L imagerie générale Les bases physiques de l imagerie médicale

L imagerie générale Les bases physiques de l imagerie médicale Pr J-Y Devaux Biophysique Mars 2005 Plan Les modalités d imagerie médicale Les propriétés de l image numérique Les notions de «base» L acquisition des images Le contraste Le traitement des images Les images en couleur Modalités d imagerie médicale Une modalité est un type d imagerie utilisant un type de rayonnement spécifique Rayonnements utilisés en imagerie médicale Rayonnements EM Infrarouge : Thermographie Visible : Endoscopie, Microscopie Ultraviolet : Fluorescence Rayons X : Radiographie Rayons gamma : Scintigraphie Ondes ultrasonores : Echographie Champ magnétique : I.R.M. Rayonnement utilisé Rayonnement utilisé Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique Thermographies cutanées Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique Endoscopie digestive Microscopie 1

Rayonnement utilisé Rayonnement utilisé Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique Intestin Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique Moisissures Radiographie pulmonaire La radiologie RX Appareillage Principe physique : l atténuation des photons X provenant d un tube radiogène Paramètres mesurés : le coefficient d atténuation µ Les procédés d imagerie : Radiographie Tomodensitométrie (TDM, scanner X) Radiologie conventionnelle Tomodensitomètre Exemples d imagerie radiologique Rayonnement utilisé Radiographie du bassin TDM cérébrale Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique Scintigraphie cérébrale 2

La médecine nucléaire MN Principe physique : la distribution d une substance radioactive émettant des photons γ Paramètres mesurés : la concentration radioactive locale le coefficient d atténuation µ Les procédés d imagerie : Scintigraphie planaire Tomoscintigraphie (TEMP) Tomographie par émetteurs de positons (TEP) Gamma-caméra Appareillage T. E. P. Exemples d imagerie scintigraphique Rayonnement utilisé Scintigraphie osseuse Tomoscintigraphie cardiaque Tomographie à Emission de Positons Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique Echographie foetale L échographie US Appareillage Principe physique : la réflexion des ondes acoustiques de haute fréquence (quelques MHz) Paramètre mesuré : l impédance acoustique (se modifie entre deux milieux = interface) l atténuation du son par les tissus Les procédés d imagerie : L échographie 2D et 3D L imagerie Doppler couleur Echographe Transducteur US 3

Exemples d imagerie ultrasonore Rayonnement utilisé Echographie 3D Echo-Doppler cardiaque Rayonnements EM : Infrarouge Visible Ultraviolet Rayons X Rayons gamma Ondes ultrasonores Champ magnétique IRM : Imagerie par Résonance Magnétique La résonance magnétique RMN Appareillage Principe physique : les variations induites de champ magnétique (Loi de Lenz) Paramètres mesurés : la densité ρ en protons les temps de relaxation T1 et T2 Les procédés d imagerie : Imagerie par résonance magnétique Spectroscopie RMN Modèle tunnel Modèle ouvert Exemples d imagerie IRM Système nerveux IRM vasculaire Les propriétés de l image l analogique et le numérique l image planaire et l image en coupe la résolution spatiale la dynamique de codage le contraste 4

Images analogiques ou numériques? Images analogiques (continues) Le biologique est analogique Impossibilité de reproduction à l identique Coût important du stockage et de sa gestion Images numériques (discrètes) Etape de codage analogique-numérique Modification facile du contenu (traitement) Possibilité d un abord quantitatif Duplication et archivage faciles La numérisation Représenter une grandeur physique à l aide de la symbolique d un nombre. Sur une carte, on peut représenter la taille d une agglomération par : - un cercle ± grand (représentation analogique) - le nb d habitants (représentation numérique) Paris : 2,125 M hab. Bordeaux : 220.000 hab. 0 La mesure numérique On obtient directement une valeur numérique : V V = 5 A = A Ω + - un voltmètre analogique 10 4,5187 V V = A = A Ω + - un voltmètre numérique utilisable aussi pour : -le poids (balance) -la capacité (jauge) -la vitesse (tachymètre) -la durée (chronomètre) et des milliers d autres applications le mode d affichage n affecte pas la précision de la mesure Le principe de la numérisation L échantillonnage : on compare à un instant donné un échantillon de la grandeur à mesurer avec une grandeur construite à l aide d un nombre connu de petits incréments. amplitude = 1u 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 = 10 u La précision dépend du pas d échantillonnage (fréquence). La fréquence d échantillonnage doit être au moins le double de celle de la précision attendue de la mesure. Théorème de Shannon Numérisation d une image Comment numérise-t-on une image? On découpe l image en un damier où chaque case (un pixel = picture element) se voit attribuer une valeur numérique selon la nuance de gris ou la couleur. La finesse du damier (le nombre de pixels dans l image) détermine la résolution spatiale L imagerie planaire détecteur 1 pixel 5

