Evolution des techniques de l ’imagerie médicale ARHIF- 25 Septembre 2002

1. Evolution des techniques de l ’imagerie médicaleARHIF- 25 Septembre 2002 • Les différentes techniques d ’imagerie médicales • Imagerie médicale = Voir à l ’intérieur du corps. • Pour voir il faut: • 1)Eclairer l ’objet à observer. • 2)Capter l ’image « éclairée » sur un support visible par l ’œil humain.

2. Grande analogie avec l’imagerie « grand public »: appareils photo et caméras cinématographiques. • Ce qui a révolutionné l ’imagerie c ’est… • l ’INFORMATIQUE • (l ’ordinateur , le « tout numérique »…) • Les N.T.I.C. internet ,etc...

3. Les appareils photos et caméscopes mémorisent les images « visibles » qu ’elles soient externes ou internes au corps. • C ’est le cas de: • l’Imagerie endoscopique: • Fibroscopes et endoscopes optiques ou vidéo . • voies naturelles • orifices chirurgicaux. • L ’éclairage se fait par dessources de lumière froide(fibres optiques)

4. La plus grande révolution dans ce domaine c ’est la « CAPSULE » miniaturiséede première et deuxième générations. • Contient son propre éclairage et sa caméra intégrés. • Fait aussi les prélèvements et dispense des produits médicamenteux in-situ. • le tout est télécommandé sans fil et sans batterie par un boîtier externe.

5. Le boîtier extérieur relié à l ’ordinateur pour mémoriser toutes les images et commander la capsule. • L ’intérêt de la capsule à usage unique n ’est plus à démontrer: • Non invasive et non traumatisante. • Pas d ’infections nosocomiales puisque « usage unique ». • Coût global et bénéfice/risques plus intéressants que la fibroscopie classique.

6. L ’exemple précédent concernait l ’image éclairée par un spectre « visible » (lampes des sources de lumière froide). • Le spectre « visible » ne permet pas de « voir » à travers les parois et organes du corps. • Il faut d ’autres rayons que la lumièrevisible.

7. L ’imagerie médicale utilise donc: • les rayons X (radiologie) • les ULTRASONS (échographie) • la RADIOACTIVITE des isotopes introduits dans le corps. (médecine nucléaire) • les ondes électromagnétiques et de radiofréquence émises par les cellules du corps quand elles sont soumises à un champs magnétique intense. (RMN)

8. Il existe aussi d ’autres types d ’imageries qui restent encore dans le domaine expérimental ou confidentiel: • la thermographie (infrarouges , températures) • la magnétographie (détection directe et amplification des ondes spontanées émises par les cellules en activité)

9. Les RAYONS X - RADIOLOGIE • La plus ancienne des techniques . • Roentgen en 1895 • Utilisés en radiologie conventionnelle et dans les scanners . • Ont encore de beaux jours devant eux malgré l ’ inconvénient des rayons « ionisants ». • L ’échographie et l ’IRM n ’ont pas encore assuré la substitution totale.

10. La radiologie conventionnelle a beaucoup évolué grâce à l ’électronique , puis l ’informatique et le traitement du signal par la numérisation. • C ’est ainsi qu ’on est passé du tube RX avec écran luminescent qui irradiait non seulement le patient , mais aussi le radiologue et toutes les personnes présentes dans la salle d ’examen …. Au... CT scanner avec numérisation de N...ième génération (on ne les compte plus !)

11. La technique des RAYONS X • La «  lampe » c ’est le tube RX • Les générateurs de RX sont : • moins volumineux, • ils consomment moins d ’énergie,. • ils sont de plus en plus intelligents , • ils adaptent le débit de dose en fonction de l ’anatomie du patient et de la zone à explorer. • Ils travaillent en exposeur automatique , • Technique « zéro point » , • haute fréquence(moins de dose).

12. La technique des RAYONS X • Les tubes RX sont de plus en plus résistants. • Ils permettent des examens plus longs et ont une durée de vie plus longue. • Les « statifs » et tables patients sont plus ergonomiques , fonctionnels et sécurisés. • Les clichés sont faits sur films radiologiques argentiques avec développement dit « plein jour »sans chambre noire mais avec produits chimiques...

