisée. Cette dernière est transmise à l ordinateur grâce à l interface d une carte de réseau (Fig. 2-8). Figure 2-8 Cette lecture permet de développer une cassette à la taille de 15x30 cm à 43x35 cm en mois de 60 secondes et rapidement transmise à la console de traitement (Imagerie/FV Hôpital). L image obtenue est normalisée au format de DICOM 1. La spécification de ce format est le résultat de la coopération de National Electrical Manufacturers Association (NEMA) et de American College of Radiology (ACR). La version de DICOM 3 (fichier de la spécification 2003) supporte l image de très haute qualité : Riche en résolution : 8, 10, 12, 16 jusqu à 24 bits de l échelle de gris. Nouvelle technologie de compression de l image (JPEG, JPEG 2000). Ajustement en direct du niveau/largeur de la fenêtre. Spécification détaillée de l interface d échange et de réseau. Fonction de stockage et d imprimante Console de traitement et d imprimeur du film Le logiciel installé dans la console (Fig. 2-9) permet à l utilisateur de : Gérer des informations personnelles du patient comme : ID, nom, prénom, date de naissance, les examens concernant, information sur la position 1 DICOM: Digital Imaging and COmmunications in Medicine

10 16 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Visualiser l image sur l écran du moniteur Ajuster la valeur de densité (le niveau/largeur de la fenêtre) pour améliorer qualité de l image (Fig. 2-10) Rotation ou change la taille de l image Corriger des artéfacts ou des bruits de l image Sauvegarder au mémoire secondaire : disque magnétique ou disque optique. Imprimer les images au film laser pour les analyses du docteur. Figure 2-9 Une console avec son logiciel permet de visualiser et de manipuler l image. En fin, l image est imprimée au film laser au format de 20x25 cm ou de 35x43 cm (Imagerie/FV Hôpital) Figure 2-10 Démonstration d une fonction de traitement d image du logiciel de console. A gauche : l image d une radiographie pulmonaire. A droite : l image inversé de radiographie pour développer le cliché (Imagerie/FV Hôpital).

11 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION La Tomographie X (CT Scanner) 3.1. Introduction Bien que la Radiographie à rayon X permette de mieux observer l image excellente d une partie du corps humain à la surface plate, elle s est limitée en trois aspects principaux : Naturellement, la structure du corps humain est une structure multi-couches (ou la structure overlap). Un organe peut être recouvert par un autre organe. Prenons, par exemple dans une radiographie pulmonaire, une portion du cœur cachée par la côte (voir Fig. 2-10). Il est très difficile pour différencier les tissus dans un même organe. Donc, on n utilise jamais une radiographique pour traiter les lésions ou les tumeurs. La radiographie nous donne seulement des images anatomiques corporelles de l humain. Elle ne contient aucune des informations sur la physiologie et la biologie de l organe vivant. En vue de résoudre le problème de la structure overlap du corps, le premier scanner a été présenté par Godfrey Hounsfield et ses collègues au EMI Laboratoire à Londres en A ce moment, il utilisait le terme «Tomographie axial par ordinateur 1» pour exprimer que l image de la coupe obtenue se trouve au plan axial et non au plan frontal comme le dit la radiographie conventionnelle. Figure 3-1 La première clinique image du cérébral obtenue par Hounsfield (Nobel Prize Website). En 1979, Allan Cormark, un physicien américain, et Hounsfield se rejoignaient pour obtenir un Prix Nobel en Médecine pour leurs contributions en développement de la tomographie assistée par ordinateur (TAO). 1 Computer axial tomography (CAT) [Dean1983]