L imagerie en coupe plan de coupe Correspondance valeur / brillance Valeurs Contenu de la mémoire décimales Brillance du pixel 12 1 pixel 87 145 1 voxel 250 le voxel est le volume de l objet sous le pixel Le système décimal (base 10) Les notions de «base» La représentation décimale Les autres bases (2 et 16) L unité de base : l octet dix chiffres : de 0 à 9 organisation en digits : m c d u Rappels : a 0 = 1 a 1 = a a 2 = a x a. le nombre 3712 m 3 c 2 d 1 u 0 1000 100 10 1 3 7 1 2 3x10 3 7x10 2 1x10 1 2x10 0 Le système binaire (base 2) Les puissances de 2 deux chiffres : 0 et 1 simplicité : 1 = présent 0 = absent organisation en digits : 2 n [ ] 2 3-2 2-2 1-2 0 le nombre 1101 2 = 13 10 2 3 2 2 2 1 2 0 8 4 2 1 1 1 0 1 2 0 = 1 2 1 = 2 2 2 = 4 2 3 = 8 2 4 = 16 2 5 = 32 2 6 = 64 2 7 = 128 2 8 = 256 : 2 16 = 65536 binary digits ou bits (terme inventé par C. Shannon) 1x2 3 1x2 2 0x2 1 1x2 0 6

Le système hexadécimal (base 16) seize «chiffres» : 0 à 9 puis A à F le nombre 1A2D 16 = 6701 10 intérêt : 16 3 16 2 16 1 16 0 compacité puissance de deux 4096 256 16 1 représentation : 2 digits (FF) : 0-4 digits (FFFF) : 0-65535 1 1x16 3 A 10x16 2 2 2x16 1 D 13x2 0 L octet (8 bits) : unité de base Unité de stockage des ordinateurs Capacité maximale : 2 8 1 = 10 Organisation standard : 256 valeurs (0 à, -128 à +127) Les multiples : kilo, méga, giga, téra, péta, exa 1 ko= 2 10 = 1024 10 10 3 1 Mo = 2 20 = 1.048.576 10 10 6 Système 16 bits : 2 16 = 64 ko = 65.536 Système 32 bits : 2 32 = 4 Go 4.10 9 Système 64 bits : 2 64 = 16 Eo 2.10 19 (20 milliards de milliards) Propriétés des images L acquisition des images Les propriétés des images Les images statiques Les images dynamiques Le mode «liste» Dimensions standardisées : matrice image 256x256-512x512-4096x4096 Contenu maximal par pixel : 8 bits () ; 12 bits (2047) ; 16 bits (65535) codage de la couleur : 8, 24 ou 32 bits Volume de données à stocker : de quelques centaines de ko à plusieurs dizaines de Mo. Ex : 1 examen scanner tient facilement sur 1 CD (650 Mo) Les images statiques Image unique, contenant toute l information médicale pertinente. La numérisation se fait sans contrainte de temps. Les dimensions et la profondeur peuvent être aussi importantes que nécessaires. On stocke la totalité fond d oeil de la matrice dans la mémoire. L acquisition de ces images est réalisée le plus souvent par l intermédiaire d un détecteur analogique. Le transfert en numérique se fait par une «lecture» progressive de l image. Les images dynamiques Série ou séquence d images ( cinéma) La qualité de la numérisation est limitée par la cadence. La série peut être temporelle : succession d images d une même structure au cours du temps prise d images synchronisée sur un signal physiologique (ECG, respiration ) La série peut être spatiale : MN-Fonction VG défilé de plusieurs coupes d un même organe à un instant donné. Pour étudier un phénomène complexe, les images dynamiques peuvent comporter plusieurs phases acquises à des cadences différentes, avec des réglages différents ou après modification médicamenteuse. 7

