RAPPORT FINAL
Projet Ingénieur
TIC-Santé Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration
du Principe de la Tomographie
SALVA Marie (Chef de Projet)
BEDNARCZYK Maciej
GAUDINAT Guillaume
HILDENBRAND Xavier
Tuteur de Projet : SCHUH Vincent
Superviseur : BAYLE Bernard
Clients : Docteurs CHOQUET Philippe et GOETZ Christian
Année scolaire 2014-2015
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Table des matières
Table des figures et des annexes……………………….……………...…...p. 2
Introduction ……………………………………………………………….. p. 3
1. Présentation générale ………………………………………………….. p. 4 1.1. Contexte
1.2. Objectifs du projet et attentes des clients
1.3. Présentation de la maquette
1.4. Cahier des charges
2. Mise en mouvement de la maquette …………………………………… p. 6 2.1 Prise en main de la maquette
2.1.1. Identification des composants
2.1.2. Commande des moteurs
2.1.3. Mise en place des algorithmes pour un mouvement simple
(rotation, translation)
2.2. Incertitudes
2.2.1. Incertitude sur la position en translation
2.2.2. Incertitude sur la position en rotation
2.3. Mise en place du logiciel de commande
3. Acquisitions de coupes …………………………………………………. p. 11 3.1. Choix de la source optique
3.1.1. Introduction : Pourquoi pas des Rayons X ?
3.1.2. Test du dispositif dans différentes situations
3.1.3. Test de linéarités sur différents transparents
3.2. Implémentation sur la maquette et acquisition de projection
3.2.1. Modifications apportées au dispositif
3.2.2. Logiciel d'acquisition
3.3. Résultats et coupes
3.3.1. Résultats avec différents objets
3.3.2. Problèmes rencontrés
4. Livrable .………….…………………………………………………….. p. 17
Conclusion ……………………………………………………..………….. p. 18
Remerciements …………………………………………………………..... p. 18
Annexes ……………………………………………………………………. p. 19
Bibliographie et Sitographie …………………………………………….... p. 26
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Table des figures et des annexes
Figure 1 - Scanner (à gauche) et images obtenues par tomographie (à droite) p. 3
Figure 2 - Maquette de début de projet p. 4
Figure 3 - Schéma de principe d'un moteur pas à pas p. 6
Figure 4 - Photos des capteurs présents sur la maquette p. 6
Figure 5a – Rotor dans une position précise p. 7
Figure 5b - Rotor après une commande de 180° : il y a un décalage p. 7
Figure 6 - Acquisition de données par boîtier USB 6009 p. 8
Figure 7 - Photo de la vis sans fin assurant la translation du chariot p. 8
Figure 8 - Graphique des dix séries de mesures représentant la tension
en fonction de l'angle p. 9
Figure 9 - Acquisition de données par boîtier USB 6009 p. 10
Figure 10 - Logigramme des étapes de la commande du chariot p. 10
Figure 11 - Dispositif d’acquisition de projections avec une photorésistance
et une LED RGB p. 11
Figure 12a - Réponse du montage à un signal triangle à l’aide d’un générateur et d’une LED
(fréq =1Hz) p. 11
Figure 12b - Réponse du montage lorsqu’un obstacle se situe entre la LED et la
photorésistance p. 11
Figure 13 - Dispositif de scan pilote par une ARDUINO UNO et objet à scanner p. 12
Figure 14a - Réponse du montage à l’objet p. 12
Figure 14b - Reconstruction de l’objet p. 12
Figure 15a - Objet à scanner (« code barre ») p. 13
Figure 15b - Réponse du montage au « code barre » p. 13
Figure 15c - Reconstruction de l’objet p. 13
Figure 16a - Gradient de transparence et réponse du dispositif p. 13
Figure 16b - Reconstruction du gradient p. 14
Figure 17 - Modifications p. 14
Figure 18 - Face avant du VI LabVIEW p. 15
Figure 19a - Scan d’un objet métallique p. 15
Figure 19b - Scan d’un objet transparent (dévidoir de rouleau adhésif) p. 16
Figure 19c - Scan d’un objet complexe (vis, écrou, boite de plexiglass®) p. 16
Figure 20a - Trajet optique attendu p. 16
Figure 20b - Trajet optique réel p. 16
Figure 20c - Conséquences de la diffusion p. 16
Figure 21 - Maquette à la fin du projet p. 17
Annexe 1 : Les Six Générations de Scanner p. 19
Annexe 2 : Méthode de Student p. 22
Annexe 3 : Module LabVIEW pour acquisition avec ARDUINO p. 23
Annexe 4 : Fiche Technique p. 24
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Introduction
La tomographie est un moyen utilisé dans plusieurs techniques d’imagerie médicale
comme le scanner à rayon X. Cette technique permet la reconstruction de l’image en plan de
coupe de l’intérieur d’un objet ou d'un corps notamment à des fins de diagnostic médical.