12 18 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Une autre contribution significative de ces deux physiciens était de redécouvrir la théorie de la transformation de Radon 1, publiée en En effet, cette théorie mathématique est au cœur de la technique de tomographique. Pourtant, la théorie n a trouvé que sa propre application respectueuse après plus de 60 ans dans la bibliothèque. Grâce au calcul intégral de cette transformation, la réalisation du CT scanner devient plus simple et plus efficace. Aujourd hui, l application de la tomographie X s élargit particulièrement dans le domaine médecine diagnostique. Grâce aux évolutions technologiques, plusieurs types de machines tomographie X ont été réalisés comme les tomographes à rotation continue et les tomographes à multicoupes. Cependant, ces machines ont le même but de diminuer le temps d acquisition et d augmenter la qualité de l image reconstruction Principe de la tomographie X Figure 3-2 Principe de la technique. Les faisceaux de rayon X traversent le patient sous différents angles, dans un plan perpendiculaire à son grand axe. L atténuation du faisceau est enregistrée par un ensemble de détecteurs. (TDM Corps Entier). L idée principale de la tomographie est basée sur l hypothèse de Radon ce qu on peut reconstruire l image d un objet depuis toutes ses projections à différents angles (Fig. 3-3). Pourtant, cette hypothèse n est jamais vérifiée car il est impossible de collecter toutes les projections de l objet. En plus, les données présentées dans l ordinateur sont sous forme de discrète numérique. Hounsfield a surmonté ces problèmes en proposant un algorithme d interpolation de données absentes depuis des projections existées. Cette découverte a conduit à l extension rapide de plusieurs types du scanner aujourd hui. Similairement à la radiographie X traditionnelle, la tomographie utilise les propriétés du rayonnement X pour mesurer des absorptions des rayons X passant d un organisme du patient. Toutes ces 1 Sir Johann Radon ( ), [Dean1983].

13 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 19 informations d atténuation sont enregistrées grâce à une bande détectrice tournant simultanément avec la source d émission des rayons X (voir Fig. 3-2). Enfin, un programme de reconstruction est utilisé pour générer une image tomographique à partir des données obtenues pendant la phase de projection. Figure 3-3 Projection de l objet. Dans ce dessin, on peut voir deux ombres différentes d une fille avec une banane à gauche et un ananas devant sur le mur. Est-ce qu on peut imaginer l image de cette fille depuis ces deux projections? Projection et mesure de la valeur d atténuation Il y avait deux types de projections importantes dans la technique tomographie conventionnelle : Projection en géométrie parallèle. Projection en géométrie d éventail (ou fan-beam). Plus récent, on a un nouveau type de projection en tridimensionnelle c est la projection en géométrie conique (ou cone-beam). Cette projection utilise au plus haut degré des données générées dans un tour du couple source détecteur. La réalisation de ces types de projection est présentée plus en détails dans la partie suivante. Source Rayon X Détecteur Input : N i photons Output : N o photons Figure 3-4 Principe d acquisition des mesures L atténuation des rayons X se produit lorsque le rayonnement traverse le corps humain. La valeur d atténuation dépend de l intensité de la diffusion du rayonnement et des caractéristiques du tissu examiné (Fig. 3-4). Chaque tissu a un coefficient d atténuation précis µ. La valeur d atténuation est calculée grâce à la formule de l atténuation suivante : I = I 0 e -µd I 0 : intensité du faisceau à l entrée I : intensité du faisceau à la sortie µ : coefficient d atténuation linéaire du tissu d : épaisseur de coupe

14 20 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Reconstruction de l image Les valeurs d atténuation de la projection sont présentées sous forme d une matrice de transformation (ou sinogramme de Radon). En appliquant les calculs intégraux sur cette matrice, on peut reconstruire l image d origine. En fait, on a développé trois méthodes en vue de reconstruction de l image à partir de ses projections : Méthode directe de Fourier Méthode du filtrage de la rétroprojection Méthode de rétroprojection des projections filtrées 1 La méthode de Fourier est basée essentiellement sur le théorème du profil central. Elle permet de reconstruire directement l image en utilisant deux transformations de Fourier 1D et une transformée de Fourrier 2D à l inverse. Pratiquement, cette méthode est très difficile à implémenter de façon numériquement. De plus, le temps d exécution est inacceptable. Donc, la méthode de Fourier n a que la valeur analytique et théorique pour mieux comprendre la nature du processus de reconstruction de l image. Dans les deux dernières méthodes, toutes les données d atténuation sont filtrées et contournées (fonction de convolution) avant ou après une rétroprojection. Ces méthodes sont plus tolérantes avec des bruits et des artéfacts de l image reconstruction. En réalité, la méthode de rétroprojection des projections filtrées a été adoptée car elle convient plus aux problèmes particuliers des scanners actuels. Elle donne un résultat considérable entre le temps de reconstruction et la qualité de l image d acquisition. Vous trouverez le fondement théorique et mathématique de ces méthodes plus en détail au chapitre L évolution de la tomographie X L impact de la tomographie X sur la pratique de l imagerie médicale diagnostique a été très profond lors de sa première introduction pendant les années La Tomodensitométrie (TDM) a progressé et différentes générations de machines ont été mises au point pour acquérir l ensemble des informations nécessaires à la reconstruction de l image. Au commencement, on a la projection en géométrie parallèle, on a développé une nouvelle géométrie de projection en éventail pour diminuer la dose d irradiations dans un examen et en même temps réduire notamment le temps d acquisition d un plan de coupe. Récemment, la projection en géométrie du conique vient d être recherchée afin de profiter la puissante d informatique qui permet de reconstruire d images en temps réelle 1 Algorithm filtered backprojection (FBP)

