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Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006 Soutenance.

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1 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006 Soutenance de thèse pour lobtention du grade de docteur de lULP Spécialité : Électronique, Électrotechnique et Automatique Jury Pr. Olivier BONNAUDRapporteur externe Pr. Olivier BONNAUDRapporteur externe Pr. Pierre AMBSRapporteur externe Pr. Pierre AMBSRapporteur externe Pr. Fabrice HEITZRapporteur interne Pr. Fabrice HEITZRapporteur interne Dr. HDR Yannick HERVEDirecteur de thèse Dr. HDR Yannick HERVEDirecteur de thèse Dr. Wilfried UHRINGExaminateur Dr. Wilfried UHRINGExaminateur Dr. Jean-Baptiste FASQUELExaminateur Dr. Jean-Baptiste FASQUELExaminateur Dr. Pascal JOFFREMembre invité Dr. Pascal JOFFREMembre invité

2 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Sommaire Contexte du projet et motivations Contexte du projet et motivations Les processeurs optiques Les processeurs optiques Aspect matériel Aspect matériel Applications Applications Conclusions Conclusions

3 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Contexte Projet POEME Instrumentation optique Instrumentation optique Mecatronique Mecatronique Initiative / Coordination Initiative / Coordination Applicatifs médicaux Applicatifs médicaux Électronique Électronique Aspect matériel Aspect matériel Modélisation système Modélisation système Photonique Photonique Traitement optique de linformation Traitement optique de linformation PARTENARIAT CIFRE

4 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Contexte Motivations & Perspectives Besoin : Vitesse de reconstruction Exemple : Assistance à lacte chirurgical - Robotique Illustration : Fréquence des mouvements « humains » : 0-10 Hz Asservissement efficace si fréquence de commande > 50 Hz. Asservissement efficace si fréquence de commande > 50 Hz. Images 512² x coupes/sec Images 512² x coupes/sec Temps de reconstruction 2 coupes/sec (2003) Temps de reconstruction 2 coupes/sec (2003) Contraintes matérielles Robustesse Précision Autonomie Réactivité Contraintes logicielles Acquisition dimages durant lintervention Reconstruction rapide Post-traitement rapide Calcul des commandes

5 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Contexte Motivations & Perspectives Pr. Russel H. Taylor (2003 – John Hopkins U) Prospective vers des solutions alternatives Traitement optique de linformation « La robotique chirurgicale est à lheure actuelle au même point que la robotique industrielle en 1972 » Potentiel dévolution de la robotique chirurgicale Potentiel dévolution de lélectronique classique >>

6 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Sommaire Contexte du projet et motivations Contexte du projet et motivations Les processeurs optiques Les processeurs optiques Aspect matériel Aspect matériel Applications Applications Conclusions Conclusions

7 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Les processeurs optiques Principe de fonctionnement Traitement optique de linformation = Tirer partie des avantages des propriétés de loptique des propriétés de loptique Vitesse de calcul Parallélisme massif

8 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales SOURCE SYSTEME DAFFICHAGE SYSTEME OPTIQUE DE TRAITEMENT SYSTEME DACQUISITION Les processeurs optiques Principe de fonctionnement CONTRÔLEUR

9 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Les processeurs optiques Principe de fonctionnement

10 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Les processeurs optiques Principe de fonctionnement

11 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Les processeurs optiques Principe de fonctionnement

12 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Les processeurs optiques Principe de fonctionnement

13 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Les processeurs optiques Principe de fonctionnement

14 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Les processeurs optiques Principe de fonctionnement

15 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Avantage Gain apporté en temps de calcul Gain apporté en temps de calcul Exemple : Processeur optique de filtrage dimages 1 khZ (pour des filtrages nécessitant le passage à la TF). Avantage augmente avec la taille des images Avantage augmente avec la taille des images RAPIDITE DE CALCUL TypeMatérielAccélération PC classique Power G5 DC 125 DSP « float » Tiger Sharc 66 FPGA « fixed » Stratix II 20 SupercalculateurBlueGene0,001 Les processeurs optiques Potentiel

