Traitement des signaux physiologiques F.KOHLER

Traitement des signaux physiologiques Objectifs Citer les principes de la numérisation des signaux physiologiques Connaître l'aide apportée par les techniques de traitement du signal à la pratique clinique courante. Argumenter à partir d'exemple Expliquer la nécessité d'intégrer les données en provenance de plusieurs sources pour aider à la décision

Traitement des signaux physiologiques Situations Mesures répétitives et rapprochée de paramètres physiologiques : enregistrement des signaux électriques (ECG, EEG, potentiel évoqués...), de meurer des pressions (TAS, TAD...), des fréquences (FC, FR), des débits ou des températures. D'une façon générale, les signaux physiologiques varient de manière continue au cours du temps. Le recueil s'effectue grâce à un capteur d'entrée qui transforme le signal d'entrée (pression, température...) en un signal électrique qui peut être amplifié et visualisé sur un écran cathodique.

Traitement des signaux physiologiques Principes de la numérisation Le signal électrique issu du capteur fait l'objet d'un traitement analogique (amplification, filtrage...) puis subit une conversion analogique->digitale qui consiste à échantillonner à fréquence fixe le signal pour en donner une valeur comprise entre un minimum et un maximum avec un nombre de valeurs possibles fini (256 si on utilise une conversion A/D sur 8 bits) Capteur Traitement Analogique Conversion Analogique/Digitale Traitement Numérique Patient Appareillage Biomédical classique Micro-ordinateur Amplitude Signal analogique Valeurs des points acquis

Conversion analogique->numérique La transformation analogique-> numérique est imparfaite. La perte d'information due la transformation peut être contrôlée par le choix de la fréquence d'échantillonnage et par le nombre de bits affecté à chaque mesure. Pour N bits affecté à la mesure, on peut distinguer 2 puissance N valeurs. La fréquence d'échantillonnage doit être au moins du double de la fréquence du signal échantillonné. Par exemple pour le traitement de l'électrocardiogramme, on échantillonne à une fréquence de 500 HZ. D'après "Informatique médicale P. Degoulet, M. Fieschi" Masson

Techniques de base Amélioration du signal recherché Augmentation du rapport signal/bruit par des techniques de moyennage de signal et d'autocorrélation ou par des techniques de filtrage numérique. Extraction de traits pertinents Analyse de Fourier pour l'EEG quantifié par exemple Reconnaissances de formes Reconnaissance d'extrasystoles auriculaires ou ventriculaires

Applications médicales Analyse de l'ECG Aux USA 50% des tracés ECG sont analysés de manière automatique par un ordinateur. Les enregistrements peuvent être stockés sous forme numérique. A partir des séquence ECG, les programmes permettent la mesure des différents paramètres (P-R, Q-T, R-R...) mais également l'interprétation des tracés pathologiques (extrasystole, trouble de la repolarisation) La technique de Holter d'enregistrement continu de l'électrocardiogramme en ambulatoire aboutit à une cassette magnétique lue et interprétée par un ordinateur.

Applications médicales Analyse de l'EEG Il s'agit essentiellement d'une quantification et d'une aide à l'interprétation. Utilisé pour le PEV et PEA mais aussi pour l'analyse du sommeil Mesure ambulatoire de la tension artérielle Comme pour le signal ECG, la pression artérielle est mesurée périodiquement (la fréquence est déterminée par le clinicien : toutes les 5, 10,... minutes) à l'aide d'un brassard et d'un enregistrement sur une cassette magnétique qui est ensuite analysée par un ordinateur.

Surveillance en soins intensifs Certains systèmes commercialisés (HP notamment) permettent d'intégrer la plupart des paramètres physiologiques qui sont surveillés en réanimation (pression artérielle, ECG, fréquence cardiaque, débit urinaire, débits de perfusion, paramètres biologique fondamentaux (PO2, glycémie...) Les fonctions disponibles permettent : De présenter les résultats sous forme appropriée (graphique) D'interpréter les informations (calculs instantanés, calcul de tendances sur des périodes prolongées... D'interpréter des profils d'évolutions De déclencher des alarmes de plus en plus "intelligentes" sachant distinguer artefacts (déplacement d'une électrode par exemple) de phénomènes réels d'effectuer des rétrocontrôles automatiques La multiplicité des sources de saisie de signaux physiologiques nécessite le développement d'interfaces standards tant matériels que logiciels tels le medical information bus Ces systèmes peuvent s'intégrer dans les SIH

Conclusions La numérisation des signaux améliore la qualité par les traitements qu'elle permet facilite la transmission sur longues distances facilite l'interprétation (analyse automatique, tendance) apporte une aide à la décision permet la surveillance automatique L'intégration dans un SIH permet de tenir compte des autres informations quelque soit la nature et l'origine des données facilitant la conception de systèmes globaux d'aide à la décision.

