OPTIMISATION DU PROTOCOLE DES MESURES DES RESOLUTIONS SPATIALES D’UNE SONDE ULTRASONORE
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Binse JérômeService biomédical CHU de Nancy
Stage de Master 2 spécialité Ingénierie biomédicale et radiothérapie – 2005/2006
OPTIMISATION DU PROTOCOLE DES MESURES DES RESOLUTIONS
SPATIALES D’UNE SONDE ULTRASONORE
ET REALISATION D’UN CAHIER DES CHARGES EN VUE DU
DEVELOPPEMENT D’UN FANTOME DOPPLER ULTRASONORE
Sommaire• Introduction :
- Le C.H.U. de Nancy- Le service biomédical situé à l’hôpital St Julien
• Objectifs :- Optimisation du protocole SNITEM sur les résolutions spatiales- Cahier des charges du fantôme Doppler ultrasonore à développer
• Première partie :
- Présentation du matériel utilisé- Présentation de l’évaluation manuelle des résolutions spatiales
- Les problèmes posés par la méthode d’évaluation manuelle- Présentation de l’évaluation numérique- Présentation des résultats et conclusion
• Deuxième partie :- Travaux préliminaires- Cahier des charges- Présentation d’un procédé préliminaire et conclusion
• Conclusion et perspectives
Les établissements du C.H.U. de Nancy sont :– Les hôpitaux du site central : l’hôpital central, le centre
St Stanislas, et l’hôpital St Julien.
– Les hôpitaux de Brabois : L’hôpital d’adultes et l’hôpital d’enfants.
– Les hôpitaux Maringer-Villemin-Fourmier.– Le centre Paul Spillmann à Lay-St-Christophe.– L’hôpital Jeanne d’Arc à Dommartin-Lès-Toul
Le C.H.U. de Nancy
Le service biomédical• Ce service est rattaché à la direction des ressources Médico-techniques.
• Il favorise la polyvalence des ingénieurs biomédicaux, au nombre de cinq (Mr Quenton, Mr Volodimer, Mr Winninger, Mlle Peltier, et Mr Racimora), par le changement de fonction.
• Ce service est unique et homogène car les responsables sont regroupés en un seul lieu et travaillent en équipe.
• Les buts de ces ingénieurs sont :
-Le remplacement pendant leurs absence,
-La communication et le partage d’informations lors de réunions,
-La participation à la mise en place de la GMAO,
-La participation à la démarche qualité-accréditation du C.H.U.
Les objectifs du stage
Les objectifs de ce stage ont été multiples :
• Optimiser le protocole SNITEM (Syndicat National de l’Industrie des Technologies Médicales) des mesures des résolutions spatiales (axiale et latérale) d’une sonde ultrasonore.
• Réaliser un cahier des charges permettant la confection d’un fantôme doppler ultrasonore.
• Participer à des entretiens avec des entreprises qui seront présentes pour des appels d’offre, et participer à des contrôles préventifs sur appareils d’imagerie.
Optimisation du protocole SNITEM : Matériel
Echographe Aplio de Toshiba
Sonde PLT-805AT de Toshiba
Les matériels utilisés pour l’analyse des résolutions sont les suivants :
• L’échographe Aplio de Toshiba du service de radiologie de l’hôpital d’enfants.
• La sonde linéaire PLT-805AT de Toshiba.
• Un dispositif de stabilité composé d’une table à verniers (trois dimensions), de la sonde linéaire décrit précédemment, et du fantôme ultrasonore RMI 403 GS LE.
Optimisation du protocole SNITEM : Matériel
Dispositif de stabilité et de mise à niveau (vue de profil)
Dispositif de stabilité et de mise à niveau (vue de derrière)
Sonde Fantôme
Table X-Y
Niveaux
x
y
z
Vernier z
Vernier x
Vernier y
• Un protocole de mesure a été mis en place afin que les manipulations soient identiques pour chaque opérateurs (qui sont au nombre de quatre).
• Placement des curseurs sur l’image échographique du fil nylon du fantôme ultrasonore :
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation manuelle
AB
Schéma méthodologique des résolutions axiale (A) et latérale (B)
Image du fil nylon avec placement des curseurs
• Les mesures se sont portées sur les quatre premiers fils nylon du fantôme
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation manuelle
Schéma interne du fantôme ultrasonore RMI 403 GS LE
• La précision du calculateur (0.1mm) peut avoir une influence sur la cible.
