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Le scanner médical la tomographie L.Desbat TIMC-IMAG, UJF 2004

Le scanner médical la tomographie - [TIMC-IMAG] : …membres-timc.imag.fr/Laurent.Desbat/Enseignement/... · Modèle physique de l’atténuation en radiographie L xdx d e I I (

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Le scanner médicalla tomographie

L.DesbatTIMC-IMAG, UJF

2004

Le scanner médicalou

comment voir l’invisible L.Desbat

TIMC-IMAG, UJF2004

Plan

• Le scanner médical : comment ça marche ?• Où le patient est une étoile…• Quelques projets de recherches

Le scanner médical

Scanner

Source Source de rayons Xde rayons X

détecteursdétecteurs

Modèle physiquede l’atténuation en radiographie

dI0I

Source Détecteur

dI

le

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Source Détecteur

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Modèle physiquede l’atténuation en radiographie

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L’idée de Cormack

Scanner

L’idée de Cormack

Scanner

L’idée de Cormack

Scanner

La transformée de Radon

SinogrammeN

O sN sN O

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La transformée de Radon

SinogrammeN

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Transformée deRadon

?

Inversion de la transformée deRadon

Mathématiques

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Filtrage

Filtrage

Filtrage

Filtrage

Des mathématiques vers des algorithmes

N

O sN

N

O sN

Filtrage

Plan

• Le scanner médical : comment ça marche ?• Où le patient est une étoile…• Quelques projets de recherches

Imagerie DopplerCatherine Mennessier

(Thèse Observatoire de Grenoble-97)

tv

ddsin(

Vitesse radiale d’un point à la surface de l’étoile :

v()

Phase

Phase

v()

Effet Doppler : décalage en longueur

d ’ondes Longueur d’onde s Longueur d’onde s

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3o

Effet Doppler : modèle physique

T = 2/ T

T’ = 2/ T’

T’’ = 2/ T’’

Phase

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3o

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r Longueur d’onde

Phase

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Courbes d’iso-vitesse radiale

tv

ddsin(

Vitesse radiale d’un point à la surface de l’étoile :

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Phase

Phase

v()

Effet Doppler : décalage en longueur

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Tomographie Imagerie Doppler

Nord Sud

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Pas de signal !!!

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Plan

• Le scanner médical : comment ça marche ?• Où le patient est une étoile…• Quelques projets de recherches

Quelques projets de recherche

• Tomographie dynamique• Scanner ouvert en salle d’opération• Problème de l’échantillonnage

Problématique : tomographie dynamique

IMAGERIE D’UN VOLUME DYNAMIQUE : RECONSTRUCTION 4D

O

Evolution des scanners:- augmentation du nombre de coupes acquises simultanément

- augmentation de la vitesse de rotation

Tomographie dynamique : applications médicales

Projet européen DynCTIST-1999-10515LETI (2000-2003)

TOMO-FLUOROSCOPIE 3D - intervention guidée par l’image

Radiology, Mai 1999

ETUDES CINETIQUES EN RADIOTHERAPIE

- mieux délimiter le contour de la zone cible et des organes

Tomographie dynamique : applications cardiaques

Enjeu des études cardiaques : diagnostic précoce•Études cinétiques et fonctionnelles•Études non invasives des coronaires

Avantages des scanners X en cardiologie:•Facilité d’accès en milieu hospitalier et usage accepté•Pas de contre-indication /patient ( IRM)•Non invasif ( usage catheter)•Forte résolution spatiale (études cardiovasculaires)

www.medical.philips.com/

Mouvement respiratoire

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5

10

15

0 90 180 270 360

a

Compensation du mouvement0

Initial image without compensation compensation () compensation(2)

Thèse de Sébastien RouxCollaboration UJF/CEA-LETI/CNRS

Quelques projets de recherche

• Tomographie dynamique• Scanner ouvert en salle d’opération• Problème de l’échantillonnage

Une ligne de détecteur(L)

S(I0)

D(Id)

source de rayons X

objet

Image en niveaux de gris

Imagerie radiologique en salle d’opération et reconstruction 3D

Méthodes d’identification de surfaces

Thèse d’Anne BilgotCo-encadrée par V.Perrier LMC-IMAG

Méthodes de modélisation de surfaceTechniques d’ondelettes

The MI3 projectMinimal Invasive Interventional Imaging

A project supported by

http://mi3.vitamib.com/

Jan. 2000 - Dec. 2002Budget : EUR. 2.664.000

SOFTWARE

Spine surgery

C-arm with flat panel detector

3D scanner

Dental surgery

3D reconstruction based on deformable models

and a priori knowledge

Femoral head 3D reconstruction

for surgical planning

CLINICAL

APPLICATIONS

HARDWARE

Navigation platform

ConsortiumUniversité Joseph Fourier (France)Administrative & financial co-ordinator

