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Amélioration de la résolution des examens tomoscintigraphiques myocardiques en utilisant un filtre de restauration de type Metz Raja GUEDOUAR raja_guedouar.

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1 Amélioration de la résolution des examens tomoscintigraphiques myocardiques en utilisant un filtre de restauration de type Metz Raja GUEDOUAR yahoo.fr Boubaker ZARRAD Habib HASSINE Habib ESSABBEH Unité dimagerie médicale- Faculté de Médecine de Sousse-Tunisie Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

2 Plan Présentation des images de la Médecine Nucléaire – La projection – La tomographie Bases physiques et mathématiques Filtres – Passe-bas – Restauration – Comparaison entre Passe-Bas et Restauration Elaboration dun filtre de type METZ – Mesure de la RI et Calcul de la FTM – Optimisation par la puissance spectrale et visuellement Conclusion et perspectives

3 Tomoscintigraphie myocardique La théorie sur laquelle est fondée la détermination de la perfusion myocardique par limagerie nucléaire est simple : Si un traceur diffusible est injecté dans une veine, sa distribution initiale dans les tissus sera proportionnelle au débit sanguin régional. Si le traceur a une destinée intracellulaire, il restera fixé un certain temps selon sa répartition initiale et si le traceur est radioactif et émet des rayons gamma de basse énergie ou moyenne énergie, il peut être détecté par une gamma – caméra, et la perfusion myocardique peut être étudiée par la mesure de la distribution spatiale du radio élément dans le myocarde. Le Thallium 201 sous forme de Chlorure, a été adopté comme traceur radioactif, sa distribution initiale est fonction du flux sanguin.Lacquisition tomographique la plus utilisée en MN, est la SPECT mais ces imagesscintigraphiques ont tendance à manquer de contraste : seul le myocarde bien perfusé est distingué. Des informations morphologiques (volume…), dynamiques ou fonctionnelles (perfusion…) ne sont pas facilement accessibles par le clinicien. Doù la nécessité dun traitement préalable.

4 Présentation des images de la Médecine Nucléaire Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

5 Tête de détectionUnité de stockage et de traitement Schéma dune GC équipée de son collimateur et son système électronique et informatique.

6 Cristal scintillant Champ de vue Rayonnements source radioactive Collimateur à canaux parall è les : Seul le photon parall è le aux canaux sera d é tect é

7 Le principe général de la tomographie repose sur l'acquisition de projections de l'organe à explorer, à partir d'un plan de coupe image F, par rotation du détecteur (ici la g-caméra). Pour chaque angle de projection un profil de la radioactivité émise par l'organe est enregistré. Chaque plan image correspond à une coupe de l'organe. Acquisition d'une projection à partir de la radioactivité émise par le cerveau Méthodes de reconstruction tomographique Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

8 Tomoscintigraphie à photon unique (SPECT) Principe: -injection dun radiotraceur qui a lavantage de se fixer dans un organe specifique -acquisition des photons uniques émises dans la direction perpendiculaire de collimateur -determination de la position demission des photons acquises SPECT: Permet d'obtenir une représentation 3D d'une distribution radioactive à partir de plusieurs projections acquises autour du patient Le détecteur est animé d'un mouvement de rotation autour du patient 360° (cerveau) ou 180° (myocarde) par un le pas angulaire petit. La reconstruction des coupes transversales est réalisée par la rétroprojection filtrée ( technique la plus courante ) ou par des methodes analythiques iteratives Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

9 La projection

10 Modèle mathématique dune projection RI : Réponse impulsionnelle de la gamma caméra. Fonction : · du collimateur, · du rayonnement diffusé, · de la profondeur de la source. B : Bruit de Poisson ( bruit quantique ) dû au caractère aléatoire des émissions radioactives. N: nombre de coups au pixel(x,y); Im(x,y)=N ( N ) 1/2 Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

11 La Rétroprojection dans 4 directions d'un objet elliptique - Si le nombre de projection est infini, on retrouve la forme originale de l'objet. - Mais les contours ne sont pas nets à cause les artefacts laissés par la rétroprojection - Pour éviter ces artefacts, il faut filtrer les lignes de projections avec le filtre rampe Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

12 Bases physiques et mathematiques Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

13 Système: Gamma-caméra (RI ou FTM) o(x,y) O(u,v) i(x,y) I(u,v) I(u,v)= O(u,v). FTM (u,v) + B(u,v) i (x,y) = o(x,y) * RI(x,y) + b(x,y) Produit de convolution Domaines spatial et fréquentiel Domaine spatial o(x,y) RI i(x,y) Domaine fréquentiel O(u,v) FTM I(u,v ) TFD TFDI Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Multiplication

14 La LMH correspond à la résolution spatiale de la Gamma caméra. C'est la taille de la plus petite structure qui peut être détectée La FTM est exprimée par le rapport contraste image sur contraste objet. TFD x 1 A RI LMH (en mm ou pixel) FTM Fréquence spatial (en cycle/mm ou cycle/pixel) Fmax=0.5 cycle/pixel Fmax u A 1 d(x,y) : dirac RI(x,y) Système: Gamma-caméra Mesure de la RI Calcul de la FTM Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

