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Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006

Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de docteur de l’ULP Spécialité : Électronique, Électrotechnique et Automatique. Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales. Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006. Jury

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Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006

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Presentation Transcript

  1. Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de docteur de l’ULP Spécialité : Électronique, Électrotechnique et Automatique Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006 Jury Pr. Olivier BONNAUD Rapporteur externe Pr. Pierre AMBS Rapporteur externe Pr. Fabrice HEITZ Rapporteur interne Dr. HDR Yannick HERVE Directeur de thèse Dr. Wilfried UHRING Examinateur Dr. Jean-Baptiste FASQUEL Examinateur Dr. Pascal JOFFRE Membre invité

  2. Sommaire • Contexte du projet et motivations • Les processeurs optiques • Aspect matériel • Applications • Conclusions Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  3. ContexteProjet POEME • Électronique • Aspect matériel • Modélisation système PARTENARIAT CIFRE • Instrumentation optique • Mecatronique • Initiative / Coordination • Applicatifs médicaux • Photonique • Traitement optique de l’information Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  4. Contexte Motivations & Perspectives Besoin : Vitesse de reconstruction Exemple : Assistance à l’acte chirurgical - Robotique Illustration : Fréquence des mouvements « humains » : 0-10 Hz • Asservissement efficace si fréquence de commande > 50 Hz. • Images 512² x 10  500 coupes/sec • Temps de reconstruction 2 coupes/sec (2003) • Contraintes matérielles • Robustesse • Précision • Autonomie • Réactivité • Contraintes logicielles • Acquisition d’images • durant l’intervention • Reconstruction rapide • Post-traitement rapide • Calcul des commandes Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  5. Contexte Motivations & Perspectives Pr. Russel H. Taylor (2003 – John Hopkins U) Prospective vers des solutions alternatives Traitement optique de l’information « La robotique chirurgicale est à l’heure actuelle au même point que la robotique industrielle en 1972 » Potentiel d’évolution de la robotique chirurgicale Potentiel d’évolution de l’électronique classique >> Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  6. Sommaire • Contexte du projet et motivations • Les processeurs optiques • Aspect matériel • Applications • Conclusions Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  7. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Traitement optique de l’information = Tirer partie des avantages des propriétés de l’optique Vitesse de calcul Parallélisme massif Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  8. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement SYSTEME D’AFFICHAGE SYSTEME OPTIQUE DE SYSTEME SOURCE TRAITEMENT D’ACQUISITION CONTRÔLEUR Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  9. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  10. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  11. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  12. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  13. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  14. Les processeurs optiquesPrincipe de fonctionnement Un exemple Corrélateur optique de Vander Lugt Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  15. Les processeurs optiquesPotentiel Avantage • Gain apporté en temps de calcul Exemple : Processeur optique de filtrage d’images 1024² @ 1 khZ (pour des filtrages nécessitant le passage à la TF). • Avantage augmente avec la taille des images RAPIDITE DE CALCUL Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  16. Les processeurs optiquesPotentiel Défauts • Qualité de traitement • Bruit propre au traitement • Quantification des données • Acquisition quadratique • Bruits optiques  Analyse en simulation • Manque de souplesse PERTE DE QUALITE Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  17. Les processeurs optiquesPotentiel Facteur de mérite Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  18. Sommaire • Contexte du projet et motivations • Les processeurs optiques • Aspect matériel • Applications • Conclusions Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  19. Aspect MatérielSources de lumière Sources non-cohérentes Sources cohérentes Laser Diode Laser Polychrom. LED Monochrom. Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  20. Capteur CMOS rapide 1280x1024 – 12µm 1000 fps DAC 10 bits Electronic True SNAP Shutter Aspect MatérielSystèmes d’acquisition Caméras rapides à base de capteur CMOS • Fort marché • Capteurs et systèmes complets en plein essor • Performances adaptées • Matériel standard et bon marché (~1000 €) Dvlp d’une caméra à écriture directe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  21. Aspect MatérielSystèmes d’affichage Afficheurs rapides • Peu de systèmes commerciaux qui conviennent • Marché restreint • Plusieurs technologies Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  22. Aspect MatérielSystèmes d’affichage Travaux sur les systèmes d’affichage à FLC • Caractérisation d’un FLC-A commercial • Mise en évidence de limitations importantes (non-uniformité, non-linéarité, rémanence, …) • Dynamique réelle < 5 bits. • ~ 20000 € • Etude des techniques d’augmentation de dynamique • Problèmes en lumière cohérente • Fortes limitations • Prototypage virtuel d’un modulateur analogique rapide à base de