Biophysique et Mdecine Nuclaire Imagerie Numrique Elmnts de

Biophysique et Médecine Nucléaire Imagerie Numérique Eléménts de traitement de l’image 2010 - 2011 J. Benoliel MCU - PH

IMAGERIE MÉDICALE TRAITEMENT DE L’IMAGE Ø Du signal analogique au signal numérique Ø Image numérique en Médecine Ø Traitements d’images Ø Formats d’images. PACS

SIGNAUX ANALOGIQUES & DIGITAUX Interface Analogique/Digital Échantillonnage + Quantification = Numérisation ou Digitalisation Signaux Analogiques continus 0010101101110 Signaux Digitaux discrets

LE SIGNAL ANALOGIQUE Ø Il est mesurable et possède 2 types de composantes : – Déterministe: connaissant f(r) à un instant donné, il est possible de prédire f(r) à un instant t suivant – Aléatoire : signaux imprévisibles qui ajoutent un bruit au signal utile. On ne peut en faire qu’une description statistique. Ø Quelle est l’origine des signaux aléatoires ? Interne organe traitement Externe organe traitement Vibrations circuits Parasites radioélectriques d’origine humaine Bruit thermique Parasites radioélectriques d’origine naturelle (orages, . . ) Rapport Signal / Bruit Rapport de la puissance du signal utile à la puissance du bruit qui pollue ce signal S/B = VS / VB

EXEMPLES Ø Médecine Nucléaire : – Signal fc du nombre de désintégrations/sec. Comptage aléatoire, lié au phénomène radioactif. Ø IRM : – Signal fc d’un signal électrique. Une grande partie provient de mouvements électroniques parasites des circuits de détection. Ø Radiologie : – Signal fc d’un flux de photons X très important. Petite partie de signaux aléatoires due au comportement de chaque photon vis-à -vis de la matière. Conclusion : Tout phénomène mesuré est à la fois déterministe, car il existe une valeur moyenne prévisible, et aléatoire, car, il existe des fluctuations plus ou moins importantes suivant la précision de mesure du phénomène

NUMÉRISATION (1) Ø Etape 1 : Echantillonnage ou Discrétisation Transforme tout signal continu en une suite discrète de valeurs instantanées prises à des instants périodiques t+k. Te s(t) S(tk) fc de t devient Suite discrète, avec tk= t+k. Te, Te = période d’échantillonnage, Fe = 1/ Te fréquence d’échantillonnage Ø Etape 2 : Numérisation ou Digitalisation Transforme la suite S(tk) en une suite de nombres représentant les différents niveaux du signal. Convertisseurs Analogiques / Digitaux = circuit unique pour ces 2 opérations.

NUMÉRISATION (2) Signal Analogique Echantillonné Numérique Echantillonnage Quantification C. A. D. Système Analogique Numérique Echantillonnage = Découpage du signal analogique en classes de signaux identifiables (Ex : téléphone et découpage de la voix en plages de temps Problème majeur : Attention à l’échantillonnage afin de perdre le minimum d’informations et obligation de restituer le signal de départ.

NUMÉRISATION (3) Théorème de Shannon d(t- nt) = 1 si t = t 0 - n. T Ø Fc « Peigne » de DIRAC d(t- nt) = 0 si t t ≠ 0 - n. T 1 -4 T -3 T -2 T -T 0 T 2 T 3 T 4 T f(x) F(x) = f(x). d (t) -4 T -2 T -T 0 T 2 T 3 T 4 T -3 T Ø Shannon : Retrouver le signal de départ ssi la fréquence d’échantillonnage >= 2 fois la fréquence max du signal de départ. Nb de dents du « peigne » = nb de signaux différents échantillonnés

NUMÉRISATION (4) Exemple T 2 T 3 T 4 T 5 T Signal analogique périodique : T = fréquence d’échantillonnage T 2 T 3 T 4 T 5 T Trop faible : une partie du signal est numérisée T 2 T 3 T 4 T Correcte : le signal est bien numérisé 5 T

EXEMPLE DE NUMÉRISATION

IMAGERIE MÉDICALE TRAITEMENT DE L’IMAGE Ø Du signal analogique au signal numérique Ø Image numérique en Médecine Ø Traitements d’images Ø Formats d’images. PACS

IMAGE NUMÉRIQUE EN MÉDECINE Ø Visualisation d’un paramètre (signal) quantifié Ø Important de connaitre le paramètre pour une interprétation correcte de l’image. Médecine Nucléaire Répartition d’une fonction biologique IRM Différence de temps de relaxation TDM Atténuation des rayons X par les tissus

QUANTIFICATION DU SIGNAL Médecine Nucléaire (X, Y) X Emission photons 1 2 3 4 g 9 7 8 Y 5

Photons g incidents PHOTOMULTIPLICATEUR THT => Courant électrique Ce courant est directement proportionnel aux nb de photons incidents. - La photocathode provoque la conversion du flux de photons incidents en un flux d'électrons ; - Un multiplicateur d'électrons formé d'une succession d'électrodes, appelées dynodes, multiplient en cascade le nombre d'électrons pénétrant dans le PM ; - Une anode chargée de recueillir le flux d'électrons issu de la dernière dynode du multiplicateur et sur laquelle le signal de sortie est prélevé.

