Sciences de l ingénieur et imagerie médicale

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1 1 Sciences de l ingénieur et imagerie médicale Prof. Jean-Philippe Thiran Institut de Genie Electrique et Electronique Laboratoire de Traitement des Signaux (LTS5) - jp.thiran@epfl.ch

2 Motivation 2 Notre compréhension du vivant dépend en grande partie de notre capacité à observer, capturer, mesurer les composants et phénomènes biologiques de base L imagerie biomédicale y joue clairement un rôle central : Pour acquérir l information Structurelle Fonctionnelle Pour l analyser

3 3 Source : Medbio@Univ. Toronto

4 4 Source : Medbio@Univ. Toronto

5 L imagerie biomédicale 5 Les modalités à disposition Microscope optique Microscopie par fluorescence Microscopie confocale Les rayons X et le scanner à rayons X Les tomographies par émission L Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) «traitement de l information»

6 La Résonance Magnétique : introduction 6 Considérons un proton ( 1 H) Dans un champ magnétique B: S aligne et précesse à la fréquence de Larmor: ω= γb [Hz]

7 La Résonance Magnétique : introduction 7 Excités par une onde électromagnétique (RF) : Ils accumulent de l énergie Quand l excitation se termine Ils relâchent cette énergie En émettant une onde RF à leur fréquence de résonance (Larmor) C est le principe de la RMN À chaque composant son rapport gyromagnétique γ et donc sa fréquence de résonance Une analyse fréquentielle (spectrale) donne la composition d un milieu

8 La spectroscopie par RM 8 Axe de fréquences

9 La Résonance Magnétique : introduction 9 Imagerie IRM : imagerie du Proton Changer localement la valeur du champ magnétique -> changer B -> changer la fréquence de résonance ω Imagerie en densité de proton Imagerie T1 Imagerie T2

10 Post-processing la segmentation des tissus 10 Classification : statistiques (test d hypothèse) GT

11 La segmentation d images 11 Segmentation par recalage d atlas Registration transform Atlas Active Deformation Fields Patients

12 Segmentation d images par atlas 12

13 13 L IRM de diffusion: Analyse de la connectivité cérébrale in vivo

14 Les bases physique de la diffusion 14 La diffusion moléculaire mouvement Brownien Décrit en1905 par A. Einstein Considérons les molécules d eau Exemple: dans une verre, les molécules d eau sont diffusent par agitation thermique, limite seulement par les bord du verre

15 La base physique 15 Définition statistique de la diffusion Considérons N molécules Suivant leur déplacement r après Δ ms On peut regarder le nombre de molécules en fonction de r C est une distribution de probabilité (pdf) du déplacement Dans un milieu homogène, cette pdf suit une loi Gaussienne Exemple: eau à 37 C For Δ=50ms, σ=17µm

16 Basics of diffusion 16 Dans un volume 3D, la diffusion se fait dans toutes les directions Milieu homogène : Gaussienne 3D Avec σ 2 =2DΔ D est le coefficient de diffusion Fonction du milieu: viscosité, t,

17 Diffusion in complex media 17 La matière blanche cérébrale : structure fibreuse Paquets d axones compacts et parallèles La diffusion est plus restreinte dans la direction perpendiculaire aux axones que dans la direction parallèle La diffusion est dite anisotrope

18 IRM de diffusion 18 Code de couleur pour les directions

19 La tractographie en IRM de diffusion 19 Tractographie : déduire de l information locale de diffusion, obtenue par IRM de diffusion, les trajectoires axonales principales -> optimisation

20 Tractographie 20

21 Application: étude des réseaux du langage 21

22 Application: étude des réseaux du langage 22 Chez les gauchers et le droitiers

23 Application: diagnostique et thérapie 23

24 Application: diagnostique et thérapie 24

25 Application: diagnostique et thérapie 25

26 Application: diagnosis and therapy 26

27 Conclusions 27 L imagerie médicale Physique Chimie Biologie Mathématiques Informatique