15 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 21 [Germe2002]. L évolution de tomographie X concerne ainsi le développement de système source détecteur, de mécanique et d informatique Système de tomographes conventionnels Système de rotation translation à détecteur unique (1 re génération) Figure 3-5 Un système de rotation translation à détecteur unique (TDM Corps Entier) Un fin faisceau de rayons X traverse l organisme à 180 reprises, avec un déplacement angulaire de 1 o. L atténuation du faisceau est mesurée par l élément détecteur controlatéral correspondant. Après chaque incrément angulaire, une translation linéaire est effectuée, de manière à ce que le faisceau incident traverse l organisme (Fig. 3-5). Le temps de coupe atteint plusieurs minutes [Otto1994]. Système de rotation translation à détecteurs multiples (2 e génération) U n ensemble de 5 à 50 détecteurs est localisé à l opposé de la source de rayons X (Fig. 3-6), qui émet un faisceau linéaire ou divergent de rayon X. Le nombre d incréments angulaires nécessaires est réduit par rapport à la méthode précédente. Les coupes sont effectuées à des intervalles de 10 o, cet angle correspondant à l angle divergence du faisceau. Le temps de coupe est compris entre 6 et 20 secondes [Otto1994]. Figure 3-6 Un système de rotation translation à détecteurs multiples (TDM Corps Entier)

16 22 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Système de rotation à multi-détecteurs mobiles (3 e génération) Un faisceau divergent large traverse l objet radiographié en tournant autour de lui, en même temps qu un ensemble mobile de 200 unités de détection (Fig.3-7). Le temps de coupe réduit énormément de 1 à 4 secondes [Otto1994]. Figure 3-7 Un système de rotation à multi-détecteurs mobiles en géométrie R/R (TDM Corps Entier). Système de rotation à multi-détecteurs stationnaires (4 e génération) L angle du faisceau divergent couvre l intégralité du patient. La source tourne à l intérieur ou à l extérieur d un ensemble annulaire de 300 à 4000 détecteurs (Fig.3-8). Le temps de coupe est de 3 à 8 secondes [Otto1994]. Figure 3-8 Un système de rotation à muti-détecteurs fixes en géométrie R/S (TDM Corps Entier) Les tomographes à rotation continue Les évolutions technologiques ont conduit à l apparition au début des années 1990 de tomographes à rotation continue qui permettent d acquérir les données en continu alors que le patient est déplacé dans le système. La difficulté technologique majeure qui doit être surmontée est la mise au point de tubes à rayon X pouvant fonctionner en continu plusieurs dizaines de secondes.

17 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 23 Figure 3-9 TDM spiralée ou hélicoïdale. L acquisition continue, pendant le déplacement de la table, entraîne un balayage spiralé (TDM Corps Entier). Si le lit du patient est animé d un mouvement de translation uniforme pendant que l ensemble source détecteur tourne continûment, la source décrit une spirale ou une hélice par rapport au patient (Fig. 3-9). Ainsi, dans un temps donné, un système à rotation continue peut acquérir un volume de données 5 à 20 plus grand que les tomographes conventionnels des années 1980 (jusqu à 0,5s/tour). La capacité d acquérir rapidement des volumes de données conduit à une renaissance de la modalité tomographie X, en améliorant les performances dans les applications existante et en s imposant dans de nouvelles applications. Un exemple d application existante qui a largement bénéficié de l arrivée des tomographes à rotation continue est la tomographie thoracique. L accroissement du nombre de coupes pouvant être acquis pendant une apnée réduit les problèmes de mauvais recalages liés à la respiration et réduit le volume du produit de contraste injecté pour la détection de lésions Les tomographes X multicoupes La fin des années 1990 a vu l arrivée de tomographes multicoupes, qui permettent d obtenir plusieurs plans de coupes en une seule rotation (typiquement quatre coupes simultanées actuellement). La géométrie de ces machines est tridimensionnelle, avec un faisceau de rayon X conique et un détecteur matriciel (Fig. 3-10). Le détecteur est l élément clé de ces systèmes. Ainsi, en faisant varier la collimation et la sommation des contributions de plusieurs lignes de détection, les machines actuelles permettent d obtenir en une seule rotation, typiquement quatre coupes fines en n utilisant que la partie centrale du détecteur, ou quatre coupes d épaisseur moyenne en utilisant la moitié du détecteur, ou quatre coupes épaisses en utilisant l ensemble du détecteur.

