Radiologie numérique

Cédric de Bazelaire, Hôpital Saint-Louis, AP-HP

Université Denis Diderot Paris VII

1

Imagerie Analogique versus Numérique

2

Analogique

Acquisition et traitement

combinés

Numérique

Acquisition et traitement

distincts

Numérisation d’un signal

Radiologie numérique

3

Numérisation d’une image

4

Echantillonnage

Matrice

Résolution spatiale

Taille des pixels

Numérisation d’une image

5

Echantillonnage

Matrice

Résolution spatiale

Taille des pixels

Numérisation d’une image

6

Echantillonnage

Matrice

Résolution spatiale

Quantification

Intensité de signal

Contraste

Numérisation d’une image

7

Echantillonnage

Matrice

Résolution spatiale

Quantification

Intensité de signal

Contraste

Codage

Tiff, Jpeg,…

DICOM

Acquisition des images

Radiologie numérique

8

Radiologie Numérique

Computed Radiography

Ecranradioluminéscent à

mémoire

DirectRadiography

Conversion

IndirecteConversion Directe

Radiologie Numérique

Computed Radiography

Ecranradioluminéscent à

mémoire

Scintillateur

DirectRadiography

Conversion

IndirecteConversion Directe

ERLM(CR)

11

3 étapes

Scintillateur

RX e-

Stockage e-

Lecture laser

e- lumière

Photomultiplicateur

Mesure l’intensité de la

lumière

Amplification

Signal numérique

ERLM(CR)

12

Scintillateur (fluoro-halogénure

de baryum dopé aux ions

europium)

Absorbe Rayon X

Electrons haute énergie

par ionisation

Image latente stockée

dans structure cristalline

de l’écran

Lecture laser (λ= 633

nm, lumière rouge) Retour e- énergie stable

Formation de lumière

(λ= 390 nm, lumière bleu)

ERLM(CR)

13

Guide de lumière

Collecte la lumière

Photomultiplicateur

Mesure l’intensité de lumière

Conversion en signal

électrique

Amplification

Conversion en signal

numérique

Stockage

ERLM(CR)

14

Temps d’échantillonnage

Largeur du laser

Pitch

Temps de lecture long

30 à 40 sec / film 36 x 43 cm

Caractéristiques

Lent

Flexible (RX au lit)

Résolution spatiale limitée

Qualité limité

ERLM(CR)

15

Détecteurs CR à aiguilles CsBr:Eu2+

Guide la lumière

Détecteur fins

Améliore les performances

(DQE)

ERLM(CR)

16

Détecteurs CR à aiguilles CsBr:Eu2+

Guide la lumière

Détecteur fins

Améliore les performances

(DQE)

ERLM(CR)

17

Double lecture

Remplace support opaque

en support transparent

Permet la détection de

lumière dans les deux

directions

Améliore les

performances (DQE,

FTM)Transparent support

Radiologie Numérique

Computed Radiography

Ecranradioluminéscent à

mémoire

Scintillateur

DirectRadiography

Conversion

Indirecte

Scintillateur

Conversion Directe

Direct Radiography – Conversion indirecte

19

3 étapes Scintillateur

RX lumière

Photodiodes

Lumière charges électriques

TFT (Thin-Film-Transistor)

Convertit la charge électrique de

chaque pixel en signal valeur

numérique

Direct Radiography – Conversion indirecte

20

Scintillateur

Absorbe RX et conversion en

lumière

Iodure de césium activé au

thallium : Fragile

Oxysulfure de gadolinium :

Solide

Structurés à aiguilles

« fibre optique »

Pas de dispersion latérale

Direct Radiography – Conversion indirecte

21

Photodiodes

Silicium amorphe

hydrogéné

Convertit lumière en

charges électriques

1 Photodiodes = 1 pixel

Capacité

Stockage des charges

TFT (Thin Film Transistor)

Charges converties en valeur

numérique et comptées

Direct Radiography – Conversion indirecte

22

CCD (Charge-Coupled-

Device)

Détecteurs de petite taille

CMOS (Complementary Metal

Oxide Semiconductor)

Fabrication complexe mais

détecteurs de grandes tailles

Direct Radiography – Conversion indirecte

23

Bonne résolution spatiale

100 à 200 µm

Rapide

Temps d’acquisition en

moins de 10 secondes

Pas de persistance

Pixel mort Liés à l’irradiation

Bonne DQE +++

Réduction de dose+++

Direct Radiography – Conversion indirecte

24

Barrettes de CCD

High spatial résolution spatiale

(100μm)