Optimisation du protocole SNITEM : Les problèmes de l’évaluation manuelle
Représentation schématique de l’image du fil nylon avec les
distances :A = 0.5 mmB = 0.6 mmC = 0.4mm
Image réelle du fil nylon avec les distances :A = 0.5 mmB = 0.6 mm
C = 0.4mm
CAB
• Le placement du curseur est dépendant de l’opérateur du fait de l’existence d’une transition entre le niveau de signal maximal et et le niveau du signal du gel.
Optimisation du protocole SNITEM : Les problèmes de l’évaluation manuelle
Représentation schématique de l’image du fil nylon dans son milieu environnant ( le gel )
Niveau de signal maximal
correspondant au fil nylon (0.1mm de
diamètre) sur lequel porte la
mesure de résolution
Transition entre le niveau de signal
maximal et le niveau du signal du gel
Niveau de signal du gel
• Cette évaluation est une solution aux problèmes de l’évaluation manuelle.
• Elle se fait à l’aide d’un « freeware » appelé « ImageJ » qui permet de faire apparaître des courbes de niveaux de gris ( les abscisses étant en pixel et les ordonnées en niveaux de gris ).
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation numérique
Courbe de niveaux de gris correspondant au segment d’analyse de la résolution latérale
• Relever la valeur du pic maximal du signal qui correspond à l’image du fil nylon (valeur A).
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation numérique
A
Courbe de niveaux de gris avec la valeur maximale A
• Calculer ensuite un niveau de gris maximal moyen pour le gel ; pour se faire, tracer les tangentes au pic principal. Et faire une moyenne (valeur B) des cinq pics maximaux du gel.
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation numérique
DC
Courbe de niveaux de gris de la résolution latérale avec tracé des tangentes
B1B2 B3
B4
B5
B
Courbe de niveaux de gris avec les valeurs maximales secondaires B1 à B5 et la valeur
moyenne B de celles-ci
• Calculer la valeur P donnée par l’équation : P = ((A-B)/2)+B. Cette formule nous permet de prendre en considération la moyenne du signal ultrasonore du gel.
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation numérique
P
Courbe de niveaux de gris avec valeur calculée P
• Compter le nombre de pixels qui séparent les deux points d’intersection de la courbe de niveaux de gris et de la droite de niveau P (distance EF), et convertir cette distance numérique en distance métrique.
Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation numérique
P
E F
Courbe de niveaux de gris avec la valeur calculée P, et les deux points d’intersection E et F
Plusieurs types de comparaisons ont pu être réalisées :
– Une comparaison des résultats d’une résolution en fonction de la fréquence d’émission, dans les deux modes, pour les deux méthodes, pour une profondeur d’analyse donnée, et pour un opérateur donné.
Optimisation du protocole SNITEM : Présentation des résultats
Méthode numériqueMéthode manuelle
Résolution axiale du fil 1 à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de la fréquence (Première
série de l'opérateur 1)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15
Fréquence (Mhz)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (
mm
)
Modefondamental
Mode THI
Résolution axiale du fil 1 à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de la fréquence (Première
série de l'opérateur 1)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15
Fréquence (Mhz)
Réso
luti
on
axia
le (
mm
)Modefondamental
Mode THI
Courbes comparatives des deux méthodes en résolution axiale pour les deux modes de la sonde linéaire
• Une comparaison inter-opérateur des résultats d’une résolution en fonction de la fréquence d’émission, pour les deux méthodes, pour un mode donné, pour une profondeur d’analyse donnée.
Optimisation du protocole SNITEM : Présentation des résultats
Méthode manuelle Méthode numérique
Résolution axiale en mode fondamental du fil 2 à 4.4mm de profondeur d'analyse en fonction de la
fréquence
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15
Fréquence (Mhz)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (m
m)
Opérateur 1
Opérateur 2
Opérateur 3
Opérateur 4
Résolution axiale en mode fondamental du fil 2 à 4.4mm de profondeur d'analyse en fonction de la
fréquence
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15
Fréquence (Mhz)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (m
m)
Opérateur 1
Opérateur 2
Opérateur 3
Opérateur 4
Courbes comparatives des deux méthodes en résolution axiale pour le mode fondamental de la sonde linéaire
• Une comparaison intra-opérateur des résultats d’une résolution en fonction de la fréquence d’émission, pour les deux méthodes, pour un mode donné, pour une profondeur d’analyse donnée.