18 24 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Figure 3-10 Tomographe multicoupe Bien que le recul sur ce type de machine soit encore faible, les avantages des tomographes multicoupes en diagnostique clinque sont [Germe2002] : L allongement de la zone examinée pour un temps donné d acquisition. La réduction du temps d examen pour la même hauteur d exploration. L amélioration de la résolution dans la direction longitudinale. L amélioration de la résolution temporelle ce qui conduit à la disparition des artéfacts respiratoires et mouvements Les éléments dans la Tomodensitométrie (TDM) Elément pictural Figur e 3-11 Volume du pixel (Voxel). (a), (b) = taille de l élément pictural (pixel) ; (d) = épaisseur de coupe, (D) = diamètre total de la coupe ou champ de mesure (TDM Corps Entier). La plus petite unité constitutive de l image tomographie X est l élément pictural ou pixel. Celui-ci représente une certaine proportion de l ensemble de l image, dont l importance dépend de la taille du champ d examen et de celle de la matrice. Le pixel correspond à la projection d un volume tissulaire dont l épaisseur est déterminée par celle de la coupe. Les dimensions de cet élément de volume élémentaire ou voxel dépendent donc de la taille de la matrice, du diamètre du champ d examen, et de l épaisseur de coupe (Fig. 3-11).

19 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION Unité Hounsfield (UH) Les valeurs d atténuation de la tomographie X sont mesurées en unités Hounsfield (UH) : µ µ UH = 1000 µ où µ et µ eau sont respectivement le coefficient d atténuation linéaire des tissus considérés et le coefficient d atténuation linéaire de l eau. Une unité Hounsfield (UH) correspond à 0.1% de coefficient d atténuation. Les valeurs d atténuation de l eau et de l air (respectivement 0 UH et UH) représentent des points fixes sur l échelle densitométrique, qui ne dépendent pas de la configurat ion du scanner. En revanche, les valeurs d atténuation des différents tissus et des structures osseuses varient suivant la quantité de rayon X délivrée (Fig. 3-12). eau eau Figure 3-12 Échelle de Hounsfield. La limite inférieure de l échelle UH, correspond à la densité de l ai r. Les valeurs d atténuation des structures osseuses très denses dépassent 1000 UH, celles de la plupart des tissus et liquides corporels sont comprises entre -100 et +100 UH (TDM Corps Entier).

20 26 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Valeurs de densité A chaque voxel est attribuée une valeur numérique, dite valeur d atténuation, qui correspond à la dose moyenne de rayonnement absorbée par le tissu dans cet élément pictural. La densité varie de manière linéaire avec coefficient d atténuation, une constante tissulaire influencée par de nombreux facteurs. Le coefficient d atténuation traduit l absorption du rayon X. Sur une machine correctement calibrée, la densité de l eau est de 0 UH, celle de l air de UH. Les différents types de tissus reçoivent des valeurs d atténuation exprimées sur l échelle de Hounsfield, ces chiffres sont donc arbitraires, mais traduisent de manière relative les degrés variables d atténuation du rayonnement X pour les différents tissus. Dans les organes parenchymateux comme le cerveau, la foie, le rein et le pancréas, le coefficient la densité du tissu sain avoisinant sert de base de comparaison. Figure 3-13 Deux fenêtre avec les valeurs différentes de densité. A gauche : fenêtre osseuse, à droite : fenêtre pulmonaire (Imagerie/FV Hôpital) La traduction en échelle de gris d un objet examiné donne des informations sur la densité relative (radiodensité) des structures visualisées sur l image. Par comparaison avec le tissu avoisinant, la structure peut être décrite comme Isodense : densité identique Hypodense : densité inférieure Hyperdense : densité supérieure Produit de contraste Un produit de contraste utilisé dans un examen de la tomographie X permet de distinguer une région anatomie depuis sa pathologie et de renforcer le contraste certaines anomalies de l organisme (voir Fig. 3-14). Le produit de contraste administré par voie

