OPTIMISATION DU PROTOCOLE DES MESURES DES RESOLUTIONS SPATIALES D’UNE SONDE ULTRASONORE

Binse JérômeService biomédical CHU de Nancy

Stage de Master 2 spécialité Ingénierie biomédicale et radiothérapie – 2005/2006

OPTIMISATION DU PROTOCOLE DES MESURES DES RESOLUTIONS

SPATIALES D’UNE SONDE ULTRASONORE

ET REALISATION D’UN CAHIER DES CHARGES EN VUE DU

DEVELOPPEMENT D’UN FANTOME DOPPLER ULTRASONORE

Sommaire• Introduction :

- Le C.H.U. de Nancy- Le service biomédical situé à l’hôpital St Julien

• Objectifs :- Optimisation du protocole SNITEM sur les résolutions spatiales- Cahier des charges du fantôme Doppler ultrasonore à développer

• Première partie :

- Présentation du matériel utilisé- Présentation de l’évaluation manuelle des résolutions spatiales

- Les problèmes posés par la méthode d’évaluation manuelle- Présentation de l’évaluation numérique- Présentation des résultats et conclusion

• Deuxième partie :- Travaux préliminaires- Cahier des charges- Présentation d’un procédé préliminaire et conclusion

• Conclusion et perspectives

Les établissements du C.H.U. de Nancy sont :– Les hôpitaux du site central : l’hôpital central, le centre

St Stanislas, et l’hôpital St Julien.

– Les hôpitaux de Brabois : L’hôpital d’adultes et l’hôpital d’enfants.

– Les hôpitaux Maringer-Villemin-Fourmier.– Le centre Paul Spillmann à Lay-St-Christophe.– L’hôpital Jeanne d’Arc à Dommartin-Lès-Toul

Le C.H.U. de Nancy

Le service biomédical• Ce service est rattaché à la direction des ressources Médico-techniques.

• Il favorise la polyvalence des ingénieurs biomédicaux, au nombre de cinq (Mr Quenton, Mr Volodimer, Mr Winninger, Mlle Peltier, et Mr Racimora), par le changement de fonction.

• Ce service est unique et homogène car les responsables sont regroupés en un seul lieu et travaillent en équipe.

• Les buts de ces ingénieurs sont :

-Le remplacement pendant leurs absence,

-La communication et le partage d’informations lors de réunions,

-La participation à la mise en place de la GMAO,

-La participation à la démarche qualité-accréditation du C.H.U.

Les objectifs du stage

Les objectifs de ce stage ont été multiples :

• Optimiser le protocole SNITEM (Syndicat National de l’Industrie des Technologies Médicales) des mesures des résolutions spatiales (axiale et latérale) d’une sonde ultrasonore.

• Réaliser un cahier des charges permettant la confection d’un fantôme doppler ultrasonore.

• Participer à des entretiens avec des entreprises qui seront présentes pour des appels d’offre, et participer à des contrôles préventifs sur appareils d’imagerie.

Optimisation du protocole SNITEM : Matériel

Echographe Aplio de Toshiba

Sonde PLT-805AT de Toshiba

Les matériels utilisés pour l’analyse des résolutions sont les suivants :

• L’échographe Aplio de Toshiba du service de radiologie de l’hôpital d’enfants.

• La sonde linéaire PLT-805AT de Toshiba.

• Un dispositif de stabilité composé d’une table à verniers (trois dimensions), de la sonde linéaire décrit précédemment, et du fantôme ultrasonore RMI 403 GS LE.

Optimisation du protocole SNITEM : Matériel

Dispositif de stabilité et de mise à niveau (vue de profil)

Dispositif de stabilité et de mise à niveau (vue de derrière)

Sonde Fantôme

Table X-Y

Niveaux

x

y

z

Vernier z

Vernier x

Vernier y

• Un protocole de mesure a été mis en place afin que les manipulations soient identiques pour chaque opérateurs (qui sont au nombre de quatre).

• Placement des curseurs sur l’image échographique du fil nylon du fantôme ultrasonore :

Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation manuelle

AB

Schéma méthodologique des résolutions axiale (A) et latérale (B)

Image du fil nylon avec placement des curseurs

• Les mesures se sont portées sur les quatre premiers fils nylon du fantôme

Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation manuelle

Schéma interne du fantôme ultrasonore RMI 403 GS LE

• La précision du calculateur (0.1mm) peut avoir une influence sur la cible.

