L`apport du PACS (Picture Archiving and
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UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Chapitre V Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle V.1 Introduction : La radiologie conventionnelle fait appel aux propriétés des rayons X qui ont été découvertes au début du XXe siècle. Les rayons X produits lorsque des électrons sont animés d’une grande vitesse, peuvent traverser le corps humain. Au cours de cette traversée, l’intensité du faisceau est atténuée selon le type de tissus rencontré : plus ils sont épais et dense, plus l’atténuation sera importante. La radiographie conventionnelle nécessite un émetteur de rayons X et un détecteur d’image (film radiographique ou désormais capteurs reliés à un ordinateur) entre lesquels est placé le segment corporel étudié. De plus en plus, les appareils utilisés font appel à des techniques numériques de captation de l’image par ordinateur, ce qui permet de travailler secondairement les images pour en obtenir plus de précision [25], de les conserver sous forme de fichiers informatiques afin de les archiver et de transmettre les images par le biais d’Intranet ou d’Internet à d’autres médecins. Donc la radiologie conventionnelle et la numérisation des images restent l’activité principale des radiologues, des services de radiologie et des établissements de soins. V.2 Définition de la radiologie numérique : La radiologie numérique résulte de la discrétisation du signal analogique. Cette discrétisation aboutit à une information codée avec une succession de nombres. L'imagerie numérique est définit par un ensemble de point élémentaires appelés pixels : chaque pixel a une valeur discrète, correspondant à la totalité des informations qui lui sont associées. Une image peut se présenter sous deux formes : Analogique : dans laquelle la représentation de la grandeur observée est conforme à la vision de l'observateur ; Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 67 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Numérique : dans laquelle la représentation de la grandeur observée est le résultat abstrait d'une construction mathématique figurée par une succession de nombres. L'image numérique n'est donc pas conforme à la vision de l'observateur et elle ne le deviendra qu'après conversion en une image analogique. V.3 Principe : Tout système numérique comporte une source de rayons X, un sous-système d'acquisition et de formatage des images, un sous-système de visualisation et de manipulation, un soussystème d'archivage, et un module d'édition partagé de préférence avec d'autres sources d'images numériques. Figure V.1 Principe de la numérisation d’une image radiologique [26]. Malgré les stations de visualisation, l'édition des images sur film reste indispensable non seulement pour l'archivage mais aussi l'établissement du diagnostique. Ce dernier étant, la Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 68 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 plupart des cas, dû plus à une habitude de la part du médecin qu'à un réel besoin pour le diagnostique, sera de moins en moins utilisé. L'acquisition de l'image se déroule de la façon suivante : - Décomposition en points élémentaires dénommés "PIXELS", abréviation de "Picture élément" ; - Distribution des pixels dans un tableau basé sur les propriétés mathématiques de matrices ; - Attribution à chaque pixel d'une valeur discrète caractéristique de l'information qu'il contient - Procédures de calcul et de reconstitution élaborées à partir d'algorithme mathématiques spécifiques du type d'image considérée ; - Visualisation de l'image sous une forme analogique, en règle générale, sur un tube cathodique. V.4 Les technologies d'acquisition numérique en radiologie : V.4.1 La fluorographie numérique : Cette technique repose sur l'assemblage d'un amplificateur de luminance et d'une caméra de télévision. Le principe est celui d'une numérisation à la sortie de l'amplificateur de brillance. L'image radiante est transformée par un écran fluorescent en une image lumineuse. Celle-ci est amplifiée, codée en un signal électrique puis en un signal numérique. V.4.2 Les écrans radio luminescents à mémoire (ERLM) : Les écrans radio luminescents à mémoire (ERLM), appelés également écrans photostimulables ou plaques au phosphore photo-stimulables [20], sont aujourd'hui très largement utilisés dans le domaine de la radiologie / radiographie numérique (CR - Computed Radiography). Ils sont concurrencés par les capteurs plans numériques (Flat Panel). Ils se sont substitués aux films radiographiques argentiques dans la majorité des cabinets, laboratoires médicaux et hôpitaux. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 69 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Le principe des ERLM est basé sur leur capacité à conserver l'énergie photonique accumulée au cours d'une irradiation. Cette énergie, ainsi accumulée, constitue une image latente. La restitution de cette énergie lumineuse est obtenue par le balayage d'un faisceau laser. L'énergie restituée est, pour chaque point, proportionnelle à celle emmagasinée lors de la radiation initiale. L'énergie lumineuse, ainsi libérée, est transformée en signal électrique, puis en signal numérique. Brièvement, le cycle d'utilisation d'un ERLM comporte trois expositions : une première exposition aux radiations ionisantes (X, gamma, ..) « écrit » l'image, une seconde exposition à un faisceau étroit de lumière visible (typiquement un laser HeNe) « lit » l'image ligne par ligne, et une dernière exposition à une lumière visible intense (typiquement plusieurs tubes néon) « efface » l'image en vue d'un nouveau cycle d'utilisation du même ERLM. V.4.3 La numérisation secondaire des films radiographiques : La numérisation d'un film radiographique peut être effectuée par une caméra CCD (Charge Coupled Device) ou un micro densitomètre (scanner). Dans le premier cas, le signal vidéo acquis par la caméra est secondairement numérisé. Dans le deuxième cas, un faisceau laser de haute densité mesure la densité optique de chaque point radiographique. Cette solution permet d'obtenir, à partir d'un film radiologique, un équivalent numérique. V.4.3.1 Les Capteurs à CCD : Chaque pixel, exposé à la lumière, accumule un nombre de charges électriques proportionnel à la quantité de lumière reçue. Une lecture en série du CCD fournit à la sortie un signal électrique représentatif de l'image projetée sur la surface sensible du dispositif. Comme le CCD est sensible aux RX, il doit être protégé avec une plaque de fibres optiques. De plus, il est réservé aux applications petits champs comme en dentaire ou en mammographie. Avantages des capteurs CCD / tube analyseur - Faible encombrement et faible poids. - Faible consommation de puissance. - Insensibles aux champs magnétiques. - Sensibilité et dynamique supérieures. - Réponse linéaire à l’augmentation de la lumière. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 70 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 - Durée de vie illimitée. - Pas de distorsion géométrique, résolution spatiale constante en tous points de l’image. - Temps d’intégration modulables (résolution dynamique). - Il n'existe pas de détérioration de l'information dans les divers transferts numériques et donc une meilleure fonction de transfert de modulation (FTM). V.5 Traitement des images numériques V.5.1 Rappel sur les traitements photographiques Les possibilités de traitement assurent la supériorité de l'imagerie numérique. Diverses méthodes photographiques permettaient depuis longtemps des traitements d'image, parmi lesquelles : - Inversion : le tirage positif de l'image radiologique négative permet des corrections de contraste en jouant sur les caractéristiques de l'émulsion (élément sensible au rayonnement X); en fait, les papiers utilisés ont une latitude de contraste moindre que le film radiologique. - La soustraction simple (simple masque ou double masque) : permet une extraction d'informations différentes entre images évolutives, injection, mouvement, modifications du rayonnement X ; lorsqu'un simple masque est insuffisant car les caractéristiques (courbe sensitométrique) du film masque ne donnent pas un masque parfait, on réalise un deuxième masque de l'image référence doublée du premier film masque. - La soustraction à masque flou : rehaussement de contours et réduction du contraste d'ensemble (également obtenu par un appareil électronique de correction de contraste "LogEtron") : le masque est réalisé par exposition du film de référence à travers une glace de quelques millimètres d'épaisseur ce qui crée un masque flou : la soustraction avec le film injecté conserve en partie les contours de l'image de référence. - Le paraglyphe : c’est l’addition d'une image avec son négatif légèrement décalé, créant des effets de bord et amplifiant le contraste local. - Extraction de contours par des films à très haut contraste. - Fausses couleurs liées aux densités. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 71 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Toutes ces techniques demandaient du temps, plusieurs heures et des matériels spéciaux pour la plupart des techniques et surtout une connaissance technique de haut niveau; mais la numérisation et l’informatique ont rendu ces techniques plus faciles et ont même créé des possibilités nouvelles. V.6 Qualité d'image numérique La numérisation d’une image peut se décomposer en 2 opérations principales : - Le découpage de l’espace à étudier en pavés réguliers de la surface x, y à étudier (on parle également d’échantillonnage de l’espace de départ). - Le codage de l’information (en niveaux de gris ou en couleurs) reçue par le capteur en chaque point de données numériques. Mais cette image numérique est jugée généralement sur quatre critères qui sont la résolution spatiale, noircissement, contraste et le bruit. V.6.1 La résolution spatiale : La résolution d’une image est définie par un nombre de pixels par unité de longueur de la structure à numériser (classiquement en dpi (dots per inches) ou ppp (points par pouce)). Ce paramètre est défini lors de la numérisation et dépend principalement des caractéristiques du matériel utilisé lors du processus de numérisation. Donc la figure V.2 montre un exemple d’une image numérisée. Figure V.2 numérisation d’une image [27]. La figure V.2 montre l’étape de la résolution pour numériser une image. Donc plus le nombre de pixels est élevé par unité de longueur de la structure à numériser, plus la quantité d’information qui décrit cette structure est importante et plus la résolution est élevée. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 72 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 La résolution d’une image numérique définit le degré de détail qui va être représenté sur cette image. Les phénomènes de numérisation dépendent des 2 équations suivantes : (X*résolution) = x pixels (Y*résolution) = y pixels Où X et Y : représentent la taille (en pouces ou mètres) de la structure à numériser, résolution : représente la résolution de numérisation, x et y : représentent la taille (en pixels) de l’image. Pour la clarté, généralement il n’est considéré que la taille en x des images (ce qui est vrai pour la taille en x est également vrai pour la taille en y). - Exemple théorique : Une image de 1*1 pouce scannée a 100 dpi aura une taille x, y de 100 pixels sur 100 pixels (1*100)*(1*100) = 100 pixels sur 100 pixels. Notons que un pouce = 2,54 centimètres. Exercice 1: Pour la numérisation d’un disque de 1 cm de diamètre on a différentes résolutions (de 300 à 25dpi), complétez le tableau suivant : Q-1- qu’est-ce que vous remarquez à propos de la résolution ? Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 73 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Réponse : R-1- Lorsque la résolution diminue, la précision diminue : (l’objet est représenté par un nombre moins important de pixels). Il semble clair que la représentation d’un disque par une structure de 20 pixels sur 20 pixels donne une représentation biaisée de la représentation réelle d’un disque. Le choix de la résolution de numérisation est donc un facteur primordial lorsque l’on réalise une numérisation. Ce choix va conditionner la qualité de l’information véhiculée dans l’image, la taille en pixels de l’image ainsi que son poid. Exercice 2 : Si la résolution spatiale d’une image est donnée selon une matrice de 512 pixels. Sachant que la résolution spatiale est liée directement au format de l’image. Calculer la résolution par mm pour ces deux formats : - 18 x 24 cm - En 36 x 43 cm - Si cette image est résolue avec 300 pixels par pouce, donner la résolution en pixels par millimètre. Qu’elle est la meilleure résolution de ces trois (sachant la meilleure est résolue par un scanner) ? Est-ce qu’une image analogique numérisée selon une matrice de 512 pourra récupérer une résolution supérieure à la résolution que procure cette matrice initiale ? Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 74 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Réponse : - 18 x 24 cm est numérisé avec 512 pixels pour 240 mm soit 1 pixel mesure 240/512 = 0,47 mm de côté. La résolution est environ le double (théorème de Shannon - Nyquist) donc près de 1 mm ; - En 36 x 43, le pixel mesure 0,84 mm de côté avec une résolution supérieure à 1,5mm. - Donc seuls, les scanners d'image donnent une meilleure résolution avec 300 pixels par pouce, soit 12 pixels par millimètre. Une image analogique numérisée selon une matrice de 512 ne pourra, quels que soient les traitements ultérieurs, récupérer une résolution supérieure à la résolution que procure cette matrice initiale. V.6.2 Le noircissement : Le traitement d'image numérique permet d'attribuer à la zone la plus dense la valeur maximale et la valeur minimale aux points clairs de sorte que l'on ne peut juger la valeur d'exposition sur le noircissement. - Les images binaires (noir ou blanc) : Un pixel peut prendre uniquement les valeurs noir ou blanc. C’est typiquement le type d’image que l’on utilise pour scanner du texte quand celui-ci est composé d’une seule couleur. - Les images en teintes de gris En général, les images en niveaux de gris renferment 256 teintes de gris. Images à 256 couleurs, simplement chacune de ces 256 couleurs est définie dans la gamme des gris. Par convention la valeur zéro représente le noir (intensité lumineuse nulle) et la valeur 255 le blanc (intensité lumineuse maximale). Figure V.3 Valeurs des niveaux de gris et teintes de gris correspondantes Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 75 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Ces images sont codées sur un octet et sont utilisées pour reproduire des photos en noir et blanc ou du texte dans certaines conditions (notamment lorsque l’on utilise un filtre pour adoucir les contours afin d’obtenir des caractères plus lisses). Tableau récapitulatif Nombre de bits par pixel Nombre de couleurs possibles 1 2 (blanc et noir) 4 24 = 16 8 28 = 256 Question : Qu’elle est le nombre d’octets par pixel pour avoir le nombre des couleurs du codage 65536 ? Réponse : 216 = 65536 donc il faut 16 bits qui signifie 2 octets (16 bits ou 2 octets). V.6.3 Le contraste : La numérisation après échantillonnage se fait sur un nombre limité de niveaux de gris, 256 si l'on numérise sur 8 bits ; souvent la dynamique de l'image numérique atteint 12 bits donc 4000 niveaux. Le problème est limité par les performances de l'œil qui ne sait discriminer qu'une différence de 2% entre zone voisines. Il est évident que cette dynamique est excédentaire face aux possibilités de l'œil, mais lorsque l'image est affichée avec une fenêtre limitée (en scan cérébral 80 niveaux de 0 à 80), la totalité de l'information numérique est utilisée sur cette fenêtre. V.6.4 Le bruit : Au stade de détection, la fluctuation quantique due à un nombre insuffisant de photons est perceptible dans les zones correspondant aux régions anatomiques les plus épaisses, où la transmission est minimale. Ceci est particulièrement marqué avec les nouveaux détecteurs très sensibles (amplificateur de luminance, écrans à mémoire). Cette fluctuation quantique est la cause principale de bruit en imagerie numérique. L'image numérisée, si l'on ne change pas la matrice, peut changer de support, mémoire vive ou de masse, transmission à distance, etc. sans bruit supplémentaire. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 76 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Par contre, il peut arriver que l'on change de matrice pour afficher, reproduire, agrandir d'un rapport variable. À un pixel d'origine peut ainsi correspondre 1,3 ou 2,9 pixels : ce changement entraîne un phénomène d'aliasing qui dénature ces pixels intermédiaires dont la valeur est interpolée. Et pour la fonction de transfert de modulation (FTM). Il n'existe pas de détérioration de l'information dans les divers transferts numériques alors que tout transfert analogique s'accompagne de détérioration de la modulation : la FTM est donc utilisée différemment. Autres facteurs On ne doit pas oublier que la matrice n'est pas le seul paramètre pour la netteté de l'image ; les modalités d'acquisition interviennent. La taille du foyer peut être la cause de flou prédominante : un gros foyer de 1 mm sur une radiographie de l'abdomen de face, avec un amplificateur de luminance qui n'est pas strictement au contact aboutit à un agrandissement de 1,3 à 1,5 et à un flou de 0, 5mm. V.7 Avantage de la numérisation : De manière générale, par rapport à la radiologie traditionnelle sur film, la radiologie numérique permet : - De se passer des consommables et des produits