Imagerie Medical Recalage Chapitre 1

Chapitre 1 Élément d’imagerie médicale

I- ÉLEMENTS D’IMAGERIE MEDICALE

1. Introduction :

Un peu de l’histoire….

L’imagerie médicale est un ensemble de techniques permettant de visualiser une partie du

corps humain et d’en conserver une image.

- La première technique d’imagerie médicale, la radiographie est née à la fin du 19 ème siècle

grâce aux travaux de Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923), un physicien allemand. Dans

l’obscurité de son laboratoire, ce dernier étudiait l'électricité dans un tube cathodique (un tube

de verre muni d’électrodes et dans lequel on fait le vide) quand il vit par hasard, en

interposant sa main devant le tube, ses propres os. En plaçant derrière, un papier recouvert

d’une substance photographique, il pouvait même en obtenir un cliché. Les rayons X –

qualificatif emprunté à celui de l’inconnue algébrique en mathématiques- venait d’être

découverts, permettant de voir à l’intérieur du corps humain.

- Depuis, de nombreuses améliorations ont été apportées à ce principe révolutionnaire. À côté

des rayons X, d’autres principes physiques ont été découverts tout au long du XXè siècle.

- Inge Edler (1911-2001), un cardiologue suédois, a eu l’idée d’utiliser le procède physique

des ultrasonores en tant que principe d’échographie pour diagnostiquer les sténose mitrales.

- la découverte de la radioactivité naturelle par Henri Becqurel , Pierre et Marie Curie , puis

de la radioactivité artificielle par Irène et Frédéric Joliot-Curie en 1934 ont conduit au

développement de la médecine nucléaire et la scintigraphie. la résonance des noyaux des

atomes a également découlé la spectroscopie par résonance magnétique, disponible depuis les

années 1980.

- L’apport de l’informatique et du traitement numérisé des images a abouti à la mise au point

du scanner en 1972 par les radiologues britanniques Allan Mc Cornack (1924-1998) et

Godfrey N. Hounsfield (1918), prix Nobel 1979 pour cette découverte.

En 1995 le scanner hélicoïdal (issue de du développement technologique) permet de déceler

des tumeurs petite taille aussi que de visualiser la vascularisation d’un organe [AOU 03]

Les techniques d’image en trois dimensions et de visualisation révolutionnent aujourd’hui le

domaine médical.

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2. Imagerie médicale et Objectifs

L’imagerie médicale regroupe l’ensemble des techniques utilisées par la médecine pour le

diagnostique la planification de la thérapie et le contrôle d’un grand nombre de pathologies.

Elle a révolutionné la médecine en donnant un accès immédiat et fiable à des informations

jusqu’alors «invisibles» au diagnostic clinique, comme par exemple aux caractéristiques

anatomiques, voire même à certains aspects du métabolisme (imagerie fonctionnelle) des

organes.

Les techniques d’imagerie médicale ne donnent pas une simple «photographie» du tissu ou de

l’organe étudié mais une représentation visuelle fondée sur des caractéristiques physiques ou

chimiques particulières. Avec un appareillage certes beaucoup plus lourd que les instruments

d’optique (endoscopes, fibres optiques…) - aujourd’hui si petits qu’ils peuvent être introduits

dans les étroits canaux du corps humain -, mais sans les contraintes que ces derniers imposent

(hospitalisation, anesthésie…). Les appareillages utilisés sont aussi variés que les techniques

elles-mêmes ; des techniques qui peuvent être complémentaires les unes des autres. [inria]

-Imagerie médicale est aujourd’hui incontournable, et est utiliser pour :

1- La prévention pour le dépistage d’un certain nombre de cancers par exemple.

2- Le diagnostique et le pronostique : a fin d’étudier l’état du malade et l’évolution de la

maladie tout en offrant des comparatifs rationnels.

3- Mise en place et suivi de traitement thérapeutique pour aider ou assister une intervention

chirurgicale.

4- Les tests en pharmacologie où elle permet de test in vivo l’efficacité d’un traitement

pharmaceutique, et donc de limiter notamment le nombre de sujets utilisé dans le cadre

d’expérimentations.