Laurent [email protected]

PRAXIM (France)Scientific co-ordinator

Stéphane Lavallé[email protected]

University of Ljubljana (Slovenia) Franjo [email protected]

Helmholtz Institute Aachen (Germany) [email protected]

QR (Italy) Gianmaria [email protected]

TRIXELL (France) Gerald [email protected]

Vrije Universiteit Brussel (Belgium) Michel [email protected]

Project number : IST-1999-12338Key action : Systems and services for the citizenAction line : Health

HORIZONTAL VIEW

Left vertebral pedicle

Spinal cord

Potential spine surgery applications for MI3:pedicle

screw insertion

Pedicle screw insertion

Example of spine instrumentation for L1 fracture

L1L1

Results with conventional procedures

• 10 to 40 % of misplaced screws :

Roy-Camille et al. : 14% ; Weinstein et al. : 21% ; Sim : 10% ; Jerosch et al. : 40% ; Saillant et al. : 23% ; Vaccaro et al. : 41%; Liljenquist et al. : 25%.

Fluoroscopy-based Navigation

Stealth Station (Medtronic/Sofamor-Danek)

FluoroNav (Medtronic/Sofamor-Danek)

Computer-assisted systems for pedicle screw placement

CT-based Navigation

Clinical results (overall)

• With CT-based

- 73 patients; 177 pedicle screws

6.2% (11/177) of misplaced screws (cortex penetration >2 mm)

• With FluoroNav

- 15 patients; 46 pedicle screws

17% (6/40) of misplaced screws (cortex penetration >2 mm)

FluoroNav :+ No preoperative Imaging required+ Less radiation for patient and staff+ No intraoperative registration required

FluoroNav vs CT-based

- Pseudo-axial view is missing (no real 3D information)

Intraoperative trajectory = OK ! Postoperative result = misplaced screw!

FluoroNav : 15 year old female patient with scoliosis

Set of 2D projections 3D information !!

FluoroNav :+ No preoperative Imaging required+ Less radiation for patient and staff+ No intraoperative registration required

FluoroNav vs CT-based

CT-based :+ No intraoperative irradiation+ Real 3D image information

- Pseudo-axial view is missing (no real 3D information)

- Time-consuming Registration (2 to 10 min with StealthStation)- Preoperative CT scan necessary- Possible anatomical modification between preoperative CT scan and surgery not taken into account by system.

MI3 combines the advantages of CT scan based and Virtual Fluoroscopy based navigation

CT:•Real 3D model

VF:•No preoperative Imaging required•Less radiation for patient and staff•No registration required•Image data correspond to the actual intraoperative situation

Further:•The imaging system replaces conventional C-arm -> less hardware overhead•Digital X-ray detector provides distortion free high resolution images

MI3 project

2D images 3D realityObjectiveReconstruction of 3D shapes using

intra-operative data only • 3D reconstruction from several X-ray projections• Bone shape identification from few X-ray projections

Quelques projets de recherche

• Tomographie dynamique• Scanner ouvert en salle d’opération• Problème de l’échantillonnage

Echantillonnage

Scanner

s

sChoix des points d’échantillonnage

?

Echantillonnage efficaces

Standardb

b

s

b

'b

Entrelacé

S-100800HI-89100I-101250S-202500

2Tt

Principal résultat

)(ˆ g négligeable en dehors de 3e

DKSi f est essentiellement b bande limitée

Natterer93, en 2D

HexagonalInterlacedsampling schemes

Conclusion

• L’imagerie médicale nécessite– Des modèles physiques– Des analyses mathématiques– Des algorithmes efficaces– Des systèmes d’information– …– De la biologie et de la chimie (imagerie

nucléaire)

Conclusion

• Faites des sciences – De la Physique, de la mécanique, …

– Des mathématiques– Des mathématiques appliquées– De l’informatique– De la chimie, de la biologie, …

• Débouchés de l’imagerie médicale : industrie (SIEMENS, PHILIPS, TRIXELL,…), recherche, hôpitaux,…

FIN