1ESIEA – Imagerie biomédicaleCEA/SHFJ Introduction à limagerie biomédicale Philippe Ciuciu...
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CEA/SHFJ 1ESIEA – Imagerie biomédicale
Introduction à l’imagerie
biomédicale
Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ)
http://www.madic.org/people/ciuciu
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CEA/SHFJ 2ESIEA – Imagerie biomédicale
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)
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CEA/SHFJ 3ESIEA – Imagerie biomédicale
Plan
Trois types d’imagerie biomédicale
Principales modalités d’imagerie biomédicale
Intérêt du traitement d’images biomédicales
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CEA/SHFJ 4ESIEA – Imagerie biomédicale
• Aujourd’hui
Introduction
• 1895
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CEA/SHFJ 5ESIEA – Imagerie biomédicale
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
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CEA/SHFJ 6ESIEA – Imagerie biomédicale
•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
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CEA/SHFJ 7ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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
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CEA/SHFJ 8ESIEA – Imagerie biomédicale
• Imagerie morphologique suspecte
• Imagerie fonctionnelle anormale
caractéristiques fonctionnelles indispensables pour statuer sur la nature d’une anomalie anatomique
Insuffisance de l’imagerie anatomique
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CEA/SHFJ 9ESIEA – Imagerie biomédicale
• Imagerie anatomique normale
• Imagerie fonctionnelle anormale
modifications physiologiques ou biochimiques précédant les altérations anatomiques
Insuffisance de l’imagerie anatomique
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CEA/SHFJ 10ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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
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CEA/SHFJ 11ESIEA – Imagerie biomédicale
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
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CEA/SHFJ 12ESIEA – Imagerie biomédicale
Plan
Trois types d’imagerie biomédicale
Principales modalités d’imagerie biomédicale
Intérêt du traitement d’images biomédicales
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CEA/SHFJ 13ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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
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CEA/SHFJ 14ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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
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CEA/SHFJ 15ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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
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CEA/SHFJ 16ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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
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CEA/SHFJ 17ESIEA – Imagerie biomédicale
Echographie• Texture• Bruit (BBG +) / x• Résolution (anisotrope + PSF)• Dérive du fond (TGC)• Ombres, renforcements• Image « dérivée »
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CEA/SHFJ 19ESIEA – Imagerie biomédicale
Echographie : bruits additif et multiplicatif
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CEA/SHFJ 20ESIEA – Imagerie biomédicale
Tomodensitométrie X• Résolution isotrope
(Reconstruction spirale)• Bruit (Poisson Bruit
Blanc Gaussien +)• Niveau de Gris absolu
(Hounsfield)
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CEA/SHFJ 21ESIEA – Imagerie biomédicale
Médecine Nucléaire• Bruit
– Poissonien sur sinogrammes – « Gaussien corrélé » sur image reconstruite
• Atténuation• Diffusion • PSF variable
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CEA/SHFJ 22ESIEA – Imagerie biomédicale
Imagerie par Résonance Magnétique
• Dérive du fond (Antennes, gradients)• T1, T2, T2*, Black blood, ... • Temps de vol• Bruit (BBG + / Ricien)
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CEA/SHFJ 23ESIEA – Imagerie biomédicale
Imagerie de vélocimétrie
• Myocarde, sang, valves• Caractéristiques de la modalité• Bruit de phase
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CEA/SHFJ 24ESIEA – Imagerie biomédicale
Plan
Trois types d’imagerie biomédicale
Principales modalités d’imagerie biomédicale
Intérêt du traitement d’images biomédicales
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CEA/SHFJ 25ESIEA – Imagerie biomédicale
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)
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CEA/SHFJ 26ESIEA – Imagerie biomédicale
• 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