5- les études cognitives où l’imagerie a également contribué à faire exploser la connaissance

des différentes fonctions sensori-motrices et cognitives chez l’homme (langage, raisonnement,

mémoire, apprentissage, motivation, émotion).

6- La formation et la recherche en médecine, biologie...

3. Principales modalités d’imagerie médicales :

3.1 La radiologie :

La radiographie standard permet principalement d’obtenir des clichés en deux dimensions des

structures osseuses et articulaires : elle est notamment utilisée en orthopédie, en rhumatologie

et en orthodontie où elle permet d’étudier les traumatismes osseux (fractures, etc.), les

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déformations du squelette ou les implantations dentaires. La pneumologie y a aussi recours

(radio des poumons).

Chez la femme, la radiographie du sein (mammographie) est devenue un examen

systématique de prévention du cancer du sein.

Il est aussi possible de visualiser certains organes ou parties creuses, habituellement invisibles

aux rayons X, en les « remplissant » d’un produit de contraste, opaque aux rayons X : c’est la

radiographie de contraste.

3.2 La tomodensitométrie :(Computerized Tomography) (Scanner)

Le scanner explore un volume du corps : c’est en quelque sorte une « endoscopie virtuelle »

qui permet d’établir des images tridimensionnelles des organes ou des tissus (os, muscles ou

vaisseaux) constitutifs des zones scannées. À son apparition, il a révolutionné la neurologie en

offrant la possibilité de « voir » le cerveau.

Le scanner permet de visualiser une modification de volume ou une anomalie de structure

(tumeur, embolie, anévrisme…), il ne permet pas d’en préciser la nature (inflammation,

cancer, etc.). En cancérologie, il permet de contrôler la réponse à la chimiothérapie. Il peut

aussi être utilisé en chirurgie pour renseigner plus précisément sur les zones où l’intervention

est envisagée ou bien encore pour guider les drainages et les biopsies.

Pour l'étude de certains organes, il peut être nécessaire d'injecter (par voie intraveineuse) ou

d’ingérer un "produit de contraste " à base d'iode, opaque aux rayons X. les images

numériques obtenues sont des images « de coupe », voire même des images en 3D.

3.3 L'échographie :

- L’échographie permet d’explorer le coeur, les organes digestifs (foie, rate, pancréas,

vésicule biliaire), urinaires (vessie, reins) et

génitaux (prostate et testicules, ovaires et utérus).

Le tube digestif et les poumons, de même que les

os et les gaz, ne lui sont en revanche pas

accessibles.

- L’échographie doppler, qui utilise une sonde plus

fine, permet d’explorer le système vasculaire et a

des indications majeures pour les maladies des

veines et des artères.

Les échographies de la grossesse permettent

d’apprécier la vitalité et la morphologie du foetus

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Fig 1: Échographie couleur du

rein [ NET 07 ]

Fig 1: Échographie couleur du

rein [ NET 07 ]


ainsi que son environnement (liquide amniotique, placenta, cordon, …).

En noir et blanc à ses débuts, l’échographie permet aujourd’hui d’obtenir des clichés en

couleur. Son principe consiste à appliquer une sonde (comme un stylo) contre la peau en

regard de l’organe à explorer. Cette sonde émet des ultrasons qui traversent les tissus puis lui

sont renvoyés sous la forme d’un écho.

Ce signal, une fois recueilli va être analysé par un système informatique qui retransmet en

direct une image sur un écran vidéo.

Avec l’apport de la vidéo, elle peut même enregistrer des séquences animées.

3.4La spectroscopie par résonance magnétique (SRM)

La spectroscopie par résonance magnétique permet d'obtenir des informations sur le

métabolisme des cellules qui composent les tissus, grâce au dosage des molécules

biologiques, dont la concentration est de quelques grammes par litre dans le tissu étudié au

cours de son fonctionnement. Ses applications principales concernent l’étude du métabolisme

musculaire et l’étude du métabolisme cérébral. Par exemple, la SRM du noyau phosphore

permet l’étude biochimique du muscle pendant et après un effort intense grâce au dosage des

métabolites musculaires contenant du phosphore (phosphocréatine, ion phosphate, ATP,

ADP…). La SRM peut aussi détecter des processus inflammatoires, infectieux, tumoraux ou

dégénératifs, mais les anomalies observées ne sont pas spécifiques de tel ou tel processus.