16 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Défauts Qualité de traitement Qualité de traitement Bruit propre au traitement Bruit propre au traitement Quantification des données Quantification des données Acquisition quadratique Acquisition quadratique Bruits optiques Bruits optiques Analyse en simulation Analyse en simulation Manque de souplesse Manque de souplesse Les processeurs optiques Potentiel PERTE DE QUALITE

17 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Facteur de mérite Les processeurs optiques Potentiel

18 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Sommaire Contexte du projet et motivations Contexte du projet et motivations Les processeurs optiques Les processeurs optiques Aspect matériel Aspect matériel Applications Applications Conclusions Conclusions

19 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Polychrom. LaserDiode Laser Aspect Matériel Sources de lumière Sources cohérentes Sources non-cohérentes LED Monochrom.

20 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Aspect Matériel Systèmes dacquisition Caméras rapides à base de capteur CMOS Fort marché Fort marché Capteurs et systèmes complets en plein essor Capteurs et systèmes complets en plein essor Performances adaptées Performances adaptées Matériel standard et bon marché (~1000 ) Matériel standard et bon marché (~1000 ) Dvlp dune caméra à écriture directe Capteur CMOS rapide 1280x1024 – 12µm 1000 fps DAC 10 bits Electronic True SNAP Shutter

21 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Aspect Matériel Systèmes daffichage Afficheurs rapides Peu de systèmes commerciaux qui conviennent Peu de systèmes commerciaux qui conviennent Marché restreint Marché restreint Plusieurs technologies Plusieurs technologies

22 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Aspect Matériel Systèmes daffichage Travaux sur les systèmes daffichage à FLC Caractérisation dun FLC-A commercial Caractérisation dun FLC-A commercial Mise en évidence de limitations importantes (non- uniformité, non-linéarité, rémanence, …) Mise en évidence de limitations importantes (non- uniformité, non-linéarité, rémanence, …) Dynamique réelle < 5 bits. Dynamique réelle < 5 bits. ~ ~ Etude des techniques daugmentation de dynamique Etude des techniques daugmentation de dynamique Problèmes en lumière cohérente Problèmes en lumière cohérente Fortes limitations Fortes limitations Prototypage virtuel dun modulateur analogique rapide à base de FLC-B Prototypage virtuel dun modulateur analogique rapide à base de FLC-B

23 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Géométrie dune cellule FLC stabilisée en surface Position des molécules contrôlées par E Aspect Matériel Modèle de FLC-B Axe rapide Axe lent

24 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Modèle du SSFLC-B en VHDL-AMS Basé sur le modèle physique Basé sur le modèle physique Complété par des modèles comportementaux Complété par des modèles comportementaux Comportement optique Comportement optique Température Température Comportement électronique Comportement électronique Transport dions Transport dions Validation Validation « expérimentalement » : littérature « expérimentalement » : littérature Modèles descriptifs valides par nature Modèles descriptifs valides par nature Aspect Matériel Modèle de FLC-B

25 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Résultats de simulations Aspect Matériel Modèle de FLC-B

26 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Aspect Matériel Prototypage virtuel dune commande Principe de la commande Temps Tension Angle azimutal FLC Cellule Tb

27 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Temps Aspect Matériel Prototypage virtuel dune commande Signal de positionnement : 10 V à 600 µs. Signal de positionnement : 10 V à 600 µs. Signal de maintien : ± 1 V à 1 MHz. Signal de maintien : ± 1 V à 1 MHz.