Le scanner a été inventé au début des années 70 par le physicien américain A.M
Cormack et l’ingénieur anglais G.M Hounsfield. Depuis cette époque, plusieurs générations
de scanners se sont succédées jusqu’à celle que nous connaissons aujourd’hui (cf. Annexe 1).
Quel que soit la technologie de la génération du scanner, le principe de la tomographie
permet de reconstruire les images.
Figure 1 - Scanner (à gauche) et images obtenues par tomographie (à droite)
C’est autour de ce principe essentiel aux technologies médicales que s’est basé notre
projet ingénieur.
Les Docteurs Philippe Choquet et Christian Goetz du laboratoire d’Imagerie
Préclinique de l’Hôpital de Hautepierre de Strasbourg souhaitent réaliser, à long terme, un
dispositif expérimental permettant de faire découvrir à leurs étudiants le principe de la
tomographie avec les différentes générations des scanners.
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1. Présentation générale
1.1. Contexte
Dans un premier temps, les clients souhaitent mettre en marche une maquette qui
permet d’illustrer à petite échelle les principes d’acquisition et de reconstruction d’image de la
tomographie. La base de cette maquette existe déjà et la partie mécanique est déjà réalisée.
1.2. Objectifs du projet et attentes des clients
Notre projet consiste donc à développer la partie commande qui permettra la mise en
mouvement de cette maquette pour l'acquisition de données de projections.
Voici les modes d’acquisition souhaités par les clients :
1. Mode de translation-rotation à l’image des scanners de première génération : une
rotation et une translation complètes.
2. Mode de rotation uniquement à l'image des scanners de deuxième génération.
De plus, ils souhaitent connaitre la position avec précision et en temps réel.
1.3. Présentation de la maquette
La maquette que nous avons récupérée à l’Hôpital de Hautepierre de Strasbourg auprès de
nos clients est constituée des parties suivantes (Figure 2) :
Le chariot, surmonté d'un plateau tournant (emplacement de l'objet à scanner).
La vis sans fin, assurant la translation du chariot.
L’emplacement pour la source de radiation.
Le détecteur.
Figure 2 - Maquette de début de projet
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Contrairement à un scanner normal, dans le cas de la maquette, c’est l'objet qui est en
mouvement au court de l’acquisition des images. Durant le mouvement, des projections de
l’objet situé sur le chariot sont effectuées et envoyées vers le logiciel de reconstruction.
1.4. Cahier des charges
BESOIN SOLUTION VALEUR NUMERIQUE
I - Partie mécanique, motorisation
Atteindre une position en translation Moteur pas à pas et vis sans fin Incertitude sur la position (1 mm)
Limiter les dépassements Capteur de fin de course
Atteindre une position angulaire définie Moteur pas à pas Incertitude sur l'angle (1°)
Commander la position linéaire et angulaire Logiciel LabVIEW
Définir une séquence d’acquisition Logiciel LabVIEW
II – Partie optique
Emettre un rayon lumineux LED, diode LASER, LASER
Capter un rayon lumineux Photorésistance, photodiode
Acquérir les coupes d’un objet Logiciel LabVIEW
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2. Mise en mouvement de la maquette
2.1. Prise en main de la maquette
2.1.1. Identification des composants
Moteur pas à pas
La maquette est constituée de deux moteurs pas à pas, dont nous n’avons pas les
documentations (anciens modèles qui ne sont plus vendus). Nous avons donc du déterminer le
bobinage des moteurs de façon empirique afin de pouvoir les câbler ultérieurement à un
système de commande et de les alimenter avec un courant adéquat.