3.5 La scintigraphie

Il s'agit d'une technique d'imagerie qui fait appel à des substances radioactives qui, injectées

en infimes quantités dans l'organisme, se fixent sur un organe. Le rayonnement émis par

l'organe peut être filmé par une caméra spéciale appelée gamma-caméra. L'appareil recueille

les scintillations générées par la substance radioactive et permet ainsi de visualiser l'organe.

-Les images sont obtenues grâce à l'utilisation des propriétés biologiques spécifiques de

l'organe à étudier.

C'est ainsi que la scintigraphie thyroïdienne est basée sur le fait que la thyroïde capte la plus

grande partie de l'iode qui sera administré.

Ou encore, la scintigraphie osseuse est basée sur le fait que l'os fixe normalement le calcium.

Ainsi, le produit test injecté sera marqué par un corps radioactif non nocif (technétium-99). La

mesure de la radioactivité de l'organe à étudier permettra d'objectiver la zone suspecte.

- La scintigraphie se déroule de la façon suivante :

Le malade est allongé et la gamma-caméra est placée à proximité de la région que l'on désire

étudier. L'isotope radioactif est injecté dans une veine ou inhalé pour la scintigraphie

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Fig 2: Exemple d’image TEP cérébral : même coupe transverse à différents temps d’acquisition [ NET 08 ]

Fig 2: Exemple d’image TEP cérébral : même coupe transverse à différents temps d’acquisition [ NET 08 ]


pulmonaire. Le radiologue enregistre les images très rapidement après l'administration du

produit. Il faut ensuite attendre un temps variable (parfois plusieurs jours) pour que l'isotope

soit suffisamment fixé par l'organe à étudier et une nouvelle série d'images est alors réalisée.

La scintigraphie montre les zones anormales sous forme d'hyperfixation ou d'hypofixation.

Certains appareils permettent de réaliser des coupes tomographiques donnant plusieurs

images, selon le niveau de la coupe, à partir d'un traitement informatique des scintillations

enregistrées : on parle alors de tomoscintigraphie.[NET 01]

3.6 La tomographie par émission de positons (TEP) :

(Ou PET = "Positron emission tomography" , en anglais) ne donne pas d’image anatomique

mais renseigne sur la biochimie des organes. Elle fournit des informations sur le

fonctionnement des tissus normaux et pathologiques. Suivant l’isotope radioactif utilisé, elle

donne au médecin des informations spécifiques sur le métabolisme des tissus.

Elle utilise des molécules biologiques marquées par des isotopes radioactifs à demi-vie très

brève, tel que le Carbone-11, qui permettent de "voir" les organes du corps humain en

fonctionnement.

Elle permet d’étudier in vivo le fonctionnement biochimique d’un organe, tel que le cerveau,

le cœur ou les poumons, en donnant des informations spécifiques sur le métabolisme de ses

tissus : flux et volume sanguin, consommation cellulaire du glucose… Les cellules

cancéreuses par exemple consomment plus de glucose que les cellules bénignes, ce qui

permet de repérer par cette technique d’éventuels « points chauds » témoins de récidives

cancéreuses. Si elle est particulièrement intéressante en cancérologie, la TEP a des

applications dans d’autres disciplines : en neurologie, elle permet par exemple de

visualiser les pertes neuronales du système dopaminergique qui signent la

maladie de Parkinson, ou bien encore les zones hyperactives du cerveau dans

l’épilepsie. Elle offre en outre la possibilité de tester in vivo l’efficacité des médicaments, ce

qui intéresse notamment la cardiologie dans la mise au point de nouveaux traitements.

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Le principe physique de la TEP est basé sur la détection du rayonnement gamma issu de la

désintégration des particules émises par ces isotopes émetteurs de positons. La quantité de

rayonnements gamma est proportionnelle à la concentration locale de l'isotope radioactif.

La réalisation d'une image de TEP est donc l'aboutissement d'une chaîne multidisciplinaire

qui contient les étapes suivantes :

-la production d’isotope émetteur de positons par un cyclotron biomédical.

