Introduction limagerie biomdicale Philippe Ciuciu CEASHFJ ciuciushfj cea

Introduction à l’imagerie biomédicale Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ) ciuciu@shfj. cea. fr http: //www. madic. org/people/ciuciu ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 1

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) ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 2

Plan Ø Trois types d’imagerie biomédicale Ø Principales modalités d’imagerie biomédicale Ø Intérêt du traitement d’images biomédicales ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 3

Introduction • 1895 • Aujourd’hui ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 4

Trois types d’imagerie • Imagerie morphologique : étude de l’anatomie Radiographie, IRM, scanner X (TDM), échographie : haute résolution spatiale (~1 mm) • Imagerie fonctionnelle : étude de processus biochimiques et physiologiques imagerie scintigraphique, TEP, SPECT résolution spatiale (~4 à 12 mm) Plus récemment toutes les modalités: IRMf, échographie ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 5

Trois types d’imagerie • 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 ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 6

Introduction à l’imagerie fonctionnelle • 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) ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 7

Insuffisance de l’imagerie anatomique • Imagerie morphologique suspecte • Imagerie fonctionnelle anormale é caractéristiques fonctionnelles indispensables pour statuer sur la nature d’une anomalie anatomique ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 8

Insuffisance de l’imagerie anatomique • Imagerie anatomique normale • Imagerie fonctionnelle anormale modifications physiologiques ou biochimiques précédant les altérations anatomiques é ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 9

Insuffisance de l’imagerie fonctionnelle • Imagerie fonctionnelle anormale Absence de repère anatomique • Imagerie anatomique nécessaire à la localisation des anomalies fonctionnelles Imageries anatomiques et fonctionnelles : complémentaires David Brasse, University of Pittsburgh ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 10

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 ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 11

Plan Ø Trois types d’imagerie biomédicale Ø Principales modalités d’imagerie biomédicale Ø Intérêt du traitement d’images biomédicales ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 12

Comparaison des différentes modalités : Phénomène physique mis en jeu • 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 ke. V) • Imagerie de Médecine Nucléaire (MN) – 5. 1019 Hz (70 à 511 ke. V) ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 13

Comparaison des différentes modalités : Mode de formation de l’image • Modalité « directe » – Radiographie • Nécessité d’une « reconstruction » – Tomographie Scanner (X)- SPECT - PET – Fourier (2 D ou 3 D) IRM • Construction d’images – Ultrasons ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 14

Comparaison des différentes modalités : Temps d’examen • • PET SPECT Radiologie Tomodensitométrie IRM Echographie Doppler 4 mm à 60 mn 6 mm à 60 mn rés. 0. 1 mm 0. 02 s /3 s 1 mm 2 s / 30 s 1 mm 0. 05 s / 20 mn 1 mm 0. 02 s 3 mm 0. 05 s Compromis résolution spatiale –temps d’acquisition ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 15

Caractéristiques des images • Contenu du pixel/voxel – Réflexion ultrasonore (interface) – Atténuation des rayons X (TDM, scanner X) – Concentration du radio-traceur (PET/SPECT) – Densité de protons (T 1, T 2*) en IRM • Bruits • Artéfacts ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 16

Echographie • • • Texture Bruit (BBG +) / x Résolution (anisotrope + PSF) Dérive du fond (TGC) Ombres, renforcements Image « dérivée » ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 17

Echographie : bruits additif et multiplicatif ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 19

Tomodensitométrie X • Résolution isotrope (Reconstruction spirale) • Bruit (Poisson Bruit Blanc Gaussien +) • Niveau de Gris absolu (Hounsfield) ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 20

Médecine Nucléaire • Bruit – Poissonien sur sinogrammes – « Gaussien corrélé » sur image reconstruite • Atténuation • Diffusion • PSF variable ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 21

Imagerie par Résonance Magnétique • • Dérive du fond (Antennes, gradients) T 1, T 2*, Black blood, . . . Temps de vol Bruit (BBG + / Ricien) ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 22

Imagerie de vélocimétrie • Myocarde, sang, valves • Caractéristiques de la modalité • Bruit de phase ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 23

Plan Ø Trois types d’imagerie biomédicale Ø Principales modalités d’imagerie biomédicale Ø Intérêt du traitement d’images biomédicales ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 24

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) ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 25

Traitement d’images fonctionnelles • 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 (3 D+t) • Détection d’activation – Quantification de l’activité (médecine nucléaire) • suivi thérapeutique/ évaluation des traitements ESIEA – Imagerie biomédicale CEA/SHFJ 26