Optimisation du protocole SNITEM : Présentation des résultats
Méthode manuelle Méthode numérique
Résolution axiale du fil 1 en mode fondamental à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de
la fréquence
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15
Fréquence (Mhz)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (m
m)
Première série
Deuxième série
Résolution axiale du fil 1 en mode fondamental à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de
la fréquence
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 5 10 15
Fréquence (Mhz)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (m
m)
Première série
Deuxième série
Courbes comparatives des deux méthodes en résolution axiale pour le mode fondamental de la sonde linéaire
• Une comparaison des déviations standards inter-opérateur des résultats d’une résolution en fonction de la profondeur d’analyse, pour les deux méthodes, pour un mode donné, et pour une fréquence donnée.
Optimisation du protocole SNITEM : Présentation des résultats
Méthode manuelle Méthode numérique
Déviation standard de la résolution latérale en mode fondamental des quatre fils à une fréquence
de 5 Mhz
0
0,20,4
0,60,8
1
1,21,4
1,61,8
2
0 5 10 15
Profondeur d'analyse (mm)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (m
m) Diamètre réel
du f il Fil 1
Fil 2
Fil 3
Fil 4
Mesure Say(manuelle)
Déviation standard de la résolution latérale en mode fondamental des quatre fils à une fréquence
de 5 Mhz
0
0,2
0,40,6
0,8
1
1,2
1,41,6
1,8
2
0 5 10 15
Profondeur d'analyse (mm)
Rés
olu
tio
n a
xial
e (m
m) Diamètre réel
du f ilFil 1
Fil 2
Fil 3
Fil 4
Mesure say(manuelle)
Figure 60 : Courbes comparatives des deux méthodes en résolution latérale pour le mode fondamental de la sonde linéaire
Nous pouvons en conclure que :
– La dispersion autour de la valeur moyenne est moins étendue avec la méthode numérique (meilleure fiabilité des mesures).
– La remarque précédente est beaucoup plus remarquable en résolution latérale du fait de la grande zone de transition entre le signal maximal et celui du gel.
– On peut enfin noter que les valeurs des mesures des résolutions axiale et latérale se rapprochent du diamètre réel du fil nylon plus la fréquence d’émission augmente, et d’une façon plus significative pour le mode fondamental que pour le mode THI.
Optimisation du protocole SNITEM : Conclusions
– Une bibliographie des fantômes Doppler ultrasonore existant sur le marché a été confectionnée ; les principaux constructeurs sont : CIRS, ATS Laboratories, Gammex RMI, Blue Phantom, et Dansk Phantom Service.
– La norme IEC 61685 déclare les paramètres qui peuvent être mesurés avec le montage d’essais. Les normes IEC 61895 et IEC 61206 décrivent les méthodes de mesure. L’extension de la norme IEC 61685 est un partie relative la conception d’un fantôme à flux.
Réalisation d’un cahier des charges : Etude de l’existant et étude normative
Le Blue Phantom patient pending Doppler
Simulateur de flux sanguin pour échographie (70)
Cardiac Doppler flow phantom (523 and 523A)
• Le mode Doppler est basé sur l’analyse des célérités du flux sanguin afin d’y percevoir l’existence d’anomalies qui seraient à la base de perturbations de la vitesse de celui-ci.
• Le signal Doppler rétro-diffusé par les hématies sanguines peuvent être séparées en deux groupes après démodulation : le signal doppler utile et les signaux parasites.
• Les caractéristiques communes à ces parasites sont une énergie importante et une fréquence basse ; c’est cette deuxième caractéristique qui va permettre l’élimination de ces parasites afin qu’ils n’interfèrent pas dans les calculs.
Réalisation d’un cahier des charges : Analyse préliminaire
• Afin de palier à ce problème, des filtres réglables selon les besoins sont mis à la disposition de l’utilisateur, et vont donc couper ces fréquences basses indésirables.
• Le contrôle qualité de ces filtres n’existant pas, c’est pour cette raison que l’idée de l’étude de la confection d’un fantôme doppler ultrasonore est arrivée, car celui-ci pourra permettre de contrôler l’efficacité de ces filtres présents sur les échographes.