-la synthèse d'une molécule biologique et son marquage par un atome émetteur de

positons.

-le contrôle de la qualité de ce produit radio pharmaceutique.

-l'injection d'une dose traceuse de la molécule marquée au sujet.

-l'acquisition du signal avec la caméra TEP.

-la reconstruction de l'image tomographique.

3.7 L’imagerie par résonance magnétique (IRM)

3.7.1 Présentation

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) permet de visualiser la structure anatomique de

tout volume du corps, en particulier des « tissus mous » tels que le cerveau, la moelle

épinière, les viscères, les muscles ou les tendons.

La constitution de l'image IRM

repose sur l'interaction d'un champ

magnétique et d'une radiofréquence

sur l'orientation des atomes

d'hydrogènes

(protons). L'aimant permet d'orienter

tous

les protons dans une même direction.

Ceux-ci sont ensuite écartés de cette

direction grâce à l'énergie donnée par

une radiofréquence générée par une antenne.

L'émission de l'antenne s'interrompant, les protons reprennent leur position d'équilibre dans le

champ magnétique (relaxation) en redonnant de l'énergie qui peut être lue par une même

antenne.

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Fig 3: Dispositif d’IRM [NET 09 ]Fig 3: Dispositif d’IRM [NET 09 ]


L'énergie redistribuée peut être décomposée suivant un axe parallèle au champ magnétique

(relaxation longitudinale ou T1) ou un axe perpendiculaire au champ magnétique (relaxation

transversale ou T2).

Les relaxations T1 et T2 des protons dépendent des tissus, ceci permet d'obtenir deux images

de contraste différent des différents tissus. Ces images sont appelées images pondérées T1 et

T2.

Bien que deux visions différentes d'une même structure soient possibles, il peut là encore être

intéressant d'utiliser des produits de contraste spécifiques (gadolinium). Ils sont utilisés par

voie intraveineuse exclusivement. Ils sont moins iatrogènes que les contrastes iodés, même en

cas d'insuffisance rénale ; les réactions sont très rares, exceptionnellement mortelles.

En IRM, il n'existe pas d'échelle de densité et on parle d'hyper ou d'hypo intensité en T1 ou en

T2 en fonction de l'aspect d'un tissu quelconque par rapport aux tissus adjacents.

Cette technique est par essence non irradiante et permet l'acquisition directe de coupes dans

les trois plans de l'espace (axial, frontal et coronal).

L’IRM apporte en premier lieu des informations de nature morphologique (séquences type

spin-echo) avec la possibilité d’obtenir des images dans tous les plans de l’espace. D’autres

séquences permettent une exploration dynamique du coeur (ciné-IRM cardiaque), ou

permettent la quantification des flux de manière non invasive en utilisant les mêmes principes

que le Doppler cardiaque (imagerie de phase). Mais également des renseignements d’ordre

hémodynamique. Enfin, la technique d’angio-IRM permet une exploration agiographique non

invasive de l’arbre vasculaire. Elles se caractérisent par sa rapidité (imagerie en apnée), la

possibilité de reconstruire des plans de coupes selon des orientations multiples et/ou en 3D,

alors qu’une simple injection de contraste IV (20 ml) est requise. [NET 06]

3.7.2 Utilité :

L’imagerie par résonance magnétique (IRM) a pris une place exceptionnelle dans le

domaine diagnostique. Ce succès repose sans aucun doute sur les progrès technologiques

constants réalisés au cours de ces vingt dernières années, tant au niveau des équipements

nécessaires à l’acquisition des données IRM (augmentation de l’intensité des champs

magnétiques, production de gradients linéaires de champ magnétique plus intenses et plus

rapidement commutables) qu’au niveau des outils de calcul numérique. Mais ce succès résulte

surtout d’une spécificité importante de l’IRM : il s’agit d’une modalité d’investigation

diagnostique permettant à l’opérateur de moduler les contrastes entre paires de tissus

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biologiques, sur la base de la sensibilité du signal RMN à une panoplie de paramètres

biophysiques caractérisant ces tissus.