chimiques. - D'obtenir une meilleure qualité d'image notamment grâce aux possibilités offertes par le filtrage numérique. - De donner accès à plus d'information de par la meilleure résolution de contraste (l'œil ne peut voir qu'environ 200 niveaux de gris ; les digitalisations s'effectuent sur entre 4000 (12 bits) et 65000 (16 bits) niveaux de gris suivant les appareils qui peuvent être ramenés à des niveaux accessibles l'œil de manière optimisée suivant l'information recherchée). - Le stockage et l'envoi des informations via support numérique [17,28]. - La radiologie numérique permet des applications de télé-radiologie où le médecin qui interprète l'examen est à distance (parfois même dans un autre pays) du lieu où est effectué ce dernier. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 77 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 Donc on peut résumer les principaux avantages comme : a) Traitement d'image et logiciels d'aide au diagnostic : La manipulation des images sur stations de visualisation permet également de nombreux traitements : zooms, filtres (par exemple rehaussement de contours), mesures. De nouvelles applications telle que la détection assistée par ordinateur ou les systèmes experts vont se développer de plus en plus (reconnaissance de structures anatomique normales ou pathologique, extraction de paramètres quantitatifs utiles au diagnostic, modélisation et automatisation de certains processus de décision). b) Economie de dose : Avec les systèmes numérique et surtout les capteurs ont peut espérer des réductions de dose importantes sans perte de qualité d'image (l'évaluation réalisée par le CEDIT sur les ERLM en radio pédiatrie avait mis en évidence une réduction de 30%). La réduction du nombre de clichés ratés par sous ou surexposition représente également un intérêt dosimétrique mais pour une très faible proportion d'examens. c) Gain de temps et reproductibilité : Des gains de temps et de productivité peuvent découler de la réduction des clichés ratés et la récupération plus rapide des archives. La numérisation permet une parfaite reproductibilité des examens sans variabilité due à l'exposition et aux manipulateurs de films. Ce pendant, seules des modifications organisationnelles importantes permettront de bénéficier au mieux des avantages du numérique. d) Economie de films et de produits chimiques : La réduction ou la suppression du film dépendra essentiellement des performances des écrans de visualisation et de la modification des habitudes de travail du personnel médical et paramédical. V.8 Conclusion. La radiologie conventionnelle est la plus ancienne des techniques d'imagerie médicale qui utilise les rayons X. Cette technique a récemment évoluée avec le remplacement du film Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 78 UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2 2014-2015 argentique par des détecteurs électroniques ou des surfaces sensibles (les capteurs plans, par exemple) et une représentation matricielle (faite de pixels); cette évolution permet de considérablement réduire les doses d'irradiation du fait de leur grande sensibilité. Cette image radiologique numérique reste comparable à l'image radiologique conventionnelle. Elle repose sur les mêmes principes d'absorption des rayons X, avec les mêmes contrastes naturels de l'air, de l'os et des parties molles. Mais l'image numérique comporte aussi tous les avantages du « traitement d'image » par des logiciels informatiques, avec des fonctionnalités de réglage des contrastes (pour d’avantage de détails des parties molles, ou des os, par exemple), d'agrandissement, de restitution dans l'espace 3D, d'annotations, de reproduction sur films ou sur papier, d'enregistrement sur support informatique (CD-ROM), de transmission à distance par réseau (interne ou externe et par Internet) . Donc on peut dire que cette numérisation permet également au radiologue de visualiser les images obtenues sur des consoles diagnostiques qui lui permettent d'améliorer la qualité, le contraste et la taille des clichés et lui facilite donc son interprétation. Enfin, les efforts constants des professionnels scientifiques et médicaux pour la standardisation des normes de communication ainsi que la baisse du coût de l'informatique ont fait qu'aujourd'hui la numérisation des installations conventionnelles devient incontournable. Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle 79