15 La transformation discrète de Fourier 1D Transformée de Fourier continue Transformée de Fourier discrète TFI TF Domaine spatial Domaine fréquentiel TFDI TFD Domaine spatialDomaine fréquentiel Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

16 Partie réelle Partie imaginaire Partie réelle ImageTFD lignesTFD colonnes Spectre Centrage TFDI lignesCentrageTFDI colonnes La transformation discrète de Fourier 2D Echelle Logarithmique

17 Filtres Une projection est dégradée par : – La présence de rayonnement diffusé et la résolution limitée en énergie du détecteur ; – Le bruit de poisson : étant donné le nombre de coups limité, les projections présentent un taux de bruitage important; Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois La résolution spatiale limitée du système détecteur associé à son collimateur (de lordre du cm). doù la nécessité dappliquer un traitement pour corriger ces facteurs: Atténuation, diffusion et perte en résolution Une qualité médiocre des tomographiques reconstruites à partir de ces projections

18 Exprim é e g é n é ralement à l aide de largeur à mi – hauteur ( FWHM ) de la r é ponse impulsionnelle moyenne, la r é solution spatiale est par d é finition la distance minimale permettant de s é parer visuellement deux sources ponctuelles. En tomographie, la r é solution spatiale de la gamma – cam é ra est affect é e, é norm é ment, par la profondeur de l objet. Visuellement, cette perte en r é solution induit un flou dans les images reconstruites. Du point de vue quantitatif, la RI d é t é riore l aspect quantitatif des images. Il est donc n é cessaire, voire obligatoire dans le cadre d une quantification pr é cise, de corriger ce facteur de d é gradation. Résolution spatiale Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Correction de la perte en résolution spatiale se fait en générale par lapplication du filtrage

19 Améliorer la qualité de l'image en améliorant la résolution spatiale et (ou) en supprimant une partie du bruit Gamma-caméra o(x,y) O(u,v) i(x,y) I(u,v) Filtre h(x,y) ou H(u,v) i'(x,y) =h(x,y) * i(x,y) I'(u,v) =H(u,v). I(u,v) i'(x,y) doit être la plus proche possible de o(x,y) But Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Définition Filtre: Cest lensemble des opérations arithmétiques de traitement appliquées à une image et qui modifie la distribution fréquentielle de ses composantes Filtres sont appliqués en domaine spatial ou en domaine fréquentiel D. Spatial: h(x,y) * D. Fréquentiel : H(u,v).

20 Les différentes étapes du filtrage dans le domaine spatial FFTD FFTITronc. Image bruteImage filtrée Spectre (echelle Ln) X X Filtre 2D = = Spectre Filtré Images tronquées Affichage

21 Choix de la fonction de filtrage D é tecteurs GC non parfaits (collimateur) Seules les fr é quences les plus basses pr é sentes dans l objet seront transmises correctement Pour compenser cet inconv é nient, la fonction du filtrage choisie doit permettre: l amplification des basses fr é quences: Amplification des informations utiles la r é cup é ration des moyennes fr é quences o ù il peut exister des informations utiles L é limination des hautes fr é quences: Pr é dominance du bruit Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Par contre, les hautes fréquences qui contiennent des informations utiles sur les contours de lorgane sont noyées dans le bruit, ce ci va causer des incertitudes dans la detetection du contour

22 Analyse de spectre (la puissance spectrale) dune projection Puissance Spectrale (image f(x,y))=(TFD(f(x,y))))²

23 Description ² Basses fréquences Moyennes fréquences Hautes fréquences I(u,v)>>B(u,v) I(u,v) ~B(u,v) I(u,v)<

24 Les filtres de restauration sont d é sign é s pour la d é convolution de la r é ponse impulsionnelle du syst è me de d é tecteur de l image obtenue avec la contrainte de minimiser l effet du bruit Restauration dimages Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 L ensemble des m é thodes d é velopp é es pour compenser les d é gradations connues ou estim é es et r é tablir la qualit é initiale Filtres de restauration Amélioration de la résolution

25 Description But : Retrouver une image aussi proche que possible de lobjet Conditions Estimation du bruit de limage Connaissance de la FTM Résultat Réduction du bruit Amélioration de la résolution spatiale Description Filtre inverse en basses fréquences Filtre passe-bas en hautes fréquences Deux filtres Filtre de Metz Filtre de Wiener Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

26 Réponse idéale dun filtre de restauration utilisé en MN InverseTransitionLissage 0 0,25 0,5 Fréquence spatial ( cycles/pixel ) Amplitude 0 0,5 1 1,5 2 2,5 Filtre inverse

27 Lissage annulaire dans lespace fréquentiel Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

28 d é termine où où le filtre doit converger vers un gain nul et d é termine l effet du filtre qui agit sur le bruit et la r é solution pour la même image la fréquence de coupure Fc faible : bonne suppression du bruit + d é gradation de la r é solution Fc é lev é e : persistance du bruit + bonne r é solution compromis Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

