L`apport du PACS (Picture Archiving and

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UC1-Département d’électronique, Cours-INFMED2
2014-2015
Chapitre V
Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle
V.1 Introduction :
La radiologie conventionnelle fait appel aux propriétés des rayons X qui ont été découvertes
au début du XXe siècle. Les rayons X produits lorsque des électrons sont animés d’une
grande vitesse, peuvent traverser le corps humain. Au cours de cette traversée, l’intensité du
faisceau est atténuée selon le type de tissus rencontré : plus ils sont épais et dense, plus
l’atténuation sera importante.
La radiographie conventionnelle nécessite un émetteur de rayons X et un détecteur d’image
(film radiographique ou désormais capteurs reliés à un ordinateur) entre lesquels est placé le
segment corporel étudié.
De plus en plus, les appareils utilisés font appel à des techniques numériques de captation de
l’image par ordinateur, ce qui permet de travailler secondairement les images pour en obtenir
plus de précision [25], de les conserver sous forme de fichiers informatiques afin de les
archiver et de transmettre les images par le biais d’Intranet ou d’Internet à d’autres médecins.
Donc la radiologie conventionnelle et la numérisation des images restent l’activité principale
des radiologues, des services de radiologie et des établissements de soins.
V.2 Définition de la radiologie numérique :
La radiologie numérique résulte de la discrétisation du signal analogique. Cette discrétisation
aboutit à une information codée avec une succession de nombres.
L'imagerie numérique est définit par un ensemble de point élémentaires appelés pixels :
chaque pixel a une valeur discrète, correspondant à la totalité des informations qui lui sont
associées.
Une image peut se présenter sous deux formes :
 Analogique : dans laquelle la représentation de la grandeur observée est conforme à la
vision de l'observateur ;
Chