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

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) CEA/SHFJ

Plan Trois types d’imagerie biomédicale Principales modalités d’imagerie biomédicale Intérêt du traitement d’images biomédicales CEA/SHFJ

Introduction 1895 Aujourd’hui CEA/SHFJ Actuellement, la médecine diagnostique s’appuie de plus en plus sur l’imagerie. L’imagerie permet en effet de regarder à l’intérieur de l’organisme de façon non invasive et sans danger pour le patient. Depuis la première image de rayons X de la main de madame Roentgen en 1895 (date de découverte des rayons X qui s’appellenet comme ça parce qu’on ne connaissait pas leur origine), l’imagerie a connu une évolution spectaculaire, et ce module va vous permettre d’avoir un aperçu sur la richesse et l’étendue des informations auxquelles elle donne maintenant accès. Elle permet actuellement d’examiner non seulement les os, mais aussi les articulations, les viscères, le coeur en mouvement, ou encore l’activité cérébrale. main : radio ou scanner CT: coefficient d’absorption aux rayons X genou : IRM : densité des structures en protons, carte de densité d’eau dans le corps et cerveau vésicule : Ultrasons : variations d’impédance acoustique cerveau : PET FDG (sujet normal) ; densité de radio De façon générale les niveaux de gris dans les images sont liées aux caractéristiques physiques des tissus, voire reliées à des phénomènes physiologiques en imagerie fonctionnelle (IRMf, PET/SPECT) http://www.vh.org/Providers/TeachingFiles/NormalRadAnatomy/Images/Abdomen/USGBAbdomen11.gif.html http://www.vh.org/Providers/TeachingFiles/NormalRadAnatomy/Images/LowerEx/MRICorKneeLwrEx15.html http://www.vh.org/Providers/TeachingFiles/NormalRadAnatomy/Images/UpperEx/APHndUppEx1.html http://prometheus.nucmed.buffalo.edu/nrlgy1.html CEA/SHFJ

Trois types d’imagerie Imagerie morphologique : étude de l’anatomie Radiographie, IRM, scanner X (TDM), échographie : haute résolution spatiale (~1mm) Imagerie fonctionnelle : étude de processus biochimiques et physiologiques En imagerie médicale, il faut en fait distinguer deux types d’imagerie : - l’imagerie morphologique, qui fournit des informations relatives à l’anatomie des organes. - l’imagerie fonctionnelle, qui permet d’étudier des processus métaboliques, biochimiques et physiologiques : Les techniques d’imagerie morphologiques les plus connues sont la radiographie X, la tomodensitométrie X, ou encore l’IRM. En imagerie morphologique, il est important d’avoir une bonne résolution spatiale, pour pouvoir discerner des anomalies de petites tailles. La première technique d’imagerie fonctionnelle qui est apparue est l’imagerie scintigraphique ou imagerie fonctionnelle nucléaire. Actuellement, d’autres modalités permettent de faire de l’imagerie fonctionnelle, telles que l’IRM fonctionnelle, ou la tomodensitométrie avec injection d’un produit de contraste. Mais l’imagerie nucléaire reste l’approche privilégiée pour faire de l’imagerie fonctionnelle. Si elle fournit des informations fonctionnelles complémentaires des informations anatomiques, elle souffre cependant d’une résolution spatiale relativement médiocre. On peut se demander pourquoi l’imagerie anatomique est insuffisante. En fait, souvent, des modifications biochimiques et physiologiques précèdent les altérations anatomiques, ou ne s’accompagnent pas d’altérations anatomiques. D’où l’importance d’avoir un outil pour détecter les anomalies fonctionnelles. http://www.med.harvard.edu/AANLIB/cases/case9/tc1/034.gif imagerie scintigraphique, TEP, SPECT résolution spatiale (~4 à 12mm) Plus récemment toutes les modalités: IRMf, échographie CEA/SHFJ

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 CEA/SHFJ

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) CEA/SHFJ

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

Insuffisance de l’imagerie anatomique Imagerie anatomique normale Imagerie fonctionnelle anormale En imagerie médicale, il faut en fait distinguer deux types d’imagerie : - l’imagerie morphologique, qui fournit des informations relatives à l’anatomie des organes. - l’imagerie fonctionnelle, qui permet d’étudier des processus métaboliques, biochimiques et physiologiques : Les techniques d’imagerie morphologiques les plus connues sont la radiographie X, la tomodensitométrie X, ou encore l’IRM. En imagerie morphologique, il est important d’avoir une bonne résolution spatiale, pour pouvoir discerner des anomalies de petites tailles. La première technique d’imagerie fonctionnelle qui est apparue est l’imagerie scintigraphique, ou imagerie nucléaire. Actuellement, d’autres modalités permettent de faire de l’imagerie fonctionnelle, telles que l’IRM fonctionnelle, ou la tomodensitométrie avec injection d’un produit de contraste. Mais l’imagerie nucléaire reste l’approche privilégiée pour faire de l’imagerie fonctionnelle. Si elle fournit des informations fonctionnelles complémentaires des informations anatomiques, elle souffre cependant d’une résolution spatiale relativement médiocre. On peut se demander pourquoi l’imagerie anatomique est insuffisante. En fait, souvent, des modifications biochimiques et physiologiques précèdent les altérations anatomiques, ou ne s’accompagnent pas d’altérations anatomiques. D’où l’importance d’avoir un outil pour détecter les anomalies fonctionnelles. http://www.med.harvard.edu/AANLIB/cases/case9/tc1/034.gif é modifications physiologiques ou biochimiques précédant les altérations anatomiques CEA/SHFJ

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 CEA/SHFJ

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 CEA/SHFJ

Plan Trois types d’imagerie biomédicale Principales modalités d’imagerie biomédicale Intérêt du traitement d’images biomédicales CEA/SHFJ

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 keV) Imagerie de Médecine Nucléaire (MN) 5.1019 Hz (70 à 511 keV) CEA/SHFJ

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

Comparaison des différentes modalités : Temps d’examen 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 CEA/SHFJ

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 (T1, T2, T2*) en IRM Bruits Artéfacts Pour les US, on mesure les échos réfléchis par les parois du vaisseau et des hémathies du signal US émis par le transducteur CEA/SHFJ

Echographie Texture Bruit (BBG +) / x Résolution (anisotrope + PSF) Dérive du fond (TGC) Ombres, renforcements Image « dérivée » Visualisation des variations d’impédance acoustique Image dérivée pour calculée des vitesses. CEA/SHFJ

Echographie : Image « dérivée » CEA/SHFJ

Echographie : bruits additif et multiplicatif CEA/SHFJ

Tomodensitométrie X Résolution isotrope (Reconstruction spirale) Bruit (Poisson Bruit Blanc Gaussien +) Niveau de Gris absolu (Hounsfield) Imagerie des coefficient d’absorption (ou différences d’atténuation) des rayons X des différents tissus Les niveaux de gris sont reliés aux caractéristiques physiques des différents tissus ; ici mesure de la densité d’absorption des rayons X Taille 512x512x128 resolution .5x.5 x 1mm^3 ; La tomodensitométrie est un système d'imagerie mettant en valeur les différences d'atténuation des rayons x dans les différents constituants de l'organisme. Il s'agit, comme la radiologie, d'un système d'imagerie par transmission, pour lequel le patient est placé entre une source de rayons x et un détecteur. L'appareil est constitué d'un tube à rayons x (similaire à celui utilisé en radiologie conventionnelle) qui tourne autour du patient pendant l'exposition. Des détecteurs placés autour du cercle permettent de recueillir de très nombreuses images de projection qui sont communiquées à un ordinateur qui reconstitue une image représentant une coupe "radiographique" de la structure étudiée. Principe du scanographe Le scanographe est basé sur la mesure des différents coefficients d'absorption d'un corps traversé par un faisceau de rayons X. Chaque corps à son coefficient d'absorption propre qui dépend de la densité du corps de l'énergie du faisceau du rayon X le traversant. Pour la mesure d'un coefficient d'absorption, on utilise un faisceau de rayons X aussi monochromatique (c'est à dire monoénergétique) que possible qui traverse le corps à étudier. Ce faisceau sera altéré suivant les coefficients d'absorption rencontrés sur son parcours; c'est cette altération qui sera mesurée (fig.4). CEA/SHFJ

Médecine Nucléaire Bruit Poissonien sur sinogrammes « Gaussien corrélé » sur image reconstruite Atténuation Diffusion PSF variable CEA/SHFJ

Imagerie par Résonance Magnétique Dérive du fond (Antennes, gradients) T1, T2, T2*, Black blood, ... Temps de vol Bruit (BBG + / Ricien) CEA/SHFJ

Imagerie de vélocimétrie Myocarde, sang, valves Caractéristiques de la modalité Bruit de phase CEA/SHFJ

Plan Trois types d’imagerie biomédicale Principales modalités d’imagerie biomédicale Intérêt du traitement d’images biomédicales CEA/SHFJ

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) CEA/SHFJ

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 (3D+t) Détection d’activation Quantification de l’activité (médecine nucléaire) suivi thérapeutique/ évaluation des traitements CEA/SHFJ