DTS ÉLECTRORADIOLOGIE MÉDICALE Biophysique et Médecine Nucléaire DTS ÉLECTRORADIOLOGIE MÉDICALE Traitement du signal Imagerie Numérique J. Benoliel MCU - PH

IMAGERIE MÉDICALE TRAITEMENT DE L’IMAGE Du signal analogique au signal numérique Image numérique en Médecine Traitements d’images Formats d’images. PACS

SIGNAUX ANALOGIQUES & DIGITAUX Interface Analogique/Digital 001010110101101110 Échantillonnage + Quantification = Numérisation ou Digitalisation Signaux Analogiques continus Signaux Digitaux discrets

LE SIGNAL ANALOGIQUE Il est mesurable et possède 2 types de composantes : Déterministe: connaissant f(r) à un instant donné, il est possible de prédire f(r) à un instant t suivant Aléatoire : signaux imprévisibles qui ajoutent un bruit au signal utile. On ne peut en faire qu’une description statistique. Quelle est l’origine des signaux aléatoires ? Interne organe traitement Externe Vibrations circuits Parasites radioélectriques d’origine humaine Bruit thermique Parasites radioélectriques d’origine naturelle (orages,..) Rapport Signal / Bruit Rapport de la puissance du signal utile à la puissance du bruit qui pollue ce signal S/B = VS / VB

EXEMPLES Médecine Nucléaire : IRM : Radiologie : Conclusion : Signal fc du nombre de désintégrations/sec. Comptage aléatoire, lié au phénomène radioactif. IRM : Signal fc d’un signal électrique. Une grande partie provient de mouvements électroniques parasites des circuits de détection. Radiologie : Signal fc d’un flux de photons X très important. Petite partie de signaux aléatoires due au comportement de chaque photon vis-à-vis de la matière. Conclusion : Tout phénomène mesuré est à la fois déterministe, car il existe une valeur moyenne prévisible, et aléatoire, car, il existe des fluctuations plus ou moins importantes suivant la précision de mesure du phénomène

NUMÉRISATION (1) Etape 1 :Echantillonnage ou Discrétisation Transforme tout signal continu en une suite discrète de valeurs instantanées prises à des instants périodiques t+kTe f(t) S(tk), avec tk= t+kTe, Te = période d’échantillonnage, Fe = 1/ Te fréquence d’échantillonnage Etape 2 :Numérisation ou Digitalisation Transforme la suite S(tk) en une suite de nombres représentant les différents niveaux du signal. Convertisseurs Analogiques / Digitaux = circuit unique pour ces 2 opérations.

NUMÉRISATION (2) Signal Analogique Signal Echantillonné Signal Numérique Echantillonnage Quantification C.A.D. Système Analogique Système Numérique Echantillonnage = Découpage du signal analogique en classes de signaux identifiables (Ex : téléphone et découpage de la voix en plages de temps Problème majeur : Attention à l’échantillonnage afin de perdre le minimum d’informations et obligation de restituer le signal de départ.

NUMÉRISATION (3) Théorème de Shannon Fc « Peigne » de DIRAC d(t- nt) = 1 si t = t0 - nT d(t- nt) = 0 si t t0 - nT ≠ T 2T 3T 4T -T -2T -3T -4T 1 f(x) T 2T 3T 4T -T -2T -3T -4T F(x) = f(x) . d (t) Shannon : Retrouver le signal de départ ssi la fréquence d’échantillonnage >= 2 fois la fréquence max du signal de départ. Nb de dents du « peigne » = nb de signaux différents échantillonnés

NUMÉRISATION (4) Exemple Signal analogique périodique : T = fréquence d’échantillonnage T 2T 3T 4T 5T 5T 4T 3T 2T T Trop faible : une partie du signal est numérisée Correcte : le signal est bien numérisé

EXEMPLE DE NUMÉRISATION

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IMAGE NUMÉRIQUE EN MÉDECINE Visualisation d’un paramètre (signal) quantifié Important de connaitre le paramètre pour une interprétation correcte de l’image. IRM Différence de temps de relaxation TDM Atténuation des rayons X par les tissus Médecine Nucléaire Répartition d’une fonction biologique

QUANTIFICATION DU SIGNAL Médecine Nucléaire (X,Y) X 1 2 3 4 9 7 8 5 Emission photons g Y

IMAGE NUMÉRIQUE Echantillonnage : Décomposition de l’image en « pixels » (picture element) Quantification : Chaque pixel représente une valeur numérique moyenne de l’intensité du signal détecté par la machine Médecine Nucléaire : Nb d’impacts de photons repérés par les PM 10 25 2 6 270 14 135 356 53 241 58 23 68 15 Matrice 4 x 5