Optimisation du protocole SNITEM : Les problèmes de l’évaluation manuelle

Représentation schématique de l’image du fil nylon avec les

distances :A = 0.5 mmB = 0.6 mmC = 0.4mm

Image réelle du fil nylon avec les distances :A = 0.5 mmB = 0.6 mm

C = 0.4mm

CAB

• Le placement du curseur est dépendant de l’opérateur du fait de l’existence d’une transition entre le niveau de signal maximal et et le niveau du signal du gel.

Optimisation du protocole SNITEM : Les problèmes de l’évaluation manuelle

Représentation schématique de l’image du fil nylon dans son milieu environnant ( le gel )

Niveau de signal maximal

correspondant au fil nylon (0.1mm de

diamètre) sur lequel porte la

mesure de résolution

Transition entre le niveau de signal

maximal et le niveau du signal du gel

Niveau de signal du gel

• Cette évaluation est une solution aux problèmes de l’évaluation manuelle.

• Elle se fait à l’aide d’un « freeware » appelé « ImageJ » qui permet de faire apparaître des courbes de niveaux de gris ( les abscisses étant en pixel et les ordonnées en niveaux de gris ).

Optimisation du protocole SNITEM : Evaluation numérique

Courbe de niveaux de gris correspondant au segment d’analyse de la résolution latérale

• Relever la valeur du pic maximal du signal qui correspond à l’image du fil nylon (valeur A).


A

Courbe de niveaux de gris avec la valeur maximale A

• Calculer ensuite un niveau de gris maximal moyen pour le gel ; pour se faire, tracer les tangentes au pic principal. Et faire une moyenne (valeur B) des cinq pics maximaux du gel.


DC

Courbe de niveaux de gris de la résolution latérale avec tracé des tangentes

B1B2 B3

B4

B5

B

Courbe de niveaux de gris avec les valeurs maximales secondaires B1 à B5 et la valeur

moyenne B de celles-ci

• Calculer la valeur P donnée par l’équation : P = ((A-B)/2)+B. Cette formule nous permet de prendre en considération la moyenne du signal ultrasonore du gel.


P

Courbe de niveaux de gris avec valeur calculée P

• Compter le nombre de pixels qui séparent les deux points d’intersection de la courbe de niveaux de gris et de la droite de niveau P (distance EF), et convertir cette distance numérique en distance métrique.


P

E F

Courbe de niveaux de gris avec la valeur calculée P, et les deux points d’intersection E et F

Plusieurs types de comparaisons ont pu être réalisées :

– Une comparaison des résultats d’une résolution en fonction de la fréquence d’émission, dans les deux modes, pour les deux méthodes, pour une profondeur d’analyse donnée, et pour un opérateur donné.

Optimisation du protocole SNITEM : Présentation des résultats

Méthode numériqueMéthode manuelle

Résolution axiale du fil 1 à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de la fréquence (Première

série de l'opérateur 1)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15

Fréquence (Mhz)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (

mm

)

Modefondamental

Mode THI

Résolution axiale du fil 1 à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de la fréquence (Première

série de l'opérateur 1)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15

Fréquence (Mhz)

Réso

luti

on

axia

le (

mm

)Modefondamental

Mode THI

Courbes comparatives des deux méthodes en résolution axiale pour les deux modes de la sonde linéaire

• Une comparaison inter-opérateur des résultats d’une résolution en fonction de la fréquence d’émission, pour les deux méthodes, pour un mode donné, pour une profondeur d’analyse donnée.


Méthode manuelle Méthode numérique

Résolution axiale en mode fondamental du fil 2 à 4.4mm de profondeur d'analyse en fonction de la

fréquence

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15

Fréquence (Mhz)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (m

m)

Opérateur 1

Opérateur 2

Opérateur 3

Opérateur 4

Résolution axiale en mode fondamental du fil 2 à 4.4mm de profondeur d'analyse en fonction de la

fréquence

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15

Fréquence (Mhz)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (m

m)

Opérateur 1

Opérateur 2

Opérateur 3

Opérateur 4

Courbes comparatives des deux méthodes en résolution axiale pour le mode fondamental de la sonde linéaire

• Une comparaison intra-opérateur des résultats d’une résolution en fonction de la fréquence d’émission, pour les deux méthodes, pour un mode donné, pour une profondeur d’analyse donnée.