13. La technique des RAYONS X • Les films ont bénéficié de nouvelles émulsions plus performantes, plus rapides et moins consommatrices en dose RX … • Grâce à l ’électronique et les tubes à vide , on a créé des amplificateurs de brillance , • analogiques mais numérisables, • scopie sur une chaîne de télévision avec des moniteurs dans la salle d ’examen, • réduit les doses par des facteurs de 10 voire de 100 avec les scopies pulsées. (haute fréquence)

14. amplificateurs de luminance montés sur tables télécommandées ou arceaux chirurgicaux. • Derrière ces amplificateurs ,des caméras CCD très sensibles. • Très bonne résolution. • Renvoi sur des moniteurs de TV, • numériser les images . • Les mémoriser ,les traiter (soustractions d ’images) , • angiographie NUMERISEE...

15. images analogiques / numériques / caméras et convertisseurs électroniques , nous pouvons les manipuler et les transformer par ordinateur. • Chaque point de l ’image est « codé »avec des nombres. ( pixel) qui définissent: • sa place dans l ’espace et sa taille, c ’est la « résolution spatiale »(20 pl/cm). • son noircissement ,c ’est la « résolution en contraste »(4096 niveaux de gris). • Ceci nous amène naturellement au SCANNER

16. ….. Les films , la chimie,= pollution • Le remède vient de la … • BUREAUTIQUE •  imprimantes laser  appelées reprographes à chimie sèche • (suppression des effluents) • remplacent les développeuses. • ERLM = Ecrans RadioLuminescents à Mé-moire photostimulables. • remplacent les films et clichés conventionnels

17. plaques à Mémoire ( CR) • permettent la numérisation • sur un même cliché de poumons , visualiser le « parenchyme »après soustraction des structures osseuses. • traitement numérique = « retouche des photos ». • La résolution est de l ’ordre de 50 microns par pixel . • permet la mammographie numérique. • D.A.O= aide au diagnostic par ordinateur, • « zones suspectes à surveiller »… • Encodage couleur des zones suspectes...

18. plaques à mémoire«ré-effaçables», • problème de pollution résolu • mais aussi « premières briques » des N.T.I.C. • Tout numérique • réseau informatisé • de la distribution des images en intra et en extra hospitalier • Supports mémoires informatiques types CD

19. Poussons encore plus loin la technologie • « Capteurs Plans Numériques » • ou DR=Direct Radiologie • Plaques de sélénium ou de silicium . • Commencent à remplacer nos bons vieux amplificateurs de luminance , • nos films , cassettes ,écrans... • et nos plaques ERLM… • On a , non seulement des images statiques, mais aussi « dynamiques » • Jusqu ’à 8 images à la seconde!

20. Remplacent les anciens « sélecteurs »(mangeurs de cassettes) , sur les tables radiologiques , • Remplacent les amplificateurs de luminance sur les salles télécommandées ou spécialisées , poumons,angiographies ,etc, • et remplaceront bientôt , les détecteurs multi-barrettes des scanners RX. • Ils sont même portables , en format 23x29cm, pour la vision directe des clichés pédiatriques au lit(par exemple…)

21. Ré-organisation des services de radiologie, • il n ’est plus nécessaire de se déplacer pour développer les clichés…Meilleure Productivité ! • Le manipulateur reste en salle : • Ses images sont envoyées en tâche de fond vers les salles d ’interprétation et même vers les services des urgences , des blocs , des réanimations ou aux médecins de ville. • La voie est toute tracée pour la télé-radiologie ou la télémédecine… • Les tables sont moins volumineuses , • pas d ’ampli de brillance,

22. Images de meilleure qualité aussi bien en résolution spatiale , temporelle et de contraste. • Développement des stations de travail et des consoles informatiques. • Disparition des négatoscopes classiques remplacés par les ordinateurs. • Disparition du film. • Hôpital « filmless ». (3% des hôpitaux aux E.U. étaient filmless en 2000 , ils seront environ 50% en 2010 ) • P.A.C.S.(Picture Archiving and Communication Systems)