28 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Même signal de commande Même signal de commande Température varie de 20° à 25° Température varie de 20° à 25° La sortie varie du noir au blanc La sortie varie du noir au blanc Calibration ou asservissement Calibration ou asservissement Aspect Matériel Prototypage virtuel dune commande 20° 25°

29 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Sommaire Contexte du projet et motivations Contexte du projet et motivations Les processeurs optiques Les processeurs optiques Aspect matériel Aspect matériel Applications Applications Conclusions Conclusions

30 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Système dacquisition (2D) Données acquises Atténuation du faisceau par lobjet Atténuation du faisceau par lobjet Exp de la transformée de Radon de lobjet Exp de la transformée de Radon de lobjet Application Principe de la tomographie

31 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Inversion de la transformée de Radon Rétroprojections filtrées (FBP) Rétroprojections filtrées (FBP) Complexité de calcul Complexité de calcul Filtrage : O(N 2 ) Filtrage : O(N 2 ) Rétroprojection : O(N 3 ) Rétroprojection : O(N 3 ) Implémentation optique Implémentation optique Filtrage Filtrage Rétroprojection Rétroprojection Filtrage de chacune des projections (à angle constant) Rétroprojection Algorithme FBP Application Principe de la reconstruction

32 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Rétroprojection Application Rétroprojection optique - Principe

33 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Filtrage optique des projections Montage de type Vander Lugt Problèmes liés à lacquisition quadratique Problèmes liés à lacquisition quadratique Filtre passe-bas pour la dérivation Filtre passe-bas pour la dérivation Calcul dune racine carrée non-linéarité Calcul dune racine carrée non-linéarité Problèmes liés à la quantification Problèmes liés à la quantification Problèmes liés à la lumière cohérente Problèmes liés à la lumière cohérente Résultat expérimental de reconstruction Résultat expérimental de reconstruction

34 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Principe

35 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Principe

36 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Principe

37 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Principe

38 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Principe

39 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Principe

40 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Potentiel Accélération apportée par le calcul optique

41 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Modèle complet du rétroprojecteur optique Modèle complet du rétroprojecteur optique Problèmes de quantification Problèmes de quantification Quantification à laffichage Quantification à laffichage Quantification à lacquisition Quantification à lacquisition Alignement géométrique Alignement géométrique Positionnement du prisme Positionnement du prisme Alignement du prisme Alignement du prisme Evaluation de la qualité Evaluation de la qualité Comparaison avec limage reconstruite numériquement Comparaison avec limage reconstruite numériquement Critères statistiques / adaptés à limage Critères statistiques / adaptés à limage Application Rétroprojection optique - Simulation

42 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Effet de la quantification Application Rétroprojection optique - Simulation

43 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Simulation Accumulation de k images soit Sur le capteur Sur le capteur Par post-traitement Par post-traitement Compromis : nombre Compromis : nombre dacquisitions / reconstruction (N ACQ ) dacquisitions / reconstruction (N ACQ ) Temps de calcul Dynamique de limage en sortie

44 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Simulation Alignements

45 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Résultats de simulations Effets premier ordre pour tous les bruits. Effets premier ordre pour tous les bruits. Pour avoir un SNR de 30 dB Pour avoir un SNR de 30 dB Alignements radiaux ~ 1 pixel Alignements radiaux ~ 1 pixel Alignements angulaires ~ 0.1° Alignements angulaires ~ 0.1° Exemple de déformation Exemple de déformation Application Rétroprojection optique - Simulation

46 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Rétroprojection optique - Prototype

47 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Fantôme 5% derreur de classification 5% derreur de classification Précision des paramètres des ellipses > 90% Précision des paramètres des ellipses > 90% Application Rétroprojection optique - Résultats

48 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Images Visuellement Visuellement Détails présents Détails présents Effet « flou » Effet « flou » SNR > 10 dB SNR > 10 dB Application Rétroprojection optique - Résultats

49 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Cas pratique de reconstruction En réalité, systèmes dacquisition plus complexes Scanners hélicoïdaux Scanners hélicoïdaux