Un moteur pas à pas est un moteur qui peut prendre des positions discrètes à intervalle
régulier appelé pas (cf. Figure 3). Les moteurs utilisés ont un pas de 1.8°. Ils peuvent donc
prendre 200 positions différentes. L’avantage de ces moteurs est qu’ils ne nécessitent pas
d’asservissement. La position est déterminée par l’alimentation de bobines qui vont créer des
champs magnétiques différents à chaque pas pour faire tourner le rotor.
Figure 3 - Schéma de principe d'un moteur pas à pas (Source : Google image)
Capteurs lames souples
Des capteurs TOR (Tout Ou Rien) à lames souples sont en place sur la maquette (cf.
Figure 4). Un à chaque bout du système écrou/vis sans fin (fin de courses) et un sous le socle
du chariot qui grâce à la géométrie du socle s’active à une position angulaire précise.
Figure 4 - Photos des
capteurs présents sur la
maquette
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
2.1.2. Commande des moteurs
Cartes de commande et leur principe
Dans un premier temps, nous avons utilisé une carte de commande de deux moteurs à
courant continu car on en avait une à disposition. Au lieu de connecter des moteurs à courant
continu (CC), nous avons branché une bobine entre deux sorties. Ainsi, on peut choisir la
polarisation de la bobine et bouger le rotor. C’est avec une carte comme celle-ci que nous
avons développé les premiers algorithmes pour contrôler les deux moteurs.
Cependant, un problème s’est posé : lors de la translation, en fin de course, le moteur a
besoin de plus de couple et requiert un courant supérieur de 2.5A. Or, notre carte de
commande ne supporte pas plus de 2A. Nous avons donc commandé une nouvelle carte de
commande, cette fois-ci spécialisée dans le contrôle de moteur pas à pas. L’avantage est
qu’elle supporte un courant de 3A mais induit un décalage dans la position (cf. Figures 5a et
5b).
Mais comme le système écrou/vis sans fin possède un rapport de réduction élevé, ce décalage
est négligeable pour la translation. Mais pour la rotation, où la précision sur la position
angulaire est importante nous avons choisi de rester sur une carte de commande de moteurs
CC.
Structure de la commande (deux bobines → 4 étapes)
Etape 1, position 1 :
Premier bobinage (stator bleu) : Phase 1 (interrupteur H1 ouvert) non alimentée.
Phase 2 (interrupteur H2 fermé) alimentée.
Second bobinage (stator vert) : Phase 1 (interrupteur H3 fermé) alimentée.
Phase 2 (interrupteur H4 ouvert) non alimentée
Etape 2, position 2 :
Premier bobinage : Phase 1 alimentée.
Phase 2 non alimentée.
Second bobinage : Phase 1 alimentée.
Phase 2 non alimentée.
Figure 5a – Rotor dans une position précise Figure 5b - Rotor après une commande de
180° : il y a un décalage
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Etape 3, position 3 :
Premier bobinage :
Phase 1 alimentée.
Phase 2 non alimentée.
Second bobinage :
Phase 1 non alimentée.
Phase 2 alimentée.
Etape 4, position 4 :
Premier bobinage :
Phase 1 non alimentée.
Phase 2 alimentée.
Second bobinage :
Phase 1 non alimentée.
Phase 2 alimentée.
2.1.3. Mise en place des algorithmes pour un mouvement simple
(rotation, translation)
Une fois que nous avons réussi à faire tourner les moteurs, nous nous sommes mis à
développer deux algorithmes : un pour la rotation et un autre pour la translation.
Pour la rotation, le but est d’atteindre une position angulaire précise. Pour réaliser cela, on
effectue dans un premier temps une mise en position initiale grâce au capteur. Ensuite, on
effectue une série de pas jusqu’à atteindre l’angle désiré. Pour la translation, on effectue
simplement des allers-retours après avoir ramené le chariot en position initiale, c’est-à-dire à
une extrémité.
2.2. Incertitudes
2.2.1. Incertitude sur la position en translation
La translation est réalisée au moyen d’un moteur et d’une vis
sans fin à filetage simple avec un pas de vis moyen de 1,4 mm
(cf. Figure 7). Lorsque le moteur tourne d’un pas, l’objet est
translaté de 7 µm. Le cahier des charges impose une précision
de l’ordre du millimètre. Pour ne pas respecter cette contrainte,
il faudrait une erreur de 143 pas, ce qui n’est pas possible car
l’erreur peut être au maximum de un pas. Le critère
« incertitude sur la position en translation » du cahier des
charges est donc vérifié.
Figure 7 - Photo de la vis sans fin assurant la translation du chariot
Figure 6 - Acquisition de données par boîtier USB 6009 (Source : Commande d’un moteur pas à pas TP informatique industrielle)
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
2.2.2. Incertitude sur la position en rotation
Déterminer cette valeur est plus complexe : il faut mesurer la position angulaire pour pouvoir
la comparer à la commande.
Choix technique
Notre choix s’est tourné vers un potentiomètre qui a les avantages de présenter une variation
de tension linéaire par rapport à la variation de l’angle avec une précision de 1%.
Acquisition des mesures
Les mesures ont été réalisées sous LabVIEW selon l’algorithme suivant :
- Rotation du plateau jusqu’à atteindre la position de référence définie par le capteur.
- Une fois cette position atteinte, début de l’acquisition : à chaque pas, la tension aux
bornes du potentiomètre est mesurée.
- Allers et retours successifs jusqu’à atteindre 1000 mesures.
- Enregistrement des mesures
10 séries de mesures ont été ainsi réalisées ce qui représente un total de 10 000 points.
Traitement des données
Pour chaque valeur d’angle commandée (200 valeurs entre 0 à 360° par pas de 1,8°), on
regroupe les valeurs de tension mesurées sous Excel (cf. Figure 8).
Les valeurs en tension sont converties en valeurs angulaires à l’aide de la caractéristique
tension – angle.
Ensuite, on utilise la méthode de Student (cf. Annexe 2) afin de déterminer l’incertitude
angulaire avec un niveau de confiance de 95%.
Figure 8 - Graphique des dix séries de mesures représentant la tension en fonction de l'angle
Résultat
L’incertitude moyenne est de 1,07 degré. La contrainte définie dans le cahier des charges est
de 1° : la limite est faiblement dépassée. Compte-tenu du fait que la méthode d’exploitation
employée maximise cette valeur, ce résultat est accepté par les clients.
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
2.3. Mise en place du logiciel de commande
Nous avons ensuite couplé les deux mouvements de telle sorte que l’on puisse réaliser
différentes projections. Sur la face avant du programme LabVIEW (cf. Figure 9), on peut
déterminer les vitesses de rotation des deux moteurs en choisissant l’intervalle de temps entre
deux pas. On indique aussi le nombre de projections que l’on souhaite ainsi que l’angle entre
deux positions angulaires. On suit ensuite le logigramme de la Figure 10.
Figure 9 - Face avant du programme
LabVIEW
Figure 10 - Logigramme des étapes
de la commande du chariot
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
3. Acquisitions de coupes
3.1. Choix de la source optique
3.1.1. Introduction : Pourquoi pas des Rayons X ?
La législation ne nous permettant pas de travailler avec une source de rayons X, nous
étions amenés à trouver une solution afin de pouvoir modéliser le comportement d’un scanner
à rayons X. Nous avons donc décidé de travailler avec un faisceau lumineux qui a pour
spécificité d’être atténué par un matériau opaque, ce qui nous permet de simuler l’atténuation
des rayons X en fonction de la densité d’une structure. Ainsi, un matériau peu dense
(exemple : la peau) devient l’équivalent d’une surface transparente et une surface opaque
simule un matériau très dense (exemple : l’os).