Les images dynamiques Série ou séquence d images ( cinéma) La qualité de la numérisation est limitée par la cadence. La série peut être temporelle : succession d images d une même structure au cours du temps prise d images synchronisée sur un signal physiologique (ECG, respiration ) La série peut être spatiale : TEP Thoracique défilé de plusieurs coupes d un même organe à un instant donné. Pour étudier un phénomène complexe, les images dynamiques peuvent comporter plusieurs phases acquises à des cadences différentes, avec des réglages différents ou après modification médicamenteuse. Le mode «liste» Au lieu de stocker l image sous la forme d une matrice complète, on ne stocke que les coordonnées des pixels dans lesquels un évènement a été détecté à un instant donné. Pas d image visible lors de l acquisition, mais possibilité de «former» toute une famille d images a posteriori, avec des résolutions spatiales et/ou temporelles différentes. Intérêt en Médecine Nucléaire, chaque photon détecté est enregistré avec ses caractéristiques : photon 1 : X=163, Y= 85, E=142 kev, t = 12 ms photon 2 : X=48, Y=112, E=87 kev, t = 14 ms photon 3 : X=202, Y=37, E=139 kev, t = 15 ms [ ] photon n : X=94, Y=158, E =92 kev, t = 53 ms Les caractéristiques des images La résolution spatiale 280 x 400 28 x 40 14 x 20 La résolution spatiale La dynamique d une image Résolutions des images médicales La dynamique d une image Modalité Radiologie US et IRM Médecine Nucléaire Min 512² 256² 64² Usuel 1024 2 256 2 128 2 Max 4096² 512² 512 x 2048 La dynamique correspond au nombre de niveaux de gris possibles dans l image. Elle dépend de la capacité de stockage des pixels. Une image où chaque pixel est un octet peut avoir une dynamique de 256 niveaux de gris. 8

Le seuil de perte d information Le contraste 256 NG 4 NG 4 Définition : Différence relative des luminances entre deux zones d une image 8 NG 16 2 NG 2 Exemples de contraste Le contraste et l information Fort Faible Sans contraste, pas d information L expression du Contraste Définition : L1 L2 C = L + L 1 2 L : luminance Les niveaux de gris Rappel : la vision humaine ne permet de distinguer qu'environ 20 niveaux de gris différents échelle continue 10% 20% 50% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 échelle discrète 9

Le fenêtrage Le traitement des images B B B Addition / soustraction Multiplication / division par scalaire La comparaison d images Fusion des images N 0 N 0 N 0 L addition d image En principe, addition du contenu pixel par pixel de deux images de mêmes dimensions Addition matricielle Limitation du contenu : dépassement de capacité, «overflow» 3 options : saturation à affichage modulo 256 passage en capacité supérieure 124 184 139 93 153 103 221 248 131 87 145 210 252 240 97 71 109? 225 233 117 99 137 17 273 142 138 88 La soustraction d image Comparable à l addition ( Soustraction matricielle) En cas de résultat négatif, 2 options : coupure à 0 «underflow» (risque de valeur élevée, exemple : -16 = 240) en revanche, pas de solution avec une autre capacité d image Angiographie avec et sans produit de contraste Vaisseaux + Os Vaisseaux + Os - Os Multiplication (division) d image Multiplication par un scalaire : On multiplie (divise) le contenu de chaque pixel par une valeur. Ce type d opération permet : de conserver la proportionnalité entre pixels. d éviter les dépassements de capacité Multiplication (division) entre images On multiplie (divise) le contenu d un pixel par la valeur du pixel homologue de l autre image Calcul d un rapport à deux temps d un phénomène biologique évolutif (clairance, ). La comparaison d image Objectif : avant de faire une comparaison, il faut remettre les deux images dans des conditions identiques Peut concerner : deux images du même patient séparées par un intervalle de temps (évolution, action d un traitement ) des images de deux modalités différentes (ex : scanner et IRM) ou deux traceurs différents l image d un patient comparée avec une base de données «normales». 10

La fusion d image Après recalage on peut réaliser une fusion de deux images en une seule contenant toutes les informations. Ex : images TEP / TDM Exemples de traitements Dessin de zones d intérêt Mesures de paramètres Courbes d évolution dans le temps Le dessin de Zones d Intérêt Aspect géométrique Les mesures de dimensions Le dessin des contours Le calcul de volumes Aspect quantitatif Information sur le contenu Courbe Activité-Temps Mesures de dimensions 18 mm Echographie d un kyste mammaire GEMS Dessin d un contour Calculs à partir des diamètres VTD = 83 ml 18127 pixels VTS = 34 ml 101,96 cm² VG en diastole VG en systole angiocardio.com VTD VTS FE = = 59% VTD Image IRM d une tumeur du foie GEMS Angiocardiographie avec produit de contraste iodé 11