IMAGE NUMÉRIQUE Echantillonnage : Décomposition de l’image en « pixels » (picture element) Quantification : Chaque pixel représente une valeur numérique moyenne de l’intensité du signal détecté par la machine Médecine Nucléaire : Nb d’impacts de photons repérés par les PM Matrice 4 x 5 10 25 2 2 6 0 270 14 135 0 2 356 53 241 2 0 58 68 15 23

IMAGES NUMÉRIQUES Echelles de couleurs 500 10 25 469 6 0 2 380 140 135 0 212 356 53 241 2 0 58 23 68 15 400 300 200 Image numérique 100 0 Image en « fausses couleurs » Echelle de couleurs

FORMATS D’IMAGE Format 256 x 256 = 65536 pixels Format 64 x 64 = 4096 pixels

Exemple Echelle Couleur « Rainbow »

Exemple Echelle Couleur «Gray »

Exemple Echelle Couleur «Hot »

IMAGERIE MÉDICALE TRAITEMENT DE L’IMAGE Ø Du signal analogique au signal numérique Ø Image numérique en Médecine Ø Traitements d’images Ø Formats d’images. PACS

BUT DU TRAITEMENT D’IMAGE Ø Modifier des caractéristiques de l’image afin de faire ressortir les aspects intéressants – – Intensité, contraste Taille, orientation Réduction du niveau de bruit de fond Améliorer la détection du contour des objets. Ø Faire des analyses quantitatives sur l’image – Quantification d’un paramètre au sein de l’image

TRAITEMENT D’IMAGE (1) 10 25 2 6 380 250 182 140 2 380 140 135 370 380 140 235 2 356 530 241 365 356 53 441 0 58 23 68 356 460 490 530 Image numérique zoomée

TRAITEMENT D’IMAGE (2) Scintigraphie Rénale

TRAITEMENT D’IMAGE (3) Ventriculographie

IMAGERIE MÉDICALE TRAITEMENT DE L’IMAGE Ø Du signal analogique au signal numérique Ø Image numérique en Médecine Ø Traitements d’images Ø Formats d’images. PACS

P. A. C. S Picture Archiving and Communication Systems Dossier médical informatisé Intérêts : * Sauvegarde automatique des images de toutes les unités d’imagerie * Diffusion vers les unités cliniques * Partie intégrante du dossier patient

FORMATS D’IMAGES Taille matrice Nb pixels acquisition Médecine Nucléaire IRM 256 x 256 65536 512 x 512 262144 1024 x 1024 TDM 512 x 512 262144

512 x 512 256 x 256 128 x 128 64 x 64

FORMATS D’IMAGES Ø Taille d’ images : Ø Le nombre total de pixels (nb de lignes multiplié par nb de colonnes) est la définition de l'image. Le nombre de pixels pour une surface donnée (cm 2 par exemple) est la résolution. Ø La taille de la matrice image est un compromis entre la résolution et la statistique de comptage. (128 x 128 ; 256 x 256 ou 512 x 512 en Médecine Nucléaire, 512 x 512 ou plus en IRM ou Radiologie X). Ø L'identificateur de l'image (header): Renseignements associés aux images qui précisent la nature de l'image et de l'examen Identification du patient, de l'examen (date, appareil utilisé, . . ) Les données d'acquisition (isotope utilisé, taille de la matrice, nb total d'images dans la série, . . Des données particulières ( orientation des coupes, . . )

FORMATS D’IMAGES Ø Formats propriétaires Ø Tous les constructeurs ont développé leur propre format d'images. En général sur le même modèle, mais incompatibles entre eux. Différences au niveau de l'en-tête ou de la taille, ou du codage des informations Problèmes pour la consultation, le transfert ou la superposition d'images de constructeurs différents (imagerie multimodalité). Ø Standardisation Réflexion entre constructeurs et médecins nucléaires Format INTERFILE Faciliter le transfert de données entre systèmes de MN. Format DICOM • Développement d'autres techniques d'imagerie (IRM, tomodensitométrie) Besoins nouveaux de format d'image: • Faciliter la communication de données numériques entre constructeurs • Faciliter l'archivage et la communication avec d'autres systèmes (PACS ) • Création de base de données diagnostiques interrogeables à distance. Ce format prend en compte la manière dont s'effectuent les échanges. Il utilise des normes de réseau standard (TCP/IP)

FORMATS D’IMAGE STANDARDS Ø GIF Format très utilisé. Plus petite taille possible, max de 256 couleurs, INTERNET Ø JPEG Standard de la compression d’images, taille raisonnable, Jusqu’à 16 millions de couleurs, INTERNET Ø BMP Taille max, standard de Windows, Peu d’intérêt, intermédiaire entre un dessin et une transformation en Gif ou Jpeg. Ø Codage des couleurs par pixel 1 bit : 2 valeurs (0/1). Valable texte en N/B 8 bits : 28 = 256 couleurs GIF 24 bits: 224 = 16 777 216 couleurs JPEG

FORMATS D’IMAGE STANDARDS AVANTAGES INCONVÉNIENTS Formats propriétaires GIF, JPEG Uniquement sur la machine dédiée Non transférables Tout logiciel PC, Internet, compressé Logiciels spécifiques INTERFILE Tous constructeurs, faciles à mettre en, œuvre Uniquement médecine DICOM Toutes modalités. Transferts, PACS Licence chère, lourd à mettre en œuvre, indispensable nucléaire.

COMPRESSION D’IMAGES Différents algorithmes de compression sans pertes 400 k. Oc 40 k. Oc

STOCKAGE D’IMAGES Ø Législation : n’existe que pour les dossiers papier (30 ans). Ø Problème : Comment garder a long terme des documents informatiques, sachant que la durée de vie des supports (disques optiques, bandes magnétiques, CD, DVD, . . ) est très aléatoire ! Ø PACS : Stockage et diffusion d’images dans l’hôpital