3.1.2. Dispositif avec une photorésistance et une LED RGB
Afin de voir s’il est possible d’acquérir des projections avec un dispositif optique,
nous avons tout d’abord réalisé un simple montage avec une photorésistance d’un côté et une
LED RGB de l’autre. Nous avons choisi une LED RGB car elle permet d’avoir un faisceau
lumineux assez puissant (RGB=3LED en 1).
Il se trouve que la réponse fournie par le montage suit l’évolution des changements de
l’intensité lumineuse d’une manière linéaire (cf. Figure 12a) et donc il est possible de
distinguer des niveaux de transparence (cf. Figure 12b). De plus, la fréquence maximale
d’acquisition est de 1kHz.
Figure 12a - Réponse du montage à un signal
triangle à l’aide d’un générateur et d’une LED
(fréq =1Hz)
Figure 12b - Réponse du montage lorsqu’un obstacle
se situe entre la LED et la photorésistance.
Figure 11 - Dispositif d’acquisition de projections avec une photorésistance et une LED RGB
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
3.1.3. Test du dispositif dans différentes situations
Afin d’obtenir une projection, il suffit alors de passer l’objet à vitesse constante entre
la source lumineuse et le capteur. Le dispositif (cf. Figure 13) est piloté par un module
LabVIEW (cf. Annexe 3) est un microcontrôleur (ARDUINO UNO).
On s’intéresse maintenant à obtenir la projection de 1999 selon la droite bleue (cf. Figure 13).
On passe l’objet entre le capteur et la LED à vitesse constante.
On obtient alors une courbe de tension en fonction de temps, qu’on transforme en distance
avec la vitesse de déplacement (cf. Figure 14a).
Sur cette courbe, on retrouve les atténuations dues à l’opacité de l’objet. Grâce à cette courbe,
on peut alors reconstruire le profil de l’objet scanné (cf. Figure 14b).
Il est donc possible de reconstruire le profil d’une simple image. Par la suite, nous avons fait
plusieurs tests, afin de voir s’il était possible de le faire avec des objets 2D plus complexes.
Le premier test consiste à voir la résolution d’une telle acquisition. Pour ce fait on peut utiliser
un objet avec des raies d’épaisseur différente (cf. Figure 15a).
Figure 13 - Dispositif de scan pilote par une ARDUINO UNO et objet à scanner
Figure 14a - Réponse du montage à l’objet
0100200300400500600
12
03
41
28
79
13
72
61
45
73
15
42
01
62
66
17
11
31
79
59
18
80
61
96
52
20
49
92
13
46
22
19
22
30
38
23
88
52
47
32
25
57
8
ten
sio
n p
ho
tore
sist
ance
(m
V)
Distance
Figure 14b - Reconstruction de l’objet
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
En procédant de la même manière que précédemment, on obtient la courbe de tension (cf.
Figure 15b). En traduisant la tension en niveaux de gris, on peut alors construire l’image de l’objet (cf.
Figure 15c)
On remarque que l’image de l’objet est très précise et qu’il est même possible de distinguer
les raies les plus fines.
Finalement, afin de pouvoir simuler le
comportement de rayons X, il est important de
voir comment se traduit l’atténuation du
faisceau.
Pour cela nous avons construit un gradient de
transparence (10% par raie) et nous l’avons
scanné comme précédemment. On obtient
alors la courbe de la Figure 16a.
On observe, que même si la réponse n’est pas linéaire (dû à l’impression), on peut néanmoins
facilement distinguer les différents paliers.
0
200
400
600
1
54
10
7
16
0
21
3
26
6
31
9
37
2
42
5
47
8
53
1
58
4
63
7
69
0
74
3
79
6
84
9
90
2
95
5
10
08
10
61
11
14
11
67te
nsi
on
p
ho
tore
sist
en
ce
(mV
)
Distance
Figure 15a - Objet à scanner (« code barre »)
Figure 15c - Reconstruction de l’objet
« code barre »
0
100
200
300
400
500
600
1
52
10
3
15
4
20
5
25
6
30
7
35
8
40
9
46
0
51
1
56
2
61
3
66
4
71
5
76
6
ten
sio
n p
ho
tore
sist
ance
(m
V)
distance
Figure 15b - Réponse du montage au « code barre »
Figure 16a - Gradient de transparence et
réponse du dispositif
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Après reconstruction, on obtient une image très rapprochée du gradient initial (cf.