21 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 27 intra vasculaire se répartit dans les différents compartiments tissulaires suivant une distribution variable dans le temps. L intensité du rehaussement dépend d une part de la dose injectée, d autre part de facteurs pharmacocinétiques variés (conditions hémodynamiques, hydrophilie, lipohilie, osmolarité, liaison aux protéines, etc.). Foie Rein Avant l injection du produit de contraste Après l injection 100ml du produit de contraste IV. La densité des régions examinées (la foie et le rein) est rehaussée plus clairement. Fi gure 3-14 Comparaison deux images avant et après l injection une dose du produit de contraste Le s produits de contraste non ioniques sont actuellement largement utilisés en pratique radiologique courante. Ils sont bien tolérés cliniquement. Leur clairance rénale est élevée, leur liaison aux protéines plasmatiques est faible (1%), leur distribution est quasi exclusive dans les espaces extracellulaires [Otto1994] Artéfact Artéfact est une forme de distorsion d images. Plusieurs types d artéfacts peuvent apparaître dans un système d imagerie médicale aussi complexe que la tomodensitométrie. L enregistrement des coefficients d atténuation et les calculs électroniques sont soumis à des effets de projection et de reconstruction d images. Les perturbations de l image aboutiront souvent à des artéfacts qui peuvent s entendre à l ensemble de l image. Les artéfact de mouvements sont cliniquement significatifs car les projections des parties en mouvement d un organe ne peuvent pas être reconstruites avec exactitude. Le résultat n est pas une perte localisée de résolution, mais un aspect strié, étoilé, qui diffuse à partir de la zone de perturbation et s entrecroise de façon tangentielle avec l organe en mouvement (Fig. 3-15).

22 28 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Artéfact des mouvements oscillatoires pendant l acquisition des données Artéfact en strie causé par une prothèse de hanche métallique Figure 3-15 Deux artéfacts exemplaires dans les examens du CT scanner. Afin de diminuer les incidents des artéfacts, des programmes de correction ont été créés pour corriger de nombreux artéfacts de le Tomographie X. Par ailleurs, pendant l examen de l abdomen ou de thorax, les patients vont être demandés de restreindre leurs mouvements et leur respiration Applications médicales de la Tomographie X La TDM est une technique d imagerie morphologique en coupes de l anatomie humaine. Les utilisations médicales reposent sur deux caractéristiques essentielles [Germes2002] : La restitution sans distorsion de l anatomie en coupes axiales transverses L étude des densités des structures explorées, exprimées dans l échelle de Hounsfield. Le premier scanner a été utilisé fondement pour la diagnostique les problèmes concernant du cerveau et du neurone. Avec l évolution technologique de la technique tomographie, le domaine d application du CT scanner a été élargie aux plusieurs organismes du corps. Parmi ces examens, les procédures demandées souvent sont des examens de la tête, sinus, thorax et abdomen. Grâce à l échelle de Hounsfield très large, la TDM permet une excellente étude des organes variant entre l os et les tissus. Particulièrement, l image tomographique est successible démontrer une structure très complexe d une région intérêt des tissus du poumon ou d abdomen comme des lésions métastatiques, des aneurismes, des abcès ou des nodules.

23 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 29 Figure 3-16 Un CT scanner hélicoïdale de GE Medical, version HiSpeed NX/i. Cet appareil permet de sélectionner soit au mode séquentiel, soit au mode hélicoïdal. Le temps d acquisition d un plan de coupe atteint jusqu à 0.25s ou quatre coupes par seconde au mode hélicoïdal (Imagerie/FV Hôpital). Récemment, la réalisation du scanner hélicoïdal (Fig. 3-16) offre plusieurs avantages dans le domaine imagerie médicale : Acquisition exhaustive d un volume de l organisme dans un temps compatible avec la durée d une apnée, ce qui conduit à la disparition des artéfacts respiratoire et de mouvements Optimisation de l étude densitométrique rendue possible grâce aux reconstructions axiales chevauchantes passant par le centre des petites lésions. Optimisation de l opacification iodée, rendant l angiographie par tomodensitométrie (TDM) et l étude de la cinétique de perfusion des organes. Ouverture sur l imagerie multiplanaire et tridimensionnel Réduction de la dose d irradiation grâce à l utilisation de pitchs élevés Outil pour analyser d images En vue d amélioration la qualité de l image d acquisition, un système de tomodensitométrie est accompagné souvent d un logiciel de traitement d images (Fig.3-17). Ce logiciel, en fait, aide les docteurs de mieux observer d une région d intérêt du corps ou de localiser des anomalies dans un organisme du patient. Bien que le développement d informatique aujourd hui soit bien intégré dans le domaine imagerie médicale pour assister les docteurs en diagnostique des maladies, aucun programme ne pourra être changer les docteurs en identification la cause de maladie et de proposer une solution pour traiter ces pathologiques.

