Am

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Amélioration de la résolution des examens
tomoscintigraphiques myocardiques en utilisant un
filtre de restauration de type Metz
Raja GUEDOUAR raja_guedouar_at_yahoo.fr Boubaker
ZARRAD Habib HASSINE Habib ESSABBEH
Unité dimagerie médicale- Faculté de Médecine de
Sousse-Tunisie
Journées Jeunnes Chercheurs-Aussois 2003
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Plan

• Présentation des images de la Médecine Nucléaire
• La projection
• La tomographie
• Bases physiques et mathématiques
• Filtres
• Passe-bas
• Restauration
• Comparaison entre Passe-Bas et Restauration
• Elaboration dun filtre de type METZ
• Mesure de la RI et Calcul de la FTM
• Optimisation par la puissance spectrale et
  visuellement
• Conclusion et perspectives

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Tomoscintigraphie
myocardique La théorie sur laquelle est fondée
la détermination de la perfusion myocardique par
limagerie nucléaire est simple Si un traceur
diffusible est injecté dans une veine, sa
distribution initiale dans les tissus sera
proportionnelle au débit sanguin régional. Si le
traceur a une destinée intracellulaire, il
restera fixé un certain temps selon sa
répartition initiale et si le traceur est
radioactif et émet des rayons gamma de basse
énergie ou moyenne énergie, il peut être détecté
par une gamma caméra, et la perfusion
myocardique peut être étudiée par la mesure de
la distribution spatiale du radio élément dans le
myocarde. Le Thallium 201 sous forme de
Chlorure, a été adopté comme traceur radioactif,
sa distribution initiale est fonction du flux
sanguin.Lacquisition tomographique la plus
utilisée en MN, est la SPECT mais ces
imagesscintigraphiques ont tendance à manquer de
contraste  seul le myocarde bien perfusé est
distingué. Des informations morphologiques
(volume), dynamiques ou fonctionnelles
(perfusion) ne sont pas facilement accessibles
par le clinicien. Doù la nécessité dun
traitement préalable.
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Présentation des images de la Médecine Nucléaire
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Tête de détection Unité de stockage et de
traitement
Schéma dune GC équipée de son collimateur et
son système électronique et informatique.
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Cristal scintillant

• Champ de vue

Rayonnements g source
radioactive
Collimateur à canaux parallèles 
Seul le photon parallèle aux canaux sera
détecté
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Méthodes de reconstruction tomographique
Le principe général de la tomographie repose sur
l'acquisition de projections de l'organe à
explorer, à partir d'un plan de coupe image F,
par rotation du détecteur (ici la g-caméra). Pour
chaque angle q de projection un profil de la
radioactivité émise par l'organe est enregistré.
Chaque plan image correspond à une coupe de
l'organe.
Acquisition d'une projection à partir de la
radioactivité émise par le cerveau
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Tomoscintigraphie à photon unique (SPECT)

• Principe
• -injection dun radiotraceur qui a lavantage
  de se fixer dans un organe specifique
• -acquisition des photons uniques émises dans
  la direction perpendiculaire de collimateur
• -determination de la position demission des
  photons acquises
• SPECT Permet d'obtenir une représentation 3D
  d'une distribution radioactive à partir de
  plusieurs projections acquises autour du patient
• Le détecteur est animé d'un mouvement de rotation
  autour du patient 360 (cerveau) ou 180
  (myocarde) par un le pas angulaire petit.
• La reconstruction des coupes transversales est
  réalisée par la rétroprojection filtrée (
  technique la plus courante ) ou par des methodes
  analythiques iteratives

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La projection
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Modèle mathématique dune projection

• RI Réponse impulsionnelle de la gamma caméra.
• Fonction du collimateur,
• du rayonnement diffusé,
• de la profondeur de la source.