IMAGES NUMÉRIQUES Echelles de couleurs 100 200 300 400 500 10 25 469 6 2 380 140 135 212 356 53 241 58 23 68 15 Image numérique Image en « fausses couleurs » Echelle de couleurs

FORMATS D’IMAGE Format 256 x 256 = 65536 pixels

Exemple Echelle Couleur « Rainbow »

Exemple Echelle Couleur «Gray »

Exemple Echelle Couleur «Hot »

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BUT DU TRAITEMENT D’IMAGE Modifier des caractéristiques de l’image afin de faire ressortir les aspects intéressants Intensité, contraste Taille orientation Réduction du niveau de bruit de fond Améliorer la détection du contour des objets. Faire des analyses quantitatives sur l’image Quantification d’un paramètre au sein de l’image

EXEMPLES TRAITEMENT D’IMAGE

TRAITEMENT D’IMAGE (1) 10 25 2 6 380 140 135 356 530 241 58 23 68 380 250 182 140 370 235 365 356 53 441 460 490 530 Effet de zoom Effet de zoom Image numérique zoomée

TRAITEMENT D’IMAGE (2) Scintigraphie Rénale

TRAITEMENT D’IMAGE (3) Ventriculographie

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P.A.C.S Picture Archiving and Communication Systems Dossier médical informatisé Intérêts : * Sauvegarde automatique des images de toutes les unités d’imagerie * Diffusion vers les unités cliniques * Partie intégrante du dossier patient

FORMATS D’IMAGES Taille matrice acquisition Nb pixels Médecine Nucléaire 256 x 256 65536 IRM 512 x 512 262144 TDM 1024 x 1024 1048576

FORMATS D’IMAGES Taille d’ images : Le nombre total de pixels (nb de lignes multiplié par nb de colonnes) est la définition de l'image. Le nombre de pixels pour une surface donnée (cm2 par exemple) est la résolution. La taille de la matrice image est un compromis entre la résolution et la statistique de comptage. (128x128 ; 256x256 ou 512 x 512 en Médecine Nucléaire, 1024x1024 ou plus en IRM ou Radiologie X). L'identificateur de l'image (header): Renseignements associés aux images qui précisent la nature de l'image et de l'examen Identification du patient, de l'examen (date, appareil utilisé,..) Les données d'acquisition (isotope utilisé, taille de la matrice, nb total d'images dans la série,.. Des données particulières ( orientation des coupes,..)

Faciliter le transfert de données entre systèmes de MN. FORMATS D’IMAGES Formats propriétaires Tous les constructeurs ont développé leur propre format d'images. En général sur le même modèle, mais incompatibles entre eux. Différences au niveau de l'en-tête ou de la taille, ou du codage des informations Problèmes pour la consultation, le transfert ou la superposition d'images de constructeurs différents (imagerie multimodalité). Standardisation Réflexion entre constructeurs et médecins nucléaires Format INTERFILE Faciliter le transfert de données entre systèmes de MN. Format DICOM Développement d'autres techniques d'imagerie (IRM, tomodensitométrie) Besoins nouveaux de format d'image: Faciliter la communication de données numériques entre constructeurs Faciliter l'archivage et la communication avec d'autres systèmes (PACS ) Création de base de données diagnostiques interrogeables à distance. Ce format prend en compte la manière dont s'effectuent les échanges. Il utilise des normes de réseau standard (TCP/IP)

FORMATS D’IMAGE STANDARDS GIF Format très utilisé. Plus petite taille possible, max de 256 couleurs, INTERNET JPEG Standard de la compression d’images, taille raisonnable, Jusqu’à 16 millions de couleurs, INTERNET BMP Taille max, standard de Windows, Peu d’intérêt, intermédiaire entre un dessin et une transformation en Gif ou Jpeg. Codage des couleurs par pixel 1 bit : 2 valeurs (0/1). Valable texte en N/B 8 bits : 28 = 256 couleurs GIF 24 bits: 224 = 16 777 216 couleurs JPEG

FORMATS D’IMAGE STANDARDS AVANTAGES INCONVÉNIENTS Formats propriétaires Uniquement sur la machine dédiée Non transférables GIF, JPEG Tout logiciel PC, Internet, compressé Logiciels spécifiques INTERFILE Tous constructeurs, faciles à mettre en, œuvre Uniquement médecine nucléaire. DICOM Toutes modalités. Transferts, PACS Licence chère, lourd à mettre en œuvre, indispensable

Différents algorithmes de compression sans pertes COMPRESSION D’IMAGES Différents algorithmes de compression sans pertes 400 kOc 40 kOc

STOCKAGE D’IMAGES Législation : n’existe que pour les dossiers papier (30 ans). Problème : Comment garder a long terme des documents informatiques, sachant que la durée de vie des supports (disques optiques, bandes magnétiques, CD, DVD,..) est très aléatoire ! PACS : Stockage et diffusion d’images dans l’hôpital