24 30 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Figure 3-17 L interface d un programme de traitement d image du scanner. Ce logiciel permet à l'usager de visualiser l image reconstruction, améliorer la qualité de l image, de mesurer en valeurs de UH, reformater en 3D (Imagerie/FV Hôpital). Le programme d analyse d images utilise des opérations de calcul simples sur chaque pixel comme la convolution matrice. Les fonctions principales de ce programme sont : Ajuste du contraste Filtre de bruits et rehaussement Soustraction, addition, profil de densité Magnification ou change de la taille d image Analyse par histogramme Mesure de distance ou d angle Mesure de surface et de volume Reformat en 3D (voir Fig. 3-18) Figure 3-18 Reformation en 3D de la structure osseuse et de l artère (Imagerie/FV Hôpital).

25 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) 4.1. Introduction En 1946, deux physiciens américains et anglais, Félix Bloch et Purcell, sont les premiers à découvrir les propriétés des noyaux atomiques soumis à un champ magnétique. Leurs travaux conduisent à utiliser la spectroscopie par résonance magnétique en analysant la structure de molécule complexe et des processus dynamique de la chimique. Bloch et Purcell ont partagé un prix du Nobel pour leurs contributions dans le domaine de physique en 1952 [Merrill1999]. La théorie de la spectroscopie ne s appliquait qu en 1973 grâce à Lauterbur, un physicien anglais, mais son apparition dans le domaine de l imagerie médicale est récente. Les premiers appareils n'ont été installés qu'au début des années L imagerie par résonance magnétique (IRM) regroupe les techniques d imagerie dérivées du principe de la résonance magnétique nucléaire (RMN). Le terme résonance magnétique nucléaire a été choisi parce qu il s agit, à l aide de puissants aim ants (d où le terme «magnétique»), de modifier l orientation des noyaux dans l espace (d où le terme «nucléaire») en exploitant le phénomène de résonance (d où le terme «résonance») [Monn2002]. de Figure 4-1 L image générée par l IRM d une lésion du ligament croisé antéro-externe au plan sagittal (GE Medical). Aujourd hui, la recherche du phénomène de la spectroscopie de l IRM est encore en cours pour augmenter la résolution spatiale et le contraste de l image obtenue. Cependant, la technique de l imagerie par résonance magnétique (IRM) paraît la plus innocuité pour la santé dans les cond itions d un examen normales car elle n utilise aucune radiation ionisante (comme le rayon X du CT scanner). Du à son caractère non invasif et la

26 32 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE possibilité d obtenir des coupes dans 3 dimensions (axial, sagittal et coronal), l IRM a rapidement montré qu elle est bien adaptée à l étude du système nerveux central, système osseux, articulaire et musculaire (Fig. 4-1) Principe de l IRM Tandis que la résonance magnétique nucléaire exploite les propriétés magnétiques des noyaux qui possèdent un nombre impair de nucléons tels que l hydrogène (1H), le carbone 13 (13C), le fluor 19 (19F), le sodium 23 (23Na), le phosphore 31 (31P). L imagerie par résonance magnétique (IRM) exploite spécifiquement les propriétés magnétiques du noyau d hydrogène (1 H) qui sont formé d un seul proton. L utilisation de ce noyau est optimale du fait de sa grande abondance dans les tissus vivants. Radio fréquence (RF) B0 Figure 4-2 Principe de la technique de l imagerie par résonance magnétique (IRM) Création d une aimantation macroscopique En imagerie par résonance magnétique, la première étape consiste à soumettre le sujet examen à l action d un champ magnétique statique uniforme B0 fourni par un aimant. Ce champ magnétique B0 a pour but de créer une aimantation macroscopique des différents tissus de l organisme. L intensité de ce puissant champ magnétique statique B0 varie entre 0,1 et 2 Tesla Impulsion de radiofréquence Une fois l aimantation macroscopique des différents tissus de l organisme obtenue à l aide du champ magnétique statique B0, on perturbe cet état d équilibre à l aide d une impulsion de radiofréquence. Cette impulse de radiofréquence perturbe l état d équilibre et fournit de l énergie aux protons des différents tissus. 1 1 Tesla = gauss