23. les capteurs plans numériques sont des capteurs électroniques comprenant des milliers de « petites caméras » type CCD , capteurs CMOS placés chacun derrière une optique focalisée sur un scintillateur ,ou autres… • Chaque « petite caméra » correspond à « UN PIXEL »=la plus petite unité d ’image sur une matrice numérique. • Capteurs au sélénium amorphe 3400 x 3400 pixels de 127 µ chacun. • Capteurs au silicium avec scintillateurs 160µ

24. De matrices 256 x 256 , on est passé à 512 x512 puis 1024 x 1024 points ou « pixels ». Le contraste (ou l ’échelle de gris ) est codé en 8 , 16 ou 32 bits . • Lecteurs de 43 x 43 cm (matrice 7000 x 7000 en haute résolution ) 62 µ /pixel , lus en 2 secondes ! • La mamographie se fait sur capteurs 21 x 29 cm avec une résolution de 25 µ / pixel ! • La résolution en contraste se programme sur 4096 nuances de gris … c ’est • L ’échelle de «  HOUNSFIELD  » ...

25. Hounsfield = CT Scanner à RX - 1971 • société E M I «  les Beatles »- • Le rêve de l ’image « corps entier » prend forme avec la « Computed Tomography ». • Le corps découpé en tranches tomographiques numériques et reconstruit par l ’ordinateur. • Plus l ’ordinateur est puissant, plus il peut calculer vite , archiver , mémoriser et transmettre sur le réseau.(S.I.R.) (S.I.H.) • L ’évolution des scanners a accompagné l ’évolution vertigineuse de l ’informatique.

26. « pixel » =2 dimensions • « VOXEL »= volume=3dimensions • on peut même y introduire la 4ème dimension qui est l ’évolution de l ’image dans LE TEMPS . • Ceci n ’a été possible que grâce à la technique de la TOMOGRAPHIE d ’une part ,et à la puissance de l ’informatique. • Il y a eu plusieurs générations de scanners RX. • Le principe de base toujours le même • un générateur RX puissant • un tube RX et des détecteurs tournants.

27. Sur une couronne,un tube RX d ’un côté • de l ’autre , une série de capteurs, • de gazeux,il y a encore quelques années , ils sont devenus solides « électroniques ». • Et aujourd’hui , ces couronnes de détecteurs deviennent des « matrices » de 2 , 4 , 8 ,16 et même 32 barrettes , • scanners de toute dernière génération. • Ces couronnes tournent autour du patient • le « découpent en tranches de plus en plus fines », • maintenant à moins de 0,5 mm par coupe...

28. Résolution temporelle: • On fait des coupes à des temps inférieurs à 65 millisecondes. • Résolution spatiale : moins de 125 microns. • Possibilité de substitution pour les procédures d ’angiographie et de coronarographies numérisées.

29. On ne parle plus de coupes ,tellement ça va vite , on parle de temps d ’utilisation. • On ne reconstruit plus en coupes tellement il y a d ’images … On fait des spirales … • on reconstruit des volumes anatomiques avec une précision du demi-millimètre.(MPR:multi-planar reconstruction) • On ne visualise que ce qui intéresse le radiologue • les os , les vaisseaux ,les coronaires , • on fait même de l ’endoscopie « virtuelle » • on se promène à l ’intérieur du tube digestif ou des bronches comme si on était la « fameuse capsule»à usage unique...

30. Auparavant , patient immobile ou anesthésié le temps de l ’examen ,quelques bonnes minutes... • Maintenant , tout est acquis et reconstruit le temps d ’une « apnée » , en moins de 15 secondes . • On faisait une « coupe » en 0,75 secondes. • On en fait 16 ou 32 simultanées en 0, 5 secondes. • On en fera encore plus quand on remplacera les scanners « multibarrettes » par des scanners à « capteurs plans » (en cours).