50 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Méthode ASSR Transformation du jeu dacquisitions 3D en série de jeux 2D Transformation du jeu dacquisitions 3D en série de jeux 2D Utilisation de plans inclinés interpolant la trajectoire de la source Utilisation de plans inclinés interpolant la trajectoire de la source Reconstruction planaire Reconstruction planaire Utilisation dun processeur optique Utilisation dun processeur optique Application Cas pratique – Algorithme ASSR

51 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Filtrage de chacune des projections (à angle constant) Rétroprojection Algorithme FBP Recombinaison Reconstruction dans chaque plan Algorithme ASSR Interpolation Application Cas pratique – Algorithme ASSR

52 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Cas pratique – Implémentation hybride Mémoire Scanner Mémoire Locale Acquisitions utiles Unité de recombinaison Tampon Sinogrammes // Unité de filtrage Unité de rétroprojection Tampon Coupes obliques Unité dinterpolation Tampon Coupes transversales

53 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Cas pratique – Implémentation hybride Coprocesseur de recombinaison (FSM) Coprocesseur de recombinaison (FSM) Mémoire locale contenant les acquisitions utiles Mémoire tampon contenant les sinogrammes parallèles Unité de contrôle Mémoire adresse Mémoire correct. X

54 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Cas pratique – Implémentation hybride Coprocesseur de reconstruction planaire Coprocesseur de reconstruction planaire Système 100% optique Système 100% optique Processeur optique de filtrage Processeur optique de filtrage Processeur optique de rétroprojection Processeur optique de rétroprojection Système hybride Système hybride Processeur numérique de filtrage (DSP) Processeur numérique de filtrage (DSP) Processeur optique de rétroprojection Processeur optique de rétroprojection Coprocesseur dinterpolation Coprocesseur dinterpolation

55 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Application Cas pratique – Implémentation hybride Bilan des performances Filtrage numérique limitant Filtrage numérique limitant Filtrage optique Filtrage optique DSP en // DSP en // Gain ~ 30. Gain ~ 30. Besoin : 500 coupes/sec Optique à moins dun ordre de grandeur

56 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Résultats expérimentaux (images Siemens) Application Cas pratique – Implémentation hybride

57 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Conclusions Bilan sur laspect matériel Bilan sur laspect matériel Interfaces optoélectroniques critiques Interfaces optoélectroniques critiques Cadence Vitesse de traitement Cadence Vitesse de traitement Qualité Qualité de traitement Qualité Qualité de traitement Caméra rapide OK Caméra rapide OK Afficheur rapide Afficheur rapide Non-cohérent Matrices à LEDS Non-cohérent Matrices à LEDS Cohérent SLM à développer Cohérent SLM à développer Performances actuelles confirment le potentiel Performances actuelles confirment le potentiel Profiter du développement de lélectronique pour évoluer Profiter du développement de lélectronique pour évoluer

58 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Conclusions Bilan sur laspect applicatif Bilan sur laspect applicatif Filtrage par voie optique : incompatible avec lapplication Filtrage par voie optique : incompatible avec lapplication Rétroprojection optique Rétroprojection optique Résultats très encourageants Résultats très encourageants Conditions expérimentales à améliorer Conditions expérimentales à améliorer Système hybride Système hybride Réduction du temps de calcul Réduction du temps de calcul Brevet n° 06/08361 du 22/09/2006 Brevet n° 06/08361 du 22/09/2006 Matériel standard Matériel standard Perspectives médicales intéressantes Perspectives médicales intéressantes

59 Morgan MADEC 10/11/ / 60 Conception, simulation et réalisation dun processeur optique pour la reconstruction dimages médicales Conclusions Perspectives Perspectives Prototype Prototype Affichage adapté à nos besoins Affichage adapté à nos besoins Système optique dans des conditions optimales (solid state optic, intégration, …) Système optique dans des conditions optimales (solid state optic, intégration, …) Validation : système dassistance peropératoire Validation : système dassistance peropératoire Veille technologique : optique vs numérique Veille technologique : optique vs numérique Transfert technologique Transfert technologique

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