27 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION Recueil du signal IRM A l arrêt de l impulsion de radiofréquence, les photons reviennent à leur position d équilibre. C est la relaxation. En revenant à leur position d équilibre, les photons réémettent l énergie qui leur a été transmise, il s agit d un signal de relaxation. Ce signal dépend du nombre de proton stimulé [densité de proton : (Φ)] et de deux constantes de temps de relaxation (Fig. 4-3) : La constante de relaxation longitudinale T1 La constante de relaxation transversale T2 Aimantation Mz Mxy B0 z 63% y x 37% Figure 4-3 Temps de relaxation T1 et T2. Ce sont ces constantes de relaxation différentes d un tissu à l autre et différents d un processus pathologique par rapport à un organe sain qui permet de reconstruire l image. Pour obtenir une image reproduisant le formalisme anatomique, il reste encore à localiser l origine du signal émis. Ceci est effectué avec des gradients de champ magnétique qui permettent d obtenir un champ magnétique pour chacune des régions de l espace. T1 t T2 t 4.3. Caractéristique de l IRM Les avantages Le signal des tissus de l organisme est déterminé par la valeur de la densité de proton (Φ) et les constantes de temps de relaxation longitudinale T1 et transversale T2. Ces constantes étant différents d un tissu à l autre, l imagerie par résonance magnétique est caractérisée par la bonne qualité du contraste spontané existant entre les différents tissus (Fig. 4-2 et 4-3). Comme pour le CT scanner, il est possible d'utiliser des produits de contrastes comportant du Gadolinium, un élément ferromagnétique prisonnier d'une protéine, afin d augmenter le contraste d une région d intérêt.

28 34 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Figure 4-4 Image en IRM permet d observer des différents tissus du cerveau grâce à la qualité du contraste spontané d IRM. Figure 4-5 Image du CT scanner permet seulement de localiser des organes différentiels (os et tissus) du cerveau. La localisation du signal dépendant des variations de champ magnétique induites par les gradients de champ magnétique, donc on peut obtenir en IRM des coupes en trois plans de l espace (Fig. 4-6). En plus, l image peut reconstruire à n importe quel degré ce qui demande de changer de la position du patient chez la radiographie à rayon X ou d installer une technique de reconstruction de volume au CT scanner. Figure 4-6 Axial, coronal et sagittal coupes Enfin, l utilisation de champ magnétique et de radiofréquence explique le caractère parfaitement non invasif de l imagerie par résonance magnétique. Par cette raison, l imagerie par résonance magnétique est souvent utilisée dans les examens pédiatriques car elle n effectue pas des effets potentiels sur le corps des enfants et des adultes.

29 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION Les inconvénients Les contre-indications absolues se résument aux porteurs d un stimulateur cardiaque (pacemaker) dont le rythme risque d être modifié par les champs magnétiques et les porteurs de clips vasculaires intracrâniens ferromagnétiques. Les prothèses métalliques, les matériaux dentaires, les fils métalliques vont créer des artéfacts à leur contact de par la distorsion du champ magnétique qu ils provoquent (Fig. 4-7). Figure 4-7 Les matériaux dentaires métalliques causent des artéfacts En imagerie médicale, l IRM a été limitée par la durée du temps d acquisition et les mouvements volontaires du patient (comme mouvement du cœur et du poumon) pendant l examen (Fig. 4-8 et 4-9). Un examen d IRM peut durer normalement de 20 à 90 minutes et un petit mouvement du patient conduit à une reprise de l étude. Donc, la diminution impressionnante du temps d acquisition explique le développement des applications de l imagerie par résonance magnétique. Figure 4-8 L image obtenue sans la technique de compensions du mouvement de cardiaque et de poumon. Figure 4-9 L'image obtenue en utilisant la technique du gating. Il requise de données à chaque période du cardiaque. Cette technique a éliminé efficacement le mouvement cardiaque.

30 36 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE Finalement, le coût pour un système d imagerie par résonance magnétique (IRM) est très coûteux. Donc le prix d un examen est également très cher. Par cette raison, il n y a que 178 centres d hôpitaux en France (en 2000) qui installent cette machine et seulement 2 établissements à Hô Chi Minh ville L IRM en futur La technologie d imagerie par résonance magnétique (IRM) en ce moment est la dernière génération dans la famille de la Tomographie en imagerie médicale. En effet, pendant environ 20 années de développement (en comparant avec plus 100 années de rayon X), l imagerie par résonance magnétique a été acceptée très rapidement et largement dans le domaine l imagerie médicale morphologique et l imagerie fonctionnelle. Encore que cette technique doive modifier non seulement de mises au point des nouvelles matériaux mais aussi la technologie d acquisition de l image en profitant le développement de technologie d information. La tâche principale d amélioration de matériel est de perfectionner le magnétique utilisé pour qu elle soit plus léger. Autrefois, une IRM scanner mesurait environ kg de poids. Maintenant, un nouveau scanner pèse seulement kg. Par conséquent, la taille du magnétique est ainsi diminuée environ 0,5 m de longueur. Cette modification est très importante afin que le système d IRM devienne de plus en plus compatible avec les patients. Figure 4-10 Un moderne IRM scanner à superbe conduction magnétique 1,5 Tesla (GE Medical).