Parmi ces paramètres, on peut citer la densité tissulaire des molécules d’eau, les temps de

relaxation caractérisant l’évolution temporelle de l’aimantation des protons des molécules

d’eau (après une perturbation de l’équilibre thermique), les propriétés de diffusion des

molécules d’eau (en particulier l’anisotropie du tenseur de diffusion), leur vitesse de

déplacement macroscopique (en imagerie vasculaire ou cardiaque, par exemple), les

différences locales de susceptibilité magnétique, la perfusion tissulaire, le volume sanguin, la

perméabilité capillaire, l’oxygénation sanguine, etc. Il faut par ailleurs souligner que l’IRM

est une technique de type « tomographique » fournissant donc des images de coupes à travers

le corps humain. Contrairement à la tomographie X, l’orientation des coupes peut être choisie

arbitrairement. Ainsi, l’IRM est la seule modalité diagnostique permettant d’obtenir des

images du rachis, dans le plan sagittal (plan de coupe défini par les directions caudo-crâniale

(tête pieds) et antéropostérieure).

À côté de l’information strictement morphologique, l’IRM donne également accès au

fonctionnement de certains organes. L’imagerie cardiaque a constitué, dès l’avènement de

l’IRM, un domaine d’application privilégié de l’imagerie fonctionnelle par IRM : en

synchronisant l’acquisition des données par rapport au cycle cardiaque, il est aisé de restituer

ensuite la dynamique des mouvements cardiaques au cours du cycle. Un second domaine

d’application a émergé depuis maintenant une dizaine d’années. Il engendre un intérêt

considérable, qui s’étend bien au-delà de la communauté médicale : il s’agit de l’IRM

fonctionnelle cérébrale (IRMf). Il est donc devenu possible de cartographier les aires

cérébrales impliquées lors de stimulations sensorielles ou sensitives, ou lors de l’exécution de

tâches, qu’elles soient motrices ou cognitives.

À côté de l’intérêt clinique, par exemple pour identifier certaines aires fonctionnelles

cérébrales dans le cadre de l’établissement d’un bilan préopératoire, l’IRM fonctionnelle

cérébrale (IRMf) présente donc un intérêt certain dans l’étude du fonctionnement du cerveau

sain. L’innocuité absolue de la technique (aucune injection de traceurs n’est nécessaire)

permet l’étude répétée sur volontaires sains. L’IRMf a dès lors rapidement supplanté la

tomographie par émission de positons (TEP), technique considérée auparavant comme étant

l’outil de référence en matière d’imagerie fonctionnelle cérébrale et elle est devenue

rapidement un outil privilégié des psychologues cognitifs. De nombreuses plateformes d’IRM

ont été érigées dans le monde, qui est maintenant dédiées à l’étude du fonctionnement

cérébral.

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4. Image IRM anatomique cérébrales

4.1Presentation séquence d’IRM :

L’IRM est par excellence la modalité la plus utilisé pour obtenir et traiter des images du

cerveau .La description de l’anatomie du cerveau est actuellement très répondue et détaillé en

littérature allant du dictionnaire Larousse, des encyclopédie, aux ouvrage spécialise aussi bien

en tant que produits édités que numérisés.

On laisse le lecteur s’y référer pour une présentation de l’anatomie cérébrale.

Ne au moins on met l’accent à notre niveau sur certains points essentiels lors d’acquisition de

séquences d’IRM cérébrales.

L’image est caractérisée par des paramètres de séquence que le manipulateur fixe sur la

console du dispositif pour définir la séquence IRM.

Ils permettent de contrôler l’influence du différent paramètre tissulaire T1, T2 et la densité de

moduler aussi le contraste dans l’image.

Parmi ces paramètre [ Bar00] :

- temps d’écho (TE) délai entre le milieu de l’impulsion d’exécution et de sommet de l’écho.

- Le temps de relaxation T2 en écho spire.

- Le temps de relaxation T1 en écho de gradient.