Informations sur le contenu Courbe Activité-Temps 800 600 G 400 MO = 139,9 mg / cm 3 D = 1743 cps G = 2371 cps D/G = 0,735 G D 200 D 0 0 5 10 15 20 mn Ostéodensitométrie osseuse GEMS MN St Antoine Scintigraphie thyroïdienne Scintigraphie rénale dynamique Etude de la fonction cardiaque 16 im/cycle Images N/B et couleur Emploi des LUT amplitude amplitude TS TD ATD LUT : palettes (tables de correspondance) Qu est-ce que c est? Comment ça marche? ATS 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 phase phase Schéma d une carte vidéo Sans palette, valeur = brillance Valeurs valeur lue = 9 brillance = 9 Valeurs hexadécimales décimales 250 DAC 145 87 Mémoire Vidéo Codeur Digital Analogique 12 12

Table de correspondance (LUT) Exemple de LUT Circuit électronique introduit entre la mémoire de l ordinateur et le processeur de visualisation (codeur DAC). La valeur lue dans un pixel de la mémoire pointe sur l adresse correspondante du circuit. La valeur stockée à cette adresse devient la valeur de brillance à afficher. 5 4 3 2 1 0 67 238 17 85 116 28 11 10 9 8 7 6 20 157 53 99 172 34 [ ] 254 253 252 251 250 203 81 75 214 22 46 adresse contenu Schéma de vidéo avec LUT Avec une LUT, valeur brillance valeur lue = 9 valeur stockée = 53 brillance = 53 250 5 145 110 DAC 87 168 Mémoire vidéo LUT Codeur Digital Analogique 12 243 ex : complément à Le domaine de la couleur Les images en couleur Notions de vraie / fausse couleur Les palettes pour créer la fausse couleur L impression en couleur Lieu spectral triplets RVB chromophores (TV) Diagramme CIE 13

La trichromie (principe de la télévision) Toute couleur serait représentable par la somme de 3 composantes (RVB) disposées en trois sous-pixels : Les pixels de couleur balayage 127 Principe : l œil est chargé de fusionner ces trois informations séparées en une seule impression colorée pixels 127 127 127 127 Les 8 couleurs de base de la TV Image en vraies couleurs + la modulation d intensité de chaque primaire 2 8x3 = 2 24 = 16 millions de couleurs Composition d une image RVB Principe des vraies couleurs Rouge DAC R + V Vert DAC Bleu DAC 14

La fausse couleur Contrairement aux images en vraies couleurs où il faut «trois» images de la même scène, l image en fausse couleur ne nécessite qu une seule image en 256 niveaux de gris. On attribue à chaque valeur du contenu des pixels non plus une simple brillance N/B mais une couleur parmi une gamme de 16 millions. On utilise 3 LUT de 2 8 valeurs (2 3x8 ). Principe de la fausse couleur DAC DAC DAC Différentes échelles de couleur Exemples de fausses couleurs Intensité RGB 300 250 200 LUT Feu 150 100 50 0 diagramme des 3 LUTs 0 19 38 57 76 95 114 133 152 171 190 209 228 247 contenu linéaires discontinues Films : la courbe gamma Les documents en noir et blanc Densité Optique Les reprographes sur film Les imprimantes sur papier Lumière incidente Tous les systèmes sont non linéaires 15

Les reprographes sur film La résolution de l image peut être très élevée Le noircissement de chaque point peut varier continûment. 1 pixel = 1 point Les imprimantes sur papier Pas de modulation du noircissement du point La résolution est plus réduite car il faut plusieurs points par pixel. 1 pixel = 16 points On peut facilement inverser le mode noir / blanc de présentation (mais attention au gamma!) Lecture uniquement par transmission (dépend de la qualité de lumière du négatoscope) La présentation est en pratique uniquement noir sur blanc. Lecture rarement possible en transmission Solution plus souple, plus économique. La synthèse soustractive Procédé de reproduction de la couleur (CMJ) Les impressions en couleur La synthèse soustractive La technique de l impression Cyan Magenta Jaune Technique de l'impression http://www.chups.jussieu.fr/polys/ biophy/biophyp1.html Lumière blanche Bleu Vert Rouge cyan magenta jaune Papier blanc réfléchissant Couleurs vraies Niveaux de gris indexés 16