Résolution axiale du fil 1 en mode fondamental à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de

la fréquence

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15

Fréquence (Mhz)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (m

m)

Première série

Deuxième série

Résolution axiale du fil 1 en mode fondamental à 1.5mm de profondeur d'analyse en fonction de

la fréquence

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15

Fréquence (Mhz)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (m

m)

Première série

Deuxième série

Courbes comparatives des deux méthodes en résolution axiale pour le mode fondamental de la sonde linéaire

• Une comparaison des déviations standards inter-opérateur des résultats d’une résolution en fonction de la profondeur d’analyse, pour les deux méthodes, pour un mode donné, et pour une fréquence donnée.



Déviation standard de la résolution latérale en mode fondamental des quatre fils à une fréquence

de 5 Mhz

0

0,20,4

0,60,8

1

1,21,4

1,61,8

2

0 5 10 15

Profondeur d'analyse (mm)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (m

m) Diamètre réel

du f il Fil 1

Fil 2

Fil 3

Fil 4

Mesure Say(manuelle)

Déviation standard de la résolution latérale en mode fondamental des quatre fils à une fréquence

de 5 Mhz

0

0,2

0,40,6

0,8

1

1,2

1,41,6

1,8

2

0 5 10 15

Profondeur d'analyse (mm)

Rés

olu

tio

n a

xial

e (m

m) Diamètre réel

du f ilFil 1

Fil 2

Fil 3

Fil 4

Mesure say(manuelle)

Figure 60 : Courbes comparatives des deux méthodes en résolution latérale pour le mode fondamental de la sonde linéaire

Nous pouvons en conclure que :

– La dispersion autour de la valeur moyenne est moins étendue avec la méthode numérique (meilleure fiabilité des mesures).

– La remarque précédente est beaucoup plus remarquable en résolution latérale du fait de la grande zone de transition entre le signal maximal et celui du gel.

– On peut enfin noter que les valeurs des mesures des résolutions axiale et latérale se rapprochent du diamètre réel du fil nylon plus la fréquence d’émission augmente, et d’une façon plus significative pour le mode fondamental que pour le mode THI.

Optimisation du protocole SNITEM : Conclusions

– Une bibliographie des fantômes Doppler ultrasonore existant sur le marché a été confectionnée ; les principaux constructeurs sont : CIRS, ATS Laboratories, Gammex RMI, Blue Phantom, et Dansk Phantom Service.

– La norme IEC 61685 déclare les paramètres qui peuvent être mesurés avec le montage d’essais. Les normes IEC 61895 et IEC 61206 décrivent les méthodes de mesure. L’extension de la norme IEC 61685 est un partie relative la conception d’un fantôme à flux.

Réalisation d’un cahier des charges : Etude de l’existant et étude normative

Le Blue Phantom patient pending Doppler

Simulateur de flux sanguin pour échographie (70)

Cardiac Doppler flow phantom (523 and 523A)

• Le mode Doppler est basé sur l’analyse des célérités du flux sanguin afin d’y percevoir l’existence d’anomalies qui seraient à la base de perturbations de la vitesse de celui-ci.

• Le signal Doppler rétro-diffusé par les hématies sanguines peuvent être séparées en deux groupes après démodulation : le signal doppler utile et les signaux parasites.

• Les caractéristiques communes à ces parasites sont une énergie importante et une fréquence basse ; c’est cette deuxième caractéristique qui va permettre l’élimination de ces parasites afin qu’ils n’interfèrent pas dans les calculs.

Réalisation d’un cahier des charges : Analyse préliminaire

• Afin de palier à ce problème, des filtres réglables selon les besoins sont mis à la disposition de l’utilisateur, et vont donc couper ces fréquences basses indésirables.