31. CT scanner devient interventionnel , • couplé à un amplificateur de luminance ou même à une TEP pour d ’autres applications. • Couplé , par le réseau , à l ’accélérateur de particules en radiothérapie, • On a pu penser que le scanner à rayons X allait disparaître au profit d ’équipements « non ionisants » tel que l ’IRM ou l ’échographie… • Mais c’est encore une fois ,l ’électronique , les microprocesseurs et l ’informatique qui l ’ont « sauvé » et l ’on rendu « Spiralé » , volumique , rapide et indispensable…

32. Les quantités d ’informations traitées sont énormes: • 1 coupe fait 1024 x 1024 x 8 ou 16 bits minimum. • Plus de 10 Millions d ’informations par image ! • Soit 16 ou 32 coupes en 0,5 secondes !!! • Un volume de 60 cm à raison de 0,5 mm par coupe = 120 coupes x 10 Millions ... • acquises et reconstruites en 2 à 4 secondes!! • Ceci impose une nouvelle organisation de travail • on revient au principe des consoles satellites pour traiter ce flot d ’informations...

33. Toutes ces avancées technologiques en précision , capacité d ’archivage, rapidité et transmission en réseau ont permis de « révolutionner » la CHIRURGIE !!! • Chirurgie et navigation assistée par ordinateur. • L ’opération est programmée et planifiée sur une console pré-opératoire à partir des images numériques. • Les informations sont envoyées en salle d ’opération pour commander un ROBOT chirurgical ou « naviguer » en toute sécurité dans des zones « hypersensibles ».

34. Inconvénients des CT scanners: • Utilisation massive de dose RX. • Nécessité de réduction de dose. • Les progrès technologiques ont permis de : • Optimiser la « collimation primaire », • Moduler les constantes « ma. s » en fonction du profil , de l ’épaisseur et de la zone anatomique du patient , • Utiliser des filtres spécifiques en fonction de l ’examen. • Ramener la dose à des niveaux acceptables.

35. Il existe aussi des • scanners de poche !! • Entrée de gamme , • simplifiés pour des applications ORL ou réanimation , par exemple, • coût très abordable. • Installé en moins de 3 heures ! • Auto-contrôle et auto-dépannage • Indiquent au SAV la pièce défaillante à remplacer. • Les tubes RX se remplacent comme une cartouche de toner sur imprimante…!

36. Après « l ’éclairage à RX » voyons les autres modes d ’imageries qui sont « non ionisants »: • Les ULTRASONS • principe des « SONARS » et du radar.(1945-50) • Les ondes ultrasonores sont des « pressions » qui se transmettent le mieux dans l ’eau et qui sont arrêtées par les corps osseux. • Imagerie idéale de l ’abdomen. • Sondes piézo-électriques en émission-réception. • On émet une onde acoustique « ultrasonore » entre 2 et 15 Mhz par exemple vers l ’objet à observer.

37. Celui-ci renvoie les « échos » réfléchis par les parois et membranes traversées. • La mesure du temps écoulé et de la « qualité » de l ’écho revenu permet la reconstruction d ’une ligne. • Le balayage à 256 ou 512lignes( canaux) permet de reconstruire une image 2 D et même 3D.

38. échographes légers et portables • coûts très abordables < 40 Keuros • intègrent toutes les fonctions des grands frères qui étaient très encombrants , lourds et coûteux. • (utilisation au Smur ,aux urgences, en réa …)

39. sondes hybrides directement reliées à un ordinateur banalisé. • Imagerie 2D , 3D, dopplers , couleur , etc… et même transmission de l ’image et du compte-rendu sur le réseau internet • Utilisé , à distance, jusque dans les navettes spatiales par exemple...

40. sondes endoscopiques • ETO = le cœur à partir de l ’oesophage , • l ’écho-endoscopie (détection des tumeurs autour du tube digestif ). • le phénomène doppler (même principe que les radars de la gendarmerie) • détecter les vitesses des flux sanguins , faire de l ’imagerie vasculaire et suivre les organes en mouvement.(doppler couleur)

41. sondes « matricielles »ou à balayage mécanique • reconstructions anatomiques en 3D (images obstétriques du fœtus). • Retombées des algorithmes de calcul des scanners et des irm (renforcement des contours , road mapping) • produits de contrastes à microbulles • harmoniques améliorent la différenciation des tissus et des organes avec une plus grande résolution • Sondes larges bandes pour mieux focaliser sur toute la profondeur.