Figure 16b).
Les tests montrent, que le dispositif utilisé est en effet capable de réaliser la tâche
souhaitée, i.e. acquérir des projections d’objets avec une bonne précision et est capable de
distinguer les niveaux de transparence.
3.2. Implémentation sur la maquette et acquisition de projection
3.2.1. Modifications apportées au dispositif
Afin de rendre le dispositif plus précis et plus réactif, nous avons remplacé la LED
par un LASER et la photorésistance par une photodiode.
- Le LASER étant plus focalisé que la LED permet d’avoir une intensité lumineuse beaucoup
plus importante sur le capteur. Ceci fait que le nouveau dispositif est non seulement plus
précis, mais il possède aussi une plus grande immunité à la lumière ambiante. Le LASER
choisi est un LASER rouge de puissance 1mW.
- La photodiode possède un temps de réponse supérieur à la photorésistance, de plus elle est
calibrée pour la longueur d’onde du LASER.
3.2.2. Logiciel d'acquisition
Le logiciel permettant l’acquisition et la reconstruction des images est implémenté
dans le VI LabVIEW. La Figure 18 décrit la face avant de la partie image de ce VI.
Figure 16b - Reconstruction du gradient
Figure 17 - Modifications
apportées
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
1- Tableau de données : lignes - valeur de la tension, colonnes - nombre de projections
2- Sinogramme : mise côte à côte des projections
3- Sinogramme final
4- Image reconstruite (méthode de rétroprojection)
5- Curseur pour adapter la taille de la matrice de reconstruction
N.B : 1 et 2 se mettent à jour après chaque passage complet de l’objet.
Le module de rétroprojection, nous a été fourni par les clients, pour être implémenté dans le
programme.
3.3. Résultats et coupes
3.3.1. Résultats avec différents objets
Une fois toutes les partie assemblées, nous avons testé le scanner avec diffèrent objets
en réalisant 100 projections sur 360 degrés.
Figure 19a - Scan d’un objet métallique (tournevis)
Figure 18 - Face avant du VI LabVIEW
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
On arrive donc à réaliser un scan d’un objet et même pour les objets complexes (cf. Figure
19c), la méthode marche bien.
3.3.2. Problèmes rencontrés
Le problème majeur rencontré lors des scans est la diffusion de la lumière sur les
surfaces rondes. La figure 20a montre le trajet optique qu’on attend pour pouvoir bien scanner
l’objet. Cependant, le comportement réel est celui de la figure 20b.
Le décalage que cela entraine fait que l’image finale ne correspond
pas tout à fait à l’objet réel (cf. Figure 20c), le côté qui en réalité est
droit (flèche verte) devient rond et est déplacé (flèche rouge).
Figure 20a - Trajet optique attendu Figure 20b - Trajet optique réel
Figure 19b - Scan d’un objet transparent (Scotch®)
Figure 19c - Scan d’un objet complexe (vis, écrou, boite de Plexiglass®)
Figure 20c - Conséquences de la diffusion
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
4. Livrable
Nous livrons au client la maquette (cf. Figure 21) avec le programme LabVIEW de
commande et d’acquisition. Ce programme inclut le module de rétroprojection fourni par le
client. L’ensemble fonctionne et satisfait le cahier des charges. En revanche, nous ne livrons
pas la source, ni le boîtier NI USB 6009.
Nous livrons également une fiche technique d’utilisation (cf. Annexe 4). Ce document décrit le
processus d’utilisation.
Figure 21 - Maquette à la fin du projet
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Conclusion
Pour conclure, le projet a été mené jusqu’au bout. Le cahier des charges initial est alors
respecté. De plus, nous avons mis en place un système optique, permettant l’acquisition de
profils. Par conséquent, le livrable permet de démontrer pleinement le principe des
tomographes de première génération, i.e. les mouvements de l’objet, l’acquisition des profils,
ainsi que la reconstruction de l’image finale.