Traitement des images médicales Objectifs Connaître les principes de la numérisation des images médicales Décrire la chaîne de traitement des images Citer les avantages de la numérisation des images médicales Connaître quelques traitements de base pratiqués sur les images numériques Savoir définir un système de communication et d'archivage d'images (PACS) dans un SIH

Traitement des images médicales L'image en médecine Occupe une place prépondérante et vient juste après l'interrogatoire et l'examen clinique. Provient soit d'une observation directe : lésion cutanée, lame d'histologie, endoscopie, soit de système biophysique : radiographie, échographie, soit enfin d'une reconstruction mathématique scintigraphie, TDM, IRM... Peut être statique : RP, ou dynamique coronarographie

Traitement des images médicales La numérisation primaire (scintigraphie) ou secondaire (histologie) des images : Facilite leur traitement Permet un stockage aisée (place, indexation, recherche...) Permet la transmission à distance Les traitement des images Nécessite des stations de travail puissantes tant en terme de capacité de calcul que de mémoire de masse Représente tout une branche de l'informatique médicale rattachée à la biophysique

L'informatique et le traitement des images L'informatique intervient Directement dans la génération de certains types d'images qui ne peuvent être obtenues autrement TDM, Scintigraphie... Dans le traitement de tous types d'images pour Améliorer la qualité de l'image : luminosité, contraste, filtrage... Déterminer des paramètres quantitatifs d'intérêt clinique : taille d'une tumeur, densité osseuse... Proposer des interprétations : reconnaissance de forme, calcul de doses de radiothérapie, calcul de trajets... Etablir des boucles de rétrocontrôle : gestes chirurgicaux assistés par ordinateur Le stockage des images numérisées sur des périphériques adaptés (disques magnétiques, CD-ROM, CD-photo facilite la gestion des images et leur accessibilité La télétransmission des images aussi bien à l'intérieur d'un hôpital qu'entre hôpitaux est à la base de la télémédecine en permettant à plusieurs experts distants d'émettre un avis pour une meilleure prise en charge du patient

Numérisation des images Les trois codages Codage spatial Codage en intensité Codage temporelle 141

Codage spatial Les images sont traitées sous la forme d'un tableau de chiffres. Un tableau à 2 dimensions (x,y) permet de représenter une image simple dite 2D. Chaque élément du tableau (cellule) correspond à une surface carrée élémentaire ou pixel. Si l'on considère un volume, un tableau à 3 dimensions est nécessaire (x,y,z). Chaque élément représente alors un volume élémentaire ou voxel. La taille d'un pixel représente la résolution spatiale. Plus la taille est petite (donc plus le nombre de pixel par unité de surface est grand) moins la numérisation fait perdre d'information par rapport à l'image source. Pour une radiographie standard on considère que la taille maximale d'un pixel doit être de 0,2*0,2 mm.

Codage en intensité Numérisation des images La densité (sombre ou claire) de chaque pixel est codée sur un nombre d de bits. Si d =1, on ne sait par pixel que coder du noir ou du blanc. A partir d'un certain seuil, on décide que c'est noir, avant c'est blanc. Si d = 8, on sait représenter 256 (2 à la puissance d) niveaux de gris. Ce nombre détermine la résolution de contraste. Ainsi, si N et M représente le nombre de lignes et de colonnes d'un tableau de pixel et d le nombre de bits nécessaire pour coder un pixel, il faut N * M * d bits pour coder la totalité de l'image. Exemple une radio 300 mm * 400 mm (RP) représente un tableau de 300 * 400 * 5 pixels = 600 000 pixel. Si l'on désire obtenir 256 niveaux de gris on aura une taille de 600 000 * 8 = 4 800 000 bits ou 600 000 octets soit environ 586 Ko. Ainsi, vous stockez environ 2 RP sur une disquette !!!

