Introduction à l’imagerie biomédicale Philippe Ciuciu (CEA/SHFJ) ciuciu@shfj.cea.fr

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

2. 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)

3. Plan • Trois types d’imagerie biomédicale • Principales modalités d’imagerie biomédicale • Intérêt du traitement d’images biomédicales

4. Introduction • 1895 • Aujourd’hui

5. 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 imagerie scintigraphique, TEP, SPECT résolution spatiale (~4 à 12mm) Plus récemment toutes les modalités: IRMf, échographie

6. 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 Trois types d’imagerie

7. 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)

8. Insuffisance de l’imagerie anatomique • Imagerie morphologique suspecte • Imagerie fonctionnelle anormale • écaractéristiques fonctionnelles indispensables pour statuer sur la nature d’une anomalie anatomique

9. Insuffisance de l’imagerie anatomique • Imagerie anatomique normale • Imagerie fonctionnelle anormale • é modifications physiologiques ou biochimiques précédant les altérations anatomiques

10. 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

11. 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

12. Plan • Trois types d’imagerie biomédicale • Principales modalités d’imagerie biomédicale • Intérêt du traitement d’images biomédicales

13. 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)

14. 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

15. Comparaison des différentes modalités :Temps d’examen • PET 4 mm à 60 mn • SPECT 6 mm à 60 mn • Radiologie rés. 0.1 mm0.02s /3 s • Tomodensitométrie 1 mm2s / 30 s • IRM 1 mm0.05 s / 20 mn • Echographie 1 mm0.02 s • Doppler 3 mm0.05 s Compromis résolution spatiale –temps d’acquisition

16. 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

17. Echographie • Texture • Bruit (BBG +) / x • Résolution (anisotrope + PSF) • Dérive du fond (TGC) • Ombres, renforcements • Image « dérivée »

18. Echographie : bruits additif et multiplicatif

19. Tomodensitométrie X • Résolution isotrope (Reconstruction spirale) • Bruit (Poisson Bruit Blanc Gaussien +) • Niveau de Gris absolu (Hounsfield)

20. Médecine Nucléaire • Bruit • Poissonien sur sinogrammes • « Gaussien corrélé » sur image reconstruite • Atténuation • Diffusion • PSF variable

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

22. Imagerie de vélocimétrie • Myocarde, sang, valves • Caractéristiques de la modalité • Bruit de phase

23. Plan • Trois types d’imagerie biomédicale • Principales modalités d’imagerie biomédicale • Intérêt du traitement d’images biomédicales

24. 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)

25. 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