31 LA TRANSFORMATION DE RADON ET SON APPLICATION 37 En outre, la qualité et la stabilité du magnétique joue un rôle très décisif de la haute qualité de l image acquisition. Aujourd hui, tous les systèmes d IRM scanner utilisent actuellement le gradient magnétique 1 malgré sa faible intensité et son instabilité. Bien qu un système d IRM à superbe conduction magnétique soit réalisé par GE Medical (Fig. 4-10), ce dernier n est pas utilisé largement à cause de son prix. On espère que dans l avenir ces systèmes seront plus populaires dans les hôpitaux. Dans le domaine de la médecine diagnostique, la recherche sur la fonction du cerveau est en train de se développer intensivement. Grâce à l image d acquisition par IRM, on peut mieux comprendre comment notre cerveau fonctionne. Par exemple, en observation sur certaines régions spécifiques de l image d acquisition, on peut connaître l état sentimental ou physique du patient : détendu ou stress, joyeux ou triste (voir Fig. 4-11). Une autre application dans ce domaine est de visualiser la fonction dynamique du poumon en deux périodes de ventilation et de perfusion. Figure 4-11 L IRM permet de visualiser l'activité des cellules de différentes zones du cerveau au repos, puis en réponse à trois stimulations acoustiques de nature différente (Microsoft Encyclopédie Encarta 2002). En conclusion, l IRM ne se limitera d après notre imagination. Il est certain que les patients bénéficieront plus du progrès de l imagerie par résonance magnétique (IRM). 1 Dans une machine d IRM conventuelle, il y a trois gradients magnétiques. La puissance de chaque magnétique varie de gauss (de milli Tesla)

32 38 Chapitre 1. LA TOMOGRAPHIE MÉDICALE 5. Conclusion La découverte des rayons X de Ronghen en 1895 a fait naissance une nouvelle branche en médecine diagnostique : Imagerie médicale. Bien que l imagerie médicale soit un domaine d application assez nouveau, elle a développé très rapidement et a été considéré comme une spécialité de recherche la plus active au monde médical. La Radiographie à rayon X est la première machine de l imagerie médicale qui a apparu dans les années Pendant plus de 100 ans au service, la radiographie à rayon X a fait beaucoup d évolution pour perfectionner l image obtenue comme digitalisé les équipements d acquisition, diminue la dose d irradiation et simplifié l étape de développement du cliché. Malgré le développement de plusieurs types de la machine imagerie médicale aujourd hui, la radiographie à rayon X reste encore un rôle inchangeable dans la qualité des soins médicaux. L arrivée du CT scanner dans les années 1970 ouvre des perspectives en imagerie axiale grâce à la technique de la tomographie X. Le développement de la tomographie est beaucoup plus rapide que la radiographie à rayon X. Plusieurs types de machine ont été créés pour répondre au besoin de la qualité et de la rapidité d acquisition de l image d utilisateurs. Le tomographe multicoupes est la dernière d évolution de la tomodensitométrie (TDM) à ce moment. Cette machine a élargi le domaine de l application du CT scanner en imagerie cardiaque (coronaire et perfusion) qui est le prochain défi de la TDM. L introduction au début des années 1980 de l Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) a représenté une avancée majeure en imagerie médicale. L image d acquisition ne s est limitée plus au plan frontal ou axial mais a été ouverte au plan sagittal. Un autre caractère de l IRM qui s intéresse les chercheurs à continuer ses études est la caractéristique de sécurité pour la santé du champ magnétique de l IRM. On peut dire également que l imagerie par résonance magnétique (IRM) est la cible de développement pour toutes les machines de l imagerie médicale à l avenir. En effet, la science de l imagerie médicale est au carrefour de la science naturelle, de la médecine et de l informatique. L art visuel et la science de la santé se croisent à l imagerie médicale pour servir la vie de l homme.