(Le TE gouverne la pondération en T2 dans le contraste de l’image)

- Le temps de répétition (TR) : l’image est constitue à partir de la répétition de la meme

séquence avec un gradient de phase d’amplitude différente. Le TR est le temps qui sépare

deux répétitions.Le Tr est un facteur de contraste

Les séquences IRM possible :[Bos 02]

En modifiant les valeurs des différents paramètres de séquence, une grande diversité de

volumes variant par le contraste peut être acquis. Le choix d’un ensemble de paramètres est

alors fonction de l’étude clinique sous-jacente. Nous présentons ici les différentes techniques

d'acquisitions qui seront utiles dans la suite de ce mémoire.

a- Image pondérée en densité de protons :

Pour un TR long (de l’ordre de 2 s) et un TE court (de l’ordre de 20 ms), la différence de

densité protonique entre la substance grise et la substance blanche s’exprime. On obtient une

séquence pondérée en densité de protons (ou) qui reflète la localisation et la concentration

des noyaux d’hydrogène des différentes structures. Les tissus sont ordonnés par niveaux de

gris croissants en matière blanche (MB), matière grise (MG) et liquide cérébro-spinal (LCS)

(Figure 4-a).

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b- Image pondérée en T2 :

Pour des TR longs (de l’ordre de 2s) et des TE longs (environ 90ms), la décroissance du

signal domine la différence de densité protonique entre tissus, et le signal est suffisant pour

réaliser une image dite pondérée T2, où les tissus sont ordonnés par niveaux de gris croissants

en MB, MG, LCS (Figure 4-b).

c- Image pondérée en T1 :

Pour des TR courts (de l’ordre de 600 ms), le contraste entre les tissus dépend essentiellement

de leur vitesse d’aimantation, donc de T1. Pour des TE courts (environ 20 ms), les différences

de décroissance du signal entre les tissus n’ont pas le temps de s’exprimer, rendant le

contraste indépendant de T1. Ainsi, on obtient une image pondérée en T1, où les tissus sont

ordonnés par niveaux de gris croissants en LCS, MG, MB (Figure 4-c).

d- Séquence FLASH3D :

La séquence FLASH3D (Fast Low Angle SHot) est une séquence pondérée en T1 définie par

TE/TR=10 ms/50 ms et =35°. Cet angle a été choisi pour maximiser le contraste substance

grise/substance blanche. Ces images (Figure 4-d) sont acquises en un temps relativement

court (6 min 52 s), mais présentent un important effet de repliement dans la direction

perpendiculaire aux coupes lorsque le volume à observer est plus grand que le champ

d'imagerie.

(a) Image pondérée en (b) Image pondérée en T1 (c) Image pondérée en T1 (d) Image FLASH3D

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Fig 4 : Quelques séquences IRM illustrées sur une coupe de cerveau [NET 04]Fig 4 : Quelques séquences IRM illustrées sur une coupe de cerveau [NET 04]


4.2 Différents coupes d’IRM du cerveau :

L’observation des coupes à deux dimensions du cerveau peut être effectué selon plusieurs

angles de vue (plan) voir figure 2

Ainsi on destingue 3 axes :

- Coupe axiales : Ces coupes correspondent quasiment a un plan horizontal. En imagerie de

résonance magnétique, elles correspondent a un plan perpendiculaire a l’axe du champ

magnétique principal.

- Coupes sagittales : Ces coupes sont prises dans des plans parallèles au plan inter

hémisphérique. Il s’agit de vues latérales du cerveau.

- 5.2.3 Coupes coronales : se sont des coupes perpendiculaires aux coupes axiales et

sagittales.

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Fig5 : Plan des coupes d’IRM cerveauFig5 : Plan des coupes d’IRM cerveau

Fig 6 : Principale Coupes d’IRM Cérébrale [ NET 03]Fig 6 : Principale Coupes d’IRM Cérébrale [ NET 03]

Coupes coronales T2

Coupes axiales T2 Coupes coronales T2

Coupes sagittales T1


5. Conclusion :

On a donner dans ce chapitre, une présentation des techniques les plus connues et répondues

en imagerie médicale. On a mis accent sur leurs aspects d’utilisation pour permettre d’obtenir

des images numériques de différents organes du corps humain, d’intérêt en diagnostique, en

thérapie.

Particulièrement, l’IRM a été détaille un peu plus que les autre modalités du fait qu’elle fait

l’objet d’utilisation dans notre application sur des images du cerveau.

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