Pour satisfaire le besoin des clients vis-à-vis de la deuxième génération, il suffit de
modifier la source et le capteur de telle sorte qu’une projection puisse se faire sans translation.
Nous proposons aussi, de remplacer les moteurs pas à pas par moteurs CC, plus
difficiles à commander (asservissement à mettre en place), mais plus précis et plus rapides.
Remerciements
Nous tenons à remercier l'ensemble des personnes qui ont contribué de près ou de loin
au bon déroulement et au résultat final de ce projet et en particulier M. Schuh, M. Bayle, ainsi
que nos clients, les Docteurs Choquet et Goetz pour leur disponibilité et conseils tout au long
du projet. Nous tenons également à remercier Mme Frey, M.Torzynski, ainsi que le club robot
de l’Ecole pour le prêt de matériel.
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Rapport Final – Mise en Œuvre d’un Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Annexe 1
Les Six Générations de Scanner
Le scanner a été inventé par un physicien américain A.M CORMACK et un ingénieur anglais
G.M HOUNSFIELD (prix Nobel en 1979).
Depuis les années 1970, plusieurs générations successives de scanner X ont été développées
pour améliorer le temps d'acquisition, de reconstruction et la résolution spatiale des images.
I - Scanner de première génération (1970)
Elle correspond au premier appareil de HOUNSFIELD.
Le tube à rayon X et le SEUL détecteur sont montés sur un cadre rigide. On réalise
une série de mouvements de type translation puis rotation degré par degré afin d'acquérir
toutes les projections.
Temps d’acquisition : très longs, de l’ordre de 3 à 5 minutes par coupe.
II - Scanner de deuxième génération (1975)
Pour diminuer le temps d'acquisition, le nombre de détecteurs a été multiplié, passant
de 1 à 5 ou 6, en modifiant le faisceau de rayon X qui passe de parallèle à divergent (en
éventail ou fan beam).
Le système mécanique est toujours composé d'un cadre rigide où la source et les
détecteurs se font faces. Le tube est couplé à une barrette de sept à soixante détecteurs dans le
plan de rotation du tube.
L'acquisition des données reste de type translations et rotations (10° à 30°) successives.
Temps d’acquisition : environ 20 secondes à 1 minute par coupe.
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III - Scanner de troisième génération (1980)
Ils sont composés d’un générateur X et d’un ensemble de détecteurs comprenant
environ 1000 détecteurs élémentaires disposés en arc de cercle centré sur le foyer du tube.
Le faisceau de rayon X permet de couvrir la largeur du sujet. Cette étape a consisté à
élargir la divergence du faisceau de rayon X pour englober tout l'objet de façon à supprimer
les translations et ne garder que le mouvement de rotation. L'ensemble tube-barette de
détecteurs effectue donc un seul mouvement de rotation.
Temps d’acquisition : 5 secondes par coupe.
IV - Scanner de quatrième génération (1990)
Les détecteurs (600 à 3000) sont fixes et disposés en couronne. Seule la source de
rayons X effectue un mouvement de rotation continue toujours dans le même sens.
Temps d’acquisition : 1 à 3 secondes par coupe.
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V - Scanner de cinquième génération ou à pas hélicoïdal
Cercle complet de détecteurs fixes et émetteur tournant de manière continue avec un
déplacement longitudinal simultanée du lit du patient. Ces scanners sont improprement
appelés spiralés et le mouvement apparent du détecteur par rapport au patient est une hélice.
Le mouvement de rotation de l’émetteur de rayon X s’accompagne donc d’un
déplacement longitudinal de la table d’examen à une vitesse de quelques millimètres par
seconde. On obtient ainsi l’acquisition d’un volume. Les coupes étant jointives, on peut
reconstruire des coupes dans d’autres plans : frontal, longitudinal et reconstruire des images
3D.
VI - Scanner à pas hélicoïdal multibarettes
Les scanners multi-barrettes sont dits aussi multicoupes. Ils permettent donc
d’acquérir
simultanément plusieurs coupes et constituent le modèle de scanner actuel.