RX fortement collimatés

Pas de grille anti diffusante

Réduit le bruit

Artéfacts de mouvements 200 ms pour chaque pixel

Mammographie

CCD

Radiologie Numérique

Computed Radiography

Ecranradioluminéscent à

mémoire

Scintillateur

DirectRadiography

Conversion

Indirecte

Scintillateur

Conversion Directe

Détecteur pleinchamps

Direct Radiography – Conversion Directe

26

2 étapes

Photoconducteur

RX paires e- / trou

Stockage des charge dans

une capacité

TFT

Lecture des charges

stockées dans chaque

pixel

Conversion du signal

électrique en valeurs

digitales

Direct Radiography - Direct conversion

27

Détecteur

Sélénium amorphe

Polarisation par haut voltage

RX Paire e- / trou

Pas de dispersion latérale

Electrode collectrice Collecte les charges

1 détecteur = 1 pixel

Capacité

TFT

Direct Radiography - Direct conversion

28

Haute résolution spatiale < 100µm

Rapide Lecture : 5 sec

Rémanence : 20 sec

Systèmes fixes Tables

Radio de thorax

Mammographie

DQE < conversion indirecte

FTM > conversion indirecte

Radiologie Numérique

Computed Radiography

Ecranradioluminéscent à

mémoire

Scintillateur

DirectRadiography

Conversion

Indirecte

Scintillateur

Conversion Directe

Détecteur pleinchamps

Compteur de photon

Direct Radiography – Conversion Directe

Système à Balayage : Compteur de photons

Direct Radiography – Conversion Directe

Système à Balayage : Compteur de photon

31

Haute résolution spatiale

2 collimations

Pas de grille antidiffusante = réduction de dose+++

Taille des détecteurs : 50 μm

DQE > 90%

Silicium : trés bonne réponse spectrale

Capable de compter jusqu’à 2 millions de photons RX par

seconde et par pixel de 50 μm

Le signal électrique est nettement supérieur au bruit

Éliminer le bruit par seuillage

Complexes

Electroniques

Synchronisation mécanique tube à rayon X et du détecteur

Direct Radiography – Conversion Directe

Système plein champ – Chambre de Charpak

32

Système 320 fils

Diamètres : 10 μm

Espacés de 1,2 mm

Caractéristiques Amplification

Les électrons induits accélérés ionisent d’autre atomes

Peu d’irradiation Pas de grille anti diffusante

Pas de rémanence 30 millisecondes par ligne

6 to 12 sec par image Artéfacts de mouvement

Grand format (no stitching)

Cathode

Anode

Particle

Post traitement de l’image

Radiologie numérique

33

Post traitement de l‘image

34

Post traitement des données brutes

35

Améliorer la qualité des images Rehaussement de contours

Réduction du bruit

Correction des artéfacts

Rehaussement du contraste

Post traitement

Spécifique pour chaque région anatomique

Couplé au détecteur et ne peut pas être modifié

Résolution spatiale Ne peut pas être améliorée en post traitement.

Critères de qualité

Radiologie numérique

36

Analogique

37

Objectifs contradictoires

Analyse de tous les

tissus

Grande plage d’exposition

Contraste

Plage d’exposition étroite

Exposition

Densité optique

Os

Graisse

Air

Liquide

Numérique

38

Objectifs concordants

Large plage d’exposition

Contraste

Exposition

Densité o

ptique

Critères de qualité de l’image

39

RESOLUTIO

N

Résolution spatiale

40

Résolution spatiale

Indique la taille de la plus

petite structure fortement

contrastée

Fréquence spatiale

Un objet de dimension d

Si d=0,1 mm

1/(2 x 0,1) = 5 pl/mm

Radio standard : 2,5 pl/mm (200 µm)Mammographie : 5 pl/mm (100 µm)

d (mm)

Freq=1

2𝑑(pl/mm)

Résolution spatiale

41

Fréquence spatiale

dépend

Caractéristique du

détecteur

Taille des pixels

Fréquence de coupure

FNyquist=1/(2*pixel size)

pl/mm

Si pixel = 1 mm

1/(2*1)=0,5 pl/mm

Les objets dont la

fréquence spatiale est

supérieure ne sont pas

visualisés (aliasing)