42. Finesse de l ’image v/s profondeur d ’exploration. • Avec les nouveaux traitements numériques du signal en émission et en réception on arrive à augmenter la profondeur tout en gardant la finesse de la résolution. • Nouvelle technique d ’ultrasons par TRANSMISSION • Ce n ’est plus l ’effet « écho » qui est utilisé ,mais l ’effet transmission dans l ’eau. • Sondes « émettrices » d ’un côté et capteurs matriciels de réception de l ’autre… • Technique holographique de transmission (DEI=Diffractive Energy Imaging)2 étapes: Acoustique puis transformée en optique.

43. Autre technique « non ionisante » l ’IRM • résonance magnétique nucléaire- • A la fois OUTIL DE ROUTINE et de RECHERCHE. • Pièce maîtresse du Plateau d ’imagerie • Les machines standards sont maintenant les 1 , 5 Tesla • Les reconstructions d ’images se font maintenant en « temps réel » grâce aux techniques de commutation rapide des gradients de champs magnétiques à forte amplitude pouvant aller jusqu ’à 51 mT / mètre. • Temps d ’acquisition très courts et résolution spatiale améliorée.(différentes séquences et modes automati-ques d ’acquisition programmables)

44. Comment ça fonctionne ? • Excitation des noyaux H de l ’eau (plus de 80% du corps) par radiofréquence • soumis à un champs magnétique intense qui varie dans le temps (gradients) • « protons » déstabilisés ,désorientés(spin) • retour à l ’état d ’équilibre en émettant un signal de résonance énergétique « capté » par les antennes radiofréquence.

45. L ’analyse des milliers de signaux provenant de chaque atome d ’hydrogène permet de reconstruire une image fonctionnelle . • Afin d ’avoir des images fines et précises il est nécessaire de répéter l ’excitation et la commutation du champs magnétique. • Examen long et bruyant . • Nécessité d ’ une capacité mémoire et de calcul phénoménale. • Rôle de l ’informatique et l ’électronique .

46. nouvelles antennes à réseaux phasés , nouveaux ordinateurs , nouveaux algorithmes ,séquences... • de plusieurs dizaines de minutes pour un examen à quelques minutes voire moins d ’une minute. • L ’Histoire de l ’IRM a démarré vers 1975 toujours avec la société EMI. • En 1977 on commence à reconstituer quelques images encore floues. • Ce n’est qu’en 1982 que des résultats anatomiques satisfaisants ont pu être présentés avec des temps d ’examens très longs (1h)puisque la répétition du signal fabrique progressivement l ’image.

47. Les équipements de l ’IRM • un aimant puissant : • soit permanent (mais très lourd-plusieurs tonnes) • soit résistif ( mais lourd et très consommateur d ’énergie) • soit SUPRACONDUCTEUR donc refroidi à l ’Hélium pour conserver l ’énergie électrique qui devient « autosuffisante ». • Plus l ’aimant est puissant , meilleur est le signal/bruit • meilleure est l ’ image et plus vite elle est produite.

48. De 0,1 T dans les années 80 à plus de 3 T aujourd’hui. • On a amélioré les antennes radiofréquence • Spécifiques et localisées à l ’organe à explorer • On a gagné en qualité d ’image et en rapidité d ’acquisition et de reconstruction. • On est maintenant presque en temps réel. • « astuces » de synchronisation et de filtres (gating) • images cinétiques (cœur en mouvement par exemple), angiographie sans produits de contraste...

49. images anatomiques • mais aussi images fonctionnelles et qualitatives. • spectroscopie en « excitant » d ’autres atomes que l ’hydrogène , Na ,…spécifiques à des organes ou des tumeurs… • visualiser les changements de composition chimique ,les changements d ’état ou de métabolismes. • Associer et fusionner l ’imagerie fonctionnelle de l ’irm aux images du scanner , du Tep ou de l ’échographie…pour un même patient. • Utilisation en radiothérapie ou en robotique chirugicale...

50. Améliorations des contraintes environnementales. • Aimants plus légers et moins encombrants. • Machines à géométrie courte • Faible consommation d ’hélium. • Machines moins bruyantes et plus confortables. • Auto-blindage pour réduction du périmètre de sécurité concernant le champs magnétique et les perturbations de radiofréquences externes.(ligne des 5000 gauss) • Ouverture des aimants pour plus de confort .