L’arrangement géométrique des détecteurs multicoupes est tel que la largeur des
tranches acquises soit modulable : par exemple coupe fine de 0,5mm ou 1mm, coupe large de
2,5mm voire 5mm. On peut ainsi faire varier la taille des détecteurs, le groupement de ces
détecteurs à la lecture et la collimation du faisceau.
En 2000 : 8 Barrettes
En 2007 : 256 Barrettes
Source des images : Google image
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Annexe 2
Méthode de Student
La méthode de Student permet une évaluation de l'incertitude élargie au niveau de
confiance spécifié en pourcentage. Elle est basée sur la table de Student (cf. la table ci-
dessous) qui permet de connaître la valeur de t nécessaire au calcul de l’intervalle de
confiance d’une mesure donné par la formule suivante :
𝑵 ± 𝒕 ∗ 𝒔
√𝒏
N : Nombre moyen de coup.
t : Valeur correspondant au niveau de confiance et au nombre de mesures (à déterminer à
partir de la table de Student).
s : Ecart-type.
n : Nombre de coups.
Table de Student
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Annexe 3
Module LabVIEW pour acquisition avec ARDUINO
Utilisation du module LIFA de LabVIEW
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Annexe 4
FICHE TECHNIQUE
Dispositif de Démonstration du Principe de la Tomographie
Alimentation Electrique
Utiliser une alimentation stabilisée
Exemple : le modèle ISO-TECH IPS 2303
Branchements :
Câbles bleus : alimentation du moteur de translation. Le câble à bout noir va à la masse.
Tension : 9 V Courant : 2,5 A
Câbles jaunes : alimentation du moteur de rotation. Le câble à bout noir va à la masse.
Tension : 7 V Courant : 1,5 A
Il est important de coupler les deux masses !
Sécurité
Ne pas dépasser 2A pour le moteur de rotation (câbles bleus) et 3A pour le moteur de
translation (câbles jaunes). surchauffe des cartes de commande
Ne pas regarder directement le LASER
Ne pas laisser l’appareil sous tension lorsqu’il n’est pas en fonctionnement.
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Utilisation
Connecter le boîtier NI USB 6009 à l’ordinateur.
Alimenter le dispositif comme indiqué ci-dessus.
Régler le LASER (1 mW) et viser le capteur (photodiode) en l’absence d’objet à
« scanner ».
Positionner l’objet sur le plateau et le fixer.
Le dispositif est prêt ! Passer sous LabVIEW.
Paramétrage :
Temporisation entre 2 pas de la translation : le moteur est de type « pas à pas » : il tourne par
sauts successifs. Ce bouton règle la durée entre deux sauts. Mettre le curseur à gauche pour
une acquisition rapide (1 minute par projection).
Nième passage : indique le numéro de la projection en cours
NBR Projections : choisir le nombre total de projections voulu
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Temporisation entre 2 pas de la rotation : régler la temporisation entre deux pas (valeur
suggérée pour une rotation pas trop violente ~15ms).
Angle de rotation voulu : angle entre chaque projection
Une fois ce paramétrage effectué, vous pouvez lancer le VI.
Après la mise en position initiale, lancer l’acquisition avec START.
Le sinogramme s’affiche en temps réel.
L’image reconstruite s’affiche une fois l’acquisition terminée.
Régler la taille de la matrice de façon à obtenir la meilleure image.
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Bibliographie
Sitographie
Dillenseger J.-P., Moerschel E., Guide des technologies de l'imagerie Médicale et de la
Radiothérapie, Quand la théorie éclaire la pratique, Masson, 2013.
Garnon J., Bing F., Enescu I., Tsoumakidou G., Gangi A., Les Techniques de Radiologie
Diagnostique, 2014-2015.
Schuh V., Torzynsky M., Frey M., Travaux Pratiques de Physique Expérimentale, Tic Santé
1ère année, 2014-2015.
http://www.imre.ucl.ac.be/rpr/RDGN3120/scanner.pdf
http://dictionnaire.academie-medecine.fr/?q=interpolation
http://ghanen.free.fr/cours/imagerie_tomographique_2007.pdf