B Bruit de Poisson ( bruit quantique ) dû au
caractère aléatoire des émissions
radioactives. N nombre de coups au pixel(x,y)
Im(x,y)N ( N )1/2
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La Rétroprojection dans 4 directions d'un objet
elliptique
- Si le nombre de projection est infini, on
retrouve la forme originale de l'objet. - Mais
les contours ne sont pas nets à cause les
artefacts laissés par la rétroprojection - Pour
éviter ces artefacts, il faut filtrer les lignes
de projections avec le filtre rampe
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Bases physiques et mathematiques
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Domaines spatial et fréquentiel
I(u,v) O(u,v) . FTM (u,v) B(u,v)
Multiplication
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Mesure de la RI Calcul de la FTM
La LMH correspond à la résolution spatiale de la
Gamma caméra. C'est la taille de la plus petite
structure qui peut être détectée
La FTM est exprimée par le rapport contraste
image sur contraste objet.
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La transformation discrète de Fourier 1D
TF
TFI
Transformée de Fourier continue
TFD
TFDI
Transformée de Fourier discrète
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La transformation discrète de Fourier 2D
Echelle Logarithmique
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Filtres

• Une projection est dégradée par
• La présence de rayonnement diffusé et la
  résolution limitée en énergie du détecteur 
• Le bruit de poisson étant donné le nombre de
  coups limité, les projections présentent un taux
  de bruitage important

-La résolution spatiale limitée du système
détecteur associé à son collimateur (de
lordre du cm).
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  Résolution spatiale
Exprimée généralement à laide de largeur à mi
hauteur ( FWHM ) de la réponse impulsionnelle
moyenne, la résolution spatiale est par
définition  la distance minimale permettant de
séparer visuellement deux sources ponctuelles.
En tomographie, la résolution spatiale de la
gamma caméra est affectée, énormément, par la
profondeur de lobjet. Visuellement, cette perte
en résolution induit un flou dans les images
reconstruites. Du point de vue quantitatif, la
RI détériore laspect quantitatif des images. Il
est donc nécessaire, voire obligatoire dans le
cadre dune quantification précise, de corriger
ce facteur de dégradation .
Correction de la perte en résolution spatiale se
fait en générale par lapplication du filtrage
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Améliorer la qualité de l'image en
améliorant la résolution spatiale et (ou) en
supprimant une partie du bruit
Définition
Filtre Cest lensemble des opérations
arithmétiques de traitement appliquées à une
image et qui modifie la distribution
fréquentielle de ses composantes
But
i'(x,y) doit être la plus proche possible de
o(x,y)
Filtres sont appliqués en domaine spatial ou en
domaine fréquentiel
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Les différentes étapes du filtrage dans le
domaine spatial
FFTD
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Choix de la fonction de filtrage
Par contre, les hautes fréquences qui contiennent
des informations utiles sur les contours de
lorgane sont noyées dans le bruit, ce ci va
causer des incertitudes dans la detetection du
contour
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Analyse de spectre (la puissance spectrale) dune
projection
Puissance Spectrale (image f(x,y))(TFD(f(x,y))))²
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Description
Débruitage
Transition
Restauration
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Restauration dimages
Lensemble des méthodes développées pour
compenser les dégradations connues ou estimées
et rétablir la qualité initiale
Filtres de restauration

Les filtres de restauration sont désignés pour la
déconvolution de la réponse impulsionnelle du
système de détecteur de limage obtenue avec la
contrainte de minimiser leffet du bruit
Amélioration de la résolution
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Description

• But Retrouver une image aussi proche que
  possible de lobjet
• Conditions
• Estimation du bruit de limage
• Connaissance de la FTM
• Résultat
• Réduction du bruit
• Amélioration de la résolution spatiale
• Description
• Filtre inverse en basses fréquences
• Filtre passe-bas en hautes fréquences
• Deux filtres
• Filtre de Metz
• Filtre de Wiener

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Réponse idéale dun filtre de restauration
utilisé en MN
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Lissage annulaire dans lespace fréquentiel
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la fréquence de coupure
détermine où le filtre doit converger vers un
gain nul et détermine leffet du filtre qui
agit sur le bruit et la résolution pour la même
image