Réalisation d’un cahier des charges : Analyse préliminaire
Réalisation d’un cahier des charges : Cahier des charges
Contraintes techniques demandées pour le contrôle qualité
Solutions techniques résultantes
Le système doit être portablePoids et dimensions permettant le transport
du système
Le système doit pouvoir être mis dans une solution aqueuse
L’objet test doit être construit de matériaux étanches
Le système doit permettre des conditions idéales pour un contrôle qualité optimal
La direction du flux sanguin simulé doit être identique au faisceau ultrasonore
Le système doit permettre la stabilité de la sonde ultrasonore sur la partie du système
permettant le contrôle qualité
Un système de potence démontable avec mise à niveau doit âtre incorporé à la partie
analyse
Le système sera désinstallé et réinstallé fréquemment
L’ensemble du système de contrôle qualité doit être solide, facile et rapide à monter et
à démonter
Le système doit permettre le contrôle de tous les filtres de l’appareil d’échographie
Le système doit incorporer un générateur de fréquence et un variateur de tension du
signal
• Ce fantôme permet d ‘évaluer la performance des calculateurs à retransmettre les fréquences réelles du signal mesuré.
• Il est composé d’une plaque circulaire pouvant vibrée à des fréquences différentes.
Réalisation d’un procédé préliminaire
Fantôme Doppler ultrasonore de sensibilité ‘Model 59’ de ‘CIRS’
• La sonde ‘PLF-50FT’ de Toshiba est une sonde cardiaque (phased-array) avec une fréquence d’émission de 5 MHz.
• L’échographe ‘sonolayer SSA-270A’ de Toshiba utilisé pour les tests possède quatre filtres passe-haut : 2 pour le mode Doppler continu (7 et 13 niveaux) et 2 pour le mode Doppler pulsé (7 et 13 niveaux).
Réalisation d’un procédé préliminaire
Sonde ‘PLF-50FT’ de Toshiba
Echographe ‘Sonolayer SSA-270A’
de Toshiba
• Un système de haut-parleur relié à un générateur de fréquence avec un signal sinusoïdal est mis en place, la sonde étant maintenue sur ce haut-parleur à l’aide d’une potence qui se trouve être la table X-Y décrite dans la partie précédente.
Réalisation d’un procédé préliminaire
Générateur de fréquence
Haut-parleur
Potence de la sonde
Sonde ultrasonorePLF-50FT
Système d’analyse des filtre de l’échographe Placement de la sonde sur la membrane du haut-parleur
• Ce système est donc relié à l’échographe au niveau de la sonde. Plusieurs appareils périphériques sont installés :
– Un reprographe pour l’impression de certains clichés échographiques.
– Un oscilloscope pour contrôler précisément l’amplitude du signal sinusoïdal.
– Un moniteur supplémentaire qui a pour objectif d’afficher directement le ou les clichés mis en mémoire par le reprographe, afin d’éviter de jongler entre la mémoire du reprographe et l’image en temps réel.
Réalisation d’un procédé préliminaire
Réalisation d’un procédé préliminaire
Moniteur supplémentaire
Echographe
Reprographe
Système d’analyse des
filtres
Oscilloscope
Echographe ‘Sonolayer SSA-270A’avec ses périphériques et le système d’analyse des filtres
Repérage du signal maximal avec la fenêtre d’analyse rétrécie
Signal maximal
Zone d’analyse rétrécie
• Un protocole préliminaire de détection de la membrane a pu être mis en place.
• Il a permis de valider les plages de réglage des filtres de l’échographe.
• Les mesures ont été interrompues par une panne de l’échographe.
• Ce procédé reste insuffisant mais donne de bonnes bases pour un futur développement.
Réalisation d’un cahier des charges et du procédé préliminaire : Conclusion
• Aboutissement prochain sur l’analyse des résolutions spatiales à l’aide d’une étude statistique complémentaire.
• Rédaction d’un article pour un magazine biomédical.
• Manipulation sur échographes et contrôle qualité.
• Etude bibliographique approfondie.
• Mise en œuvre d’un procédé préliminaire avec continuité du projet.
• Entretiens avec des entreprises privées.
Conclusion et perspectives
Merci de votre attention
Questions