29 Les filtres passe-bas But : Atténuation du bruit de Poisson Réduction du bruit Détérioration de la résolution spatiale Moyenne pondérée Hanning Butterworth Résultats Exemples Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

30 Réponse fréquentielle du filtre de Butterworth -Préserve les basses et moyennes fréquences -Présente une raideur douce pour éviter le phénomène de Gibbs (oscillations dans le domaine spatial )

31 Amplitude 0 0, ,25 0,5 Fréquence spatiale ( cycles/pixel ) Filtre inverse X= u Le filtre de Metz x : facteur du filtre de Metz, peut être adapté au niveau du bruit de l'image donc au nombre de comptage x=15 x=10 x=7 x=5 x=3 x=2 x=1 : Correspond à la FTM de forme gaussienne FTM: soit estimée à partir de limage dégradée soit calculée à partir des RI mesurée directement, sous lappareil

32 Fr é quence spatiale (cycle/pixel) Le logarithme, en base de 10, normalis é de la puissance spectrale à deux dimensions apr è s avoir effectuer un lissage annulaire dans l espace, en fonction des fr é quences, pour trois acquisitions, avec diff é rents niveaux de comptage, effectu é es sur un fantôme. La moyenne de lamplitude PS du bruit quantique est égale au nombre de coups total. Fc en fonction du comptage

33 BruteButterworthMetz Comparaison entre filtres passe-bas et restauration

34 Pratique Elaboration dun filtre de Metz pour la restauration des tomoscintigraphies myocardiques Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

35 Objectif Mise au point dun filtre de restauration pour les tomoscintigraphies cardiaques applicable en routine dans le service de MN Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Pratique

36 Procédure doptimisationet de conception: Adopter les mêmes conditions dacquisition réelles de lexamen scintigraphique (énergie, traceur,distance source collimateur, matrice dacquisition, rotation,..) Mesurer la RI (en faisant lacquisition dune source ponctuelle) et calculer la FTM correspondante Chercher un modèle (gaussian, exponentiel..) qui presente une bonne corrélation avec la FTM expérimentale. Lintroduire dans léquation de Metz. Optimiser le choix de x tel que le filtre garde un gain supérieur à 1 pour toutes les fréquences inférieures de la fréquence correspondant au début de prédominance du bruit

37 Mesure de la RI H varie de 0 à 10 cm

38 Calcul de la FTM RI après lissage annulaire 1D RI à 15cm du collimateur et à 3 cm dans leau FTM réelle et approchées

39 Tableau des mesures de la RI et de la FTM Profondeur (cm) LMH (pixels) coefficient de corrélation ,5 2,5 2,5 2,5 0,0054 0,0055 0,0055 0,0049 0,004 0,9812 0,9955 0,9953 0,9892 0,9872 LMH mesurées, et correspodant au modèle gaussien La FTM retenue pour le traitement des projection du myocarde est: FTM(u,v)=exp(-0,0055.(u²+v²)) Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

40 Optimisation par la puissance spectrale et visuellement Image filtrée Lobservateur incrémente ou décrémente X Projection bruitée Affichage Image filtrée Calcul : FFT et PS de la projection. Initialisation : X=10 Affichage de Ln(PS) Filtrage ( =0,0055) Choix de X par un observateur expérimenté Affichage allure filtre et Fc Oui Non

41 Page daccueille logiciel principal

42 Interface programme-utilisateur Filtre deMETZ Allure du filtre optimal Fc fixe X variable

43 Acquisition sur fantôme Fantôme Acquisition dune projection

44 Résultats 1 Taille réelle du fantôme ButterworthMetz Gain en résolution Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

45 FiltreBruteHanning Butterworth Metz Puissance pectrale et allure du filtre Filtered Projection Transverse Slice Sagittal Slice Coronal Slice Effet du choix du filtrage bidimensionnel en pre-reconstruction Butterworth est mieux que Hanning:moins du bruit et plus de resolution Mais Metz est mieux que Butterworth: Une meilleure resolution

46 Résultats 2 bruteMetzButterworth Projections Tomographies Rétroprojection filtrée par rampe Amélioration du contraste pour les tomographies filtrée par Metz en préreconstruction Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003

47 roi 1: roi 2: 9 coups/pixel 101 coups/pixel Cm moyen = 83% 1 2 Metz Résultats 3 roi 1: roi 2: 27 coups/pixel 99 coups/pixel Cb moyen = 57% 2 1 Butteworth Augmentation du contraste des tomographies filtrées en préreconstruction par Metz Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Amélioration de la résolution de lexamen tomoscintigraphies myocardiques filtrées en préreconstruction par Metz

48 Conclusion et perspectives Lapplication et loptimisation du filtre de Metz en pre-reconstruction pour les tomographies myocardiaques permet Introduire une amélioration qualitative et quantitative Permettre une interprétation plus aisée des examens en temps réel Elle est en plus Rapide Pratique Interactive Validation de ces résultats observés sur des images simulées Utilisation pour la quantification de la perfusion Perspectives Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003 Corriger la perte en résolution spatiale

49 Merci pour votre attention…. Journées Jeunnes Chercheurs Aussois 2003 Raja

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