Codage temporelle Il s'applique pour les images dynamiques. La résolution temporelle mesure le temps nécessaire pour créer une image. Une application temps réelle peut nécessiter la génération de 30 images par seconde pour obtenir une image nette de l'organe (coeur par exple).

Dans la pratique Les systèmes d'acquisition d'image (comme les scanner utilisés en PAO) utilisent des matrices de puissance de 2. Le codage de la couleur se fait sur chaque pixel par un certains nombres de bits pour les 3 couleurs Rouge, Vert, Bleu Devant la taille gigantesque que peuvent atteindre certaines images, des techniques de compression des images ont été proposées

Sources d'acquisition des images médicales La radiographie conventionnelle Utilise les rayons X. L'image est enregistrée sur un film radiographique. La digitalisation est faite à partir du film à l'aide d'un scanner. La digitalisation peut également être faite directement grâce à l'utilisation de systèmes spécifiques (plaques au phosphore en remplacement des films traditionnels). L'angiographie numérisée Visualise la vascularisation en sous-trayant de l'image les structures indésirables (os, tissus mous) 143

Sources d'acquisition des images médicales La tomodensitométrie Utilise les rayons X. Mais l'image est reconstruite à partir de l'atténuation des rayons dans différentes directions et n'est pas une observation directe. L'imagerie par résonance magnétique nucléaire Permet de créer une image reconstruite à partir des émissions radio réalisées par le retour à l'état initial des atomes soumis à un champs magnétique intense. L'image dépend de la nature du tissus et du métabolisme.

Sources d'acquisition des images médicales L'échographie Est basée sur l'émission à partir d'une sonde acoustique d'ultrasons et l'analyse de leurs réflexions. La scintigraphie Est obtenue à partir de l'injection d'un traceur radio-actif dont la gamma caméra permet de capter les émissions. L'endoscopie, l'examen du fond d'oeil, les images issues de l'examen au microscope... peuvent également donner lieu à numérisation.

Principes de base du traitement des images Chaîne de traitement des images Numérisation Traitement Image source analogique Image numérisée (digitale) Image restaurée d=2 cm l = 5 L = 10 Interprétation Propositions diagnostiques .... Segmentation Extraction de contours... Calcul de paramètres 144

Traitements des images Augmentation du rapport signal / bruit par des techniques de filtrage Modification du contraste et de la luminosité Mise en pseudo-couleurs Extraction de contours Calculs de paramètres : surface, densité, volume... Interprétation automatique par exemple des frottis cervico-vaginaux Liaison avec des systèmes à base de connaissances La liaison avec des systèmes à base de connaissances peut intervenir dans toutes les phases du traitement pour améliorer les performances du système

Exemples Quantification du degré d'une sténose coronaire Identification des chromosomes Guidage robotisé en chirurgie stéréotaxique Interprétation automatique en anatomie pathologique

Intégration dans le SIH : PACS Pour archiver, communiquer et transmettre des images produites par un hôpital des systèmes spécifiques ont été développés : Picture Archiving and Communication System (PACS). Il permettent : D'assurer la conservation des images numériques sans détérioration de leur contenu Un accès rapide et facile aux personnes autorisées Un traitement local au niveau des centres producteurs et utilisateurs D'intégrer des images venant de différentes sources : scintigraphie, radiologie traditionnelle avec numérisation secondaire...

PACS Volumes de stockage et débit de transmission Les volumes de stockage sont très importants et nécessitent la mise en place de serveurs d'images adaptés comme des juke box de disques opto-numériques. La taille d'une image elle même nécessite pour la transmission des réseau à haut débit pour que la transmission puisse se réaliser dans des délais raisonnables (moins de 5 minutes pour les transmissions à grandes distances).

PACS Les postes de travail Il faut distinguer : Les stations de traitement et d'interprétation dotées d'écran haute résolution elles sont équipées de capacité de traitement numérique spécifique (processeur spécialisé...) Les stations de visualisation dotées elles aussi d'écran haute définition elles ont des capacités de traitement réduites et sont le plus souvent des micro-ordinateurs standards.

Discussion Perpectives intéressantes pour : La prise en charge quotidienne des patients La recherche et l'amélioration des connaissances médicales Secteurs en pleine effervescence Intégration dans le SIH Autoroutes de l'information Télémédecine Décloisonnement Equipes pluridisciplinaires : Imagistes (radiologues....); Cliniciens et informaticiens Mise à disposition de systèmes d'échange et de communication et praticiens