• Fc faible bonne suppression du bruit
  dégradation de la résolution

• Fc élevée persistance du bruit bonne
  résolution

compromis
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Les filtres passe-bas

• But Atténuation du bruit de Poisson

• Résultats

• Réduction du bruit
• Détérioration de la résolution spatiale

• Exemples

• Moyenne pondérée
• Hanning
• Butterworth

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Réponse fréquentielle du filtre de Butterworth
-Préserve les basses et moyennes fréquences
-Présente une raideur douce pour éviter le
phénomène de Gibbs (oscillations dans le domaine
spatial )
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Le filtre de Metz
x facteur du filtre de Metz, peut être adapté
au niveau du bruit de l'image donc au
nombre de comptage
FTM
soit estimée à partir de limage dégradée
soit calculée à partir des RI mesurée
directement, sous lappareil
x15 x10 x7 x5 x3 x2 x1 Correspond à la
FTM de forme gaussienne
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Fc en fonction du comptage
Fréquence spatiale (cycle/pixel)  
Le logarithme, en base de 10, normalisé de la
puissance spectrale à deux dimensions après
avoir effectuer un lissage annulaire dans
lespace, en fonction des fréquences, pour trois
acquisitions, avec différents niveaux de
comptage, effectuées sur un fantôme. La moyenne
de lamplitude PS du bruit quantique est égale
au nombre de coups total.
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Comparaison entre filtres passe-bas et
restauration
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Pratique
Elaboration dun filtre de Metz pour la
restauration des tomoscintigraphies myocardiques
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Objectif
Pratique

• Mise au point dun filtre de restauration pour
  les tomoscintigraphies cardiaques applicable en
  routine dans le service de MN

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• Procédure doptimisationet de conception
• Adopter les mêmes conditions dacquisition
  réelles de lexamen scintigraphique (énergie,
  traceur,distance source collimateur, matrice
  dacquisition, rotation,..)
• Mesurer la RI (en faisant lacquisition dune
  source ponctuelle) et calculer la FTM
  correspondante
• Chercher un modèle (gaussian, exponentiel..) qui
  presente une bonne corrélation avec la FTM
  expérimentale. Lintroduire dans léquation de
  Metz.
• Optimiser le choix de x tel que le filtre garde
  un gain supérieur à 1 pour toutes les fréquences
  inférieures de la fréquence correspondant au
  début de prédominance du bruit

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Mesure de la RI
H varie de 0 à 10 cm
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Calcul de la FTM
FTM réelle et approchées
RI après lissage annulaire 1D
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Tableau des mesures de la RI et de la FTM
La FTM retenue pour le traitement des projection
du myocarde est
FTM(u,v)exp(-0,0055.(u²v²))
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Optimisation par la puissance spectrale et
visuellement
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Page daccueille logiciel principal
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Interface programme-utilisateur
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Acquisition sur fantôme
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Résultats 1
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Effet du choix du filtrage bidimensionnel en
pre-reconstruction
Filtre Brute Hanning Butterworth Metz
Puissance pectrale et allure du filtre
Filtered Projection
Transverse Slice
Sagittal Slice
Coronal Slice
Butterworth est mieux que Hanningmoins du bruit
et plus de resolution Mais Metz est mieux que
Butterworth Une meilleure resolution
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Résultats 2
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Résultats 3
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Conclusion et perspectives
Lapplication et loptimisation du filtre de
Metz en pre-reconstruction pour les tomographies
myocardiaques permet
Corriger la perte en résolution spatiale
Introduire une amélioration qualitative et
quantitative
Permettre une interprétation plus aisée des
examens en temps réel
Elle est en plus

• Rapide
• Pratique
• Interactive

Perspectives

• Validation de ces résultats observés sur des
  images simulées
• Utilisation pour la quantification de la
  perfusion

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Merci pour votre attention.
Raja
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