• Le contrôle qualité de ces filtres n’existant pas, c’est pour cette raison que l’idée de l’étude de la confection d’un fantôme doppler ultrasonore est arrivée, car celui-ci pourra permettre de contrôler l’efficacité de ces filtres présents sur les échographes.

Réalisation d’un cahier des charges : Analyse préliminaire

Réalisation d’un cahier des charges : Cahier des charges

Contraintes techniques demandées pour le contrôle qualité

Solutions techniques résultantes

Le système doit être portablePoids et dimensions permettant le transport

du système

Le système doit pouvoir être mis dans une solution aqueuse

L’objet test doit être construit de matériaux étanches

Le système doit permettre des conditions idéales pour un contrôle qualité optimal

La direction du flux sanguin simulé doit être identique au faisceau ultrasonore

Le système doit permettre la stabilité de la sonde ultrasonore sur la partie du système

permettant le contrôle qualité

Un système de potence démontable avec mise à niveau doit âtre incorporé à la partie

analyse

Le système sera désinstallé et réinstallé fréquemment

L’ensemble du système de contrôle qualité doit être solide, facile et rapide à monter et

à démonter

Le système doit permettre le contrôle de tous les filtres de l’appareil d’échographie

Le système doit incorporer un générateur de fréquence et un variateur de tension du

signal

• Ce fantôme permet d ‘évaluer la performance des calculateurs à retransmettre les fréquences réelles du signal mesuré.

• Il est composé d’une plaque circulaire pouvant vibrée à des fréquences différentes.

Réalisation d’un procédé préliminaire

Fantôme Doppler ultrasonore de sensibilité ‘Model 59’ de ‘CIRS’

• La sonde ‘PLF-50FT’ de Toshiba est une sonde cardiaque (phased-array) avec une fréquence d’émission de 5 MHz.

• L’échographe ‘sonolayer SSA-270A’ de Toshiba utilisé pour les tests possède quatre filtres passe-haut : 2 pour le mode Doppler continu (7 et 13 niveaux) et 2 pour le mode Doppler pulsé (7 et 13 niveaux).


Sonde ‘PLF-50FT’ de Toshiba

Echographe ‘Sonolayer SSA-270A’

de Toshiba

• Un système de haut-parleur relié à un générateur de fréquence avec un signal sinusoïdal est mis en place, la sonde étant maintenue sur ce haut-parleur à l’aide d’une potence qui se trouve être la table X-Y décrite dans la partie précédente.


Générateur de fréquence

Haut-parleur

Potence de la sonde

Sonde ultrasonorePLF-50FT

Système d’analyse des filtre de l’échographe Placement de la sonde sur la membrane du haut-parleur

• Ce système est donc relié à l’échographe au niveau de la sonde. Plusieurs appareils périphériques sont installés :

– Un reprographe pour l’impression de certains clichés échographiques.

– Un oscilloscope pour contrôler précisément l’amplitude du signal sinusoïdal.

– Un moniteur supplémentaire qui a pour objectif d’afficher directement le ou les clichés mis en mémoire par le reprographe, afin d’éviter de jongler entre la mémoire du reprographe et l’image en temps réel.



Moniteur supplémentaire

Echographe

Reprographe

Système d’analyse des

filtres

Oscilloscope

Echographe ‘Sonolayer SSA-270A’avec ses périphériques et le système d’analyse des filtres

Repérage du signal maximal avec la fenêtre d’analyse rétrécie

Signal maximal

Zone d’analyse rétrécie

• Un protocole préliminaire de détection de la membrane a pu être mis en place.

• Il a permis de valider les plages de réglage des filtres de l’échographe.

• Les mesures ont été interrompues par une panne de l’échographe.

• Ce procédé reste insuffisant mais donne de bonnes bases pour un futur développement.

Réalisation d’un cahier des charges et du procédé préliminaire : Conclusion

• Aboutissement prochain sur l’analyse des résolutions spatiales à l’aide d’une étude statistique complémentaire.

• Rédaction d’un article pour un magazine biomédical.

• Manipulation sur échographes et contrôle qualité.

• Etude bibliographique approfondie.

• Mise en œuvre d’un procédé préliminaire avec continuité du projet.

• Entretiens avec des entreprises privées.

Conclusion et perspectives

Merci de votre attention

Questions

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