Résolution spatiale

42

Fréquence spatiale

dépend

Caractéristique du

détecteur

Taille des pixels

Diffusion de RX et des

photons dans les

détecteurs

Conversion directe >

Conversion indirecte

Scintillateurs structurés >

non-structurés

Critères de qualité de l’image

43

RESOLUTIO

NCONTRAST

Contraste

44

Quantification

Propriété intrinsèque

d'une image qui quantifie

la différence de

luminosité entre les

parties claires et

sombres d'une image

Le contraste d'une photo

se traduit par la largeur

de son histogramme qui

représente l'écart de

luminosité entre les

pixels les plus clairs et

les pixels les plus foncés

Critères de qualité de l’image

45

NOISE

RESOLUTIO

NCONTRAST

Bruit

46

Bruit

Variations constatées qui se

superposent aux variations

introduites par l’atténuation

des rayons X entre la source

et le détecteur.

Bruit quantique

Ecart-type de la distribution

de la valeur du signal

mesuré dans une région

homogène de l’image

Bruit=σSignalRoi

Bruit

47

Le bruit limite la détectabilité

à bas contraste.

Multiples causes

Bruit stochastique (aléatoire)

Tube à rayons X

Détecteurs

Bruit électronique

Détecteur

Matrice TFT

Critères de qualité de l’image

48

NOISE

RESOLUTIO

NCONTRAST

SNR

49

SNR

Moyenne du signal (μ)

Déviation standard du

bruit (σ)

SNR = μ/σ (dB)

Critères de qualité de l’image

50

NOISE

RESOLUTIO

NCONTRAST

Noise Power Spectrum: NPS

51

Noise Power Spectrum

Ecart-type de l’intensité

du signal pour les

différentes fréquences

spatiales contenues dans

l’image

White noise Blue noise (CT)

Critères de qualité de l’image

52

NOISE

RESOLUTIO

NCONTRAST

Modulation Transfer Function : MTF

53

Caractérise la résolution

spatiale

Traduit la perte de

contraste entre l’entrée et

la sortie du système en

fonction de la fréquence

spatiale

Modulation Transfer Function : MTF

54

Dépends

Du détecteur

De la taille des pixel

De la fréquence de coupure

Cutoff

Frequency

Spatial Frequency (pl/mm)

MTF

Critères de qualité de l’image

55

NOISE

RESOLUTIO

NCONTRAST

Detective Quantum Efficiency : DQE

56

Altération du SNR (dB) entre l’entrée et la sortie du système en fonction de la fréquence spatiale

DQE(f)=(Sf/Bf)2sortie /

(Sf/Bf)2entrée

Capacité du détecteur à utiliser les photons.

Dépend

Dose de RX

kVe

MAS

Fréquence spatiale

FTM

Qualité Globale et dose d’irradiation

57

Concept qui englobe

La résolution spatiale

Le contraste

Le bruit

Object test

Inclusions variables

diamètres : résolution

spatiale

épaisseurs : contraste

Radiographié

Réglages cliniques

Déterminer pour chaque

niveau de contraste, l’objet

de plus petit diamètre

visible.

Take home messages

58

Take home messages

59

De par leurs caractéristiques, les détecteurs numériques ont le potentiel d’améliorer la qualité de l’image produite pour une dose moindre par rapport aux détecteurs analogiques.

Les écrans radioluminescents à mémoire (ERLM), de technologie dite CR (Computed Radiography), enregistrent une image latente et peuvent de ce point de vue etre qualifiés de détecteurs passifs. Le système de lecture permet de convertir l’image latente en image numérique.

La technologie dite DR (Direct Radiography) regroupent des détecteurs numériques à conversion indirecte ou à conversion directe et comprend à la fois des détecteurs plans plein champ ou des systèmes à balayage.

Les performances des détecteurs numériques peuvent etre évaluéesà partir de descripteurs tels que la fonction de transfert de modulation (FTM), le spectre de bruit (NPS) et l’efficacité quantique de détection (EQD).

Les performances des détecteurs ne présentent pas toujours un lien direct avec la qualité clinique de l’image qui peut etre évaluée à l’aide d’objets-tests spécialement concus.

Quiz!!!

