1ESIEA – Imagerie biomédicaleCEA/SHFJ Introduction à limagerie biomédicale Philippe Ciuciu...

CEA/SHFJ 1ESIEA – Imagerie biomédicale

Introduction à l’imagerie

biomédicale

Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)

[email protected]

http://www.madic.org/people/ciuciu


Cours inspiré du module du Master de physique

médicale et biologique

Université de Paris Sud, Orsay

Supports utilisés : cours d’Irène Buvat

(http://www.guillement.org/irene)


Plan

Trois types d’imagerie biomédicale

Principales modalités d’imagerie biomédicale

Intérêt du traitement d’images biomédicales


• Aujourd’hui

Introduction

• 1895


Trois types d’imagerie

• Imagerie fonctionnelle : étude de processus biochimiques et physiologiques

Radiographie, IRM, scanner X (TDM), échographie :haute résolution spatiale (~1mm)

• Imagerie morphologique : étude de l’anatomie

imagerie scintigraphique, TEP, SPECTrésolution spatiale (~4 à 12mm)Plus récemment toutes les modalités:IRMf, échographie


•Imagerie moléculaire• - visualisation de gènes ou de protéines• spécifiques, ou de signaux émanant de• ces entités• - résolution spatiale moins cruciale • - actuellement essentiellement développée• chez le petit animal • - SPECT, PET, IRM, TDM, imagerie optique

Trois types d’imagerie


• Etude de la fonction d’un organe

- synthèse d’une molécule

- utilisation d’une molécule pour synthétiser une substance

- fonction mécanique

• Etude de la perfusion d’un organe

• Généralement, vision plus « macroscopique » que ce que l’on entend par imagerie moléculaire (imagerie des gènes et des protéines)

Introduction à l’imagerie fonctionnelle


• Imagerie morphologique suspecte

• Imagerie fonctionnelle anormale

caractéristiques fonctionnelles indispensables pour statuer sur la nature d’une anomalie anatomique

Insuffisance de l’imagerie anatomique


• Imagerie anatomique normale

• Imagerie fonctionnelle anormale

modifications physiologiques ou biochimiques précédant les altérations anatomiques

Insuffisance de l’imagerie anatomique


• Imagerie fonctionnelle anormaleAbsence de repère anatomique

• Imagerie anatomique nécessaire à la localisation des anomalies fonctionnelles

David Brasse, University of Pittsburgh

Insuffisance de l’imagerie fonctionnelle

Imageries anatomiques et fonctionnelles : complémentaires


Comparaison des différentes modalités

• Radiologie (RX)– Rayons X - Transmission

• Imagerie de Médecine Nucléaire (MN) – Rayons - Emission

• Imagerie Ultrasonore (US)– Ultrasons - Excitation / Lecture

• Imagerie de Résonance Magnétique (IRM)– Spin (du proton) - Excitation / Lecture


Plan





• Imagerie Ultrasonore (US)– 5.106 Hz

• Imagerie de Résonance Magnétique (IRM)– 50.106 Hz

• Micro ondes Infrarouge Visible Ultraviolet• Radiologie (RX)

– 1019 Hz (20 à 150 keV)• Imagerie de Médecine Nucléaire (MN)

– 5.1019 Hz (70 à 511 keV)

Comparaison des différentes modalités :Phénomène physique mis en jeu


• Modalité « directe »– Radiographie

• Nécessité d’une « reconstruction »– Tomographie Scanner (X)- SPECT - PET– Fourier (2D ou 3D) IRM

• Construction d’images– Ultrasons

Comparaison des différentes modalités :Mode de formation de l’image


• PET 4 mm à 60 mn• SPECT 6 mm à 60 mn• Radiologie rés. 0.1 mm 0.02s /3 s• Tomodensitométrie 1 mm 2s / 30 s• IRM 1 mm 0.05 s / 20 mn• Echographie 1 mm 0.02 s• Doppler 3 mm 0.05 s

Compromis résolution spatiale –temps d’acquisition

Comparaison des différentes modalités :Temps d’examen


• Contenu du pixel/voxel– Réflexion ultrasonore (interface)– Atténuation des rayons X (TDM, scanner X)– Concentration du radio-traceur (PET/SPECT)– Densité de protons (T1, T2, T2*) en IRM

• Bruits

• Artéfacts

Caractéristiques des images


Echographie• Texture• Bruit (BBG +) / x• Résolution (anisotrope + PSF)• Dérive du fond (TGC)• Ombres, renforcements• Image « dérivée »


Echographie : bruits additif et multiplicatif


Tomodensitométrie X• Résolution isotrope

(Reconstruction spirale)• Bruit (Poisson Bruit

Blanc Gaussien +)• Niveau de Gris absolu

(Hounsfield)


Médecine Nucléaire• Bruit

– Poissonien sur sinogrammes – « Gaussien corrélé » sur image reconstruite

• Atténuation• Diffusion • PSF variable


Imagerie par Résonance Magnétique

• Dérive du fond (Antennes, gradients)• T1, T2, T2*, Black blood, ... • Temps de vol• Bruit (BBG + / Ricien)


Imagerie de vélocimétrie

• Myocarde, sang, valves• Caractéristiques de la modalité• Bruit de phase


Plan





Traitement d’images morphologiques

• Opérations morphologiques canoniques– Quantification : niveaux de gris/échelles de couleur – Correction de biais d’intensité– Interpolation : résolution - échantillonnage– Filtrage spatial du bruit – Restauration par réhaussement de contraste– Reconstruction de volumes à partir de projections– Segmentation des tissus– Recalage multisujets (études de groupe)


• Opérations fonctionnelles canoniques– Segmentation fonctionnelle– Recalage anatomo-fonctionnel multimodal– Fusion d’informations (eg EEG/IRMf)– Filtrage temporel : débruitage, élimination de dérives– Analyse statistique des séquences d ’images (3D+t)

• Détection d’activation

– Quantification de l’activité (médecine nucléaire) • suivi thérapeutique/ évaluation des traitements

Traitement d’images fonctionnelles

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