FLC-B Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  23. Aspect MatérielModèle de FLC-B Géométrie d’une cellule FLC stabilisée en surface Position des molécules contrôlées par E Axe rapide  Axe lent Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  24. Aspect MatérielModèle de FLC-B Modèle du SSFLC-B en VHDL-AMS • Basé sur le modèle physique • Complété par des modèles comportementaux • Comportement optique • Température • Comportement électronique • Transport d’ions • Validation • « expérimentalement » : littérature • Modèles descriptifs valides par nature Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  25. Aspect MatérielModèle de FLC-B Résultats de simulations Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  26. FLC Cellule Aspect MatérielPrototypage virtuel d’une commande Principe de la commande Tension Tb Temps Angle azimutal Temps Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  27. Temps Aspect MatérielPrototypage virtuel d’une commande • Signal de positionnement : 10 V - 500 à 600 µs. • Signal de maintien : ± 1 V à 1 MHz. Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  28. Aspect MatérielPrototypage virtuel d’une commande • Même signal de commande • Température varie de 20° à 25° • La sortie varie du noir au blanc • Calibration ou asservissement 25° 20° Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  29. Sommaire • Contexte du projet et motivations • Les processeurs optiques • Aspect matériel • Applications • Conclusions Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  30. ApplicationPrincipe de la tomographie Système d’acquisition (2D) Données acquises • Atténuation du faisceau par l’objet • Exp de la transformée de Radon de l’objet Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  31. ApplicationPrincipe de la reconstruction Inversion de la transformée de Radon • Rétroprojections filtrées (FBP) • Complexité de calcul • Filtrage : O(N2) • Rétroprojection : O(N3) • Implémentation optique • Filtrage • Rétroprojection Algorithme FBP Filtrage de chacune des projections (à angle constant) Rétroprojection Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  32. ApplicationRétroprojection optique - Principe Rétroprojection Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  33. Montage de type Vander Lugt Problèmes liés à l’acquisition quadratique Filtre passe-bas pour la dérivation Calcul d’une racine carrée  non-linéarité Problèmes liés à la quantification Problèmes liés à la lumière cohérente Résultat expérimental de reconstruction ApplicationFiltrage optique des projections Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  34. ApplicationRétroprojection optique - Principe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  35. ApplicationRétroprojection optique - Principe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  36. ApplicationRétroprojection optique - Principe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  37. ApplicationRétroprojection optique - Principe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  38. ApplicationRétroprojection optique - Principe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  39. ApplicationRétroprojection optique - Principe Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  40. ApplicationRétroprojection optique - Potentiel Accélération apportée par le calcul optique Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  41. ApplicationRétroprojection optique - Simulation • Modèle complet du rétroprojecteur optique • Problèmes de quantification • Quantification à l’affichage • Quantification à l’acquisition • Alignement géométrique • Positionnement du prisme • Alignement du prisme • Evaluation de la qualité • Comparaison avec l’image reconstruite numériquement • Critères statistiques / adaptés à l’image Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  42. ApplicationRétroprojection optique - Simulation Effet de la quantification Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  43. ApplicationRétroprojection optique - Simulation Accumulation de k images soit • Sur le capteur • Par post-traitement • Compromis : nombre d’acquisitions / reconstruction (NACQ) Temps de calcul Dynamique de l’image en sortie Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  44. ApplicationRétroprojection optique - Simulation Alignements Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  45. ApplicationRétroprojection optique - Simulation Résultats de simulations • Effets premier ordre pour tous les bruits. • Pour avoir un SNR de 30 dB • Alignements radiaux ~ 1 pixel • Alignements angulaires ~ 0.1° • Exemple de déformation Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  46. ApplicationRétroprojection optique - Prototype Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  47. ApplicationRétroprojection optique - Résultats Fantôme • 5% d’erreur de classification • Précision des paramètres des ellipses > 90% Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  48. ApplicationRétroprojection optique - Résultats Images • Visuellement • Détails présents • Effet « flou » • SNR > 10 dB Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  49. ApplicationCas pratique de reconstruction En réalité, systèmes d’acquisition plus complexes  Scanners hélicoïdaux Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

  50. ApplicationCas pratique – Algorithme ASSR Méthode ASSR • Transformation du jeu d’acquisitions 3D en série de jeux 2D • Utilisation de plans inclinés interpolant la trajectoire de la source  Reconstruction planaire  Utilisation d’un processeur optique Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales

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