60

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Un capteur plan à détection directe n’utilise pas…

100 000 cas par an

A: de scintillateur

C: de photodiode

B: de rayon X

D: de Sélénium amorphe

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Un capteur plan à détection directe n’utilise pas…

100 000 cas par an

A: de scintillateur

C: de photodiode

B: de rayon X

D: de Sélénium amorphe

A: de scintillateur

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Dans un capteur plan à détection indirecte le scintillateur

100 000 cas par an

A: transforme les Rayons X en

courant électrique

C: est placé sous la photodiode

B: guide les photons lumineux

D: contient du Silicone

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Dans un capteur plan à détection indirecte le scintillateur

100 000 cas par an

A: transforme les Rayons X en

courant électrique

C: est placé sous la photodiode

B: guide les photons lumineux

D: contient du Silicone

10 000 cas par anA: de scintillateurB: guide les photons lumineux

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

La résolution spatiale ne dépend pas…

100 000 cas par an

A: de la taille de champ

C: du contraste

B: quantification

D: du post traitement

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

La résolution spatiale ne dépend pas…

100 000 cas par an

A: de la taille de champ

C: du contraste

B: quantification

D: du post traitement

B: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurA: de la taille du champ

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Quel est le critère de jugement le plus complet pour évaluer un

système d’imagerie numérique?

100 000 cas par an

A: La résolution spatiale

C: La résolution en contraste

B: La FTM

D: La DQE

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Quel est le critère de jugement le plus complet pour évaluer un

système d’imagerie numérique?

100 000 cas par an

A: La résolution spatiale

C: La résolution en contraste

B: La FTM

D: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurD: La DQE

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Lequel de ces trois paramètres n’intervient pas dans la

numérisation d’une image?

100 000 cas par an

A: L’échantillonage

C: La résolution temporelle

B: Le format

D: La quantification

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Lequel de ces trois paramètres n’intervient pas dans la

numérisation d’une image?

100 000 cas par an

A: L’échantillonage

C: La résolution temporelle

B: Le format

D: La quantification100 000 cas par anD: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurC: La résolution temporelle

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Quelle est la meilleur mesure de la résolution spatiale?

100 000 cas par an

A: La taille de pixels

C: La taille de la matrice

B: la distance minimale entre

deux objets bien contrastés

D: La DQE

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Quelle est la meilleur mesure de la résolution spatiale?

100 000 cas par an

A: La taille de pixels

C: La taille de la matrice

B: la distance minimale entre

deux objets visibles

D: La DQE

C: La résolution temporelle100 000 cas par anD: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurB: La distance minimale entre

deux objets visibles

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Parmi les avantages de l’imagerie numérique, on ne retient pas…

100 000 cas par an

A: La réduction de l’irradiation

C: L’archivage

B: le rendement

D: La résolution spatiale

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Parmi les avantages de l’imagerie numérique, on ne retient pas…

100 000 cas par an

A: La réduction de l’irradiation

C: L’archivage

B: le rendement

D: La résolution spatialeB: la distance minimale entre

deux objets visiblesC: La résolution temporelle100 000 cas par anD: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurD: La résolution spatiale

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

L’imagerie numérique permet de réduire l’irradiation grâce à…

100 000 cas par an

A: La DQE

C: La mauvaise dynamique

B: l’augmentation du nombre des

clichés non réussis

D: La taille de capteur

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

L’imagerie numérique permet de réduire l’irradiation grâce à…

100 000 cas par an

A: La DQE

C: La mauvaise dynamique

B: l’augmentation du nombre des

clichés non réussis

D: La taille de capteur

100 000 cas par anD: La résolution spatialeB: la distance minimale entre

deux objets visiblesC: La résolution temporelle100 000 cas par anD: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurD: La DQE

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

En imagerie numérique on retient combien de types de détecteur

100 000 cas par an

A: 1

C: 2

B: 3

D: 4

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

En imagerie numérique on retient combien de types de détecteur

100 000 cas par an

A: 1

C: 2

B: 3

D: 4100 000 cas par anD: La résolution spatialeB: la distance minimale entre

deux objets visiblesC: La résolution temporelle100 000 cas par anD: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurD: 4

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Quel paramètre n’est pas lié au contraste

100 000 cas par an

A: FTM

C: NPS

B: SNR

D: DQE

Quelle est l’incidence du cancer du sein en France?

10 000 cas par an

Quel paramètre n’est pas lié au contraste

100 000 cas par an

A: FTM

C: Format

B: SNR

D: DQE100 000 cas par anD: 4100 000 cas par anD: La résolution spatialeB: la distance minimale entre

deux objets visiblesC: La résolution temporelle100 000 cas par anD: La DQE10 000 cas par anA: de la taille de champB: guide les photons lumineux10 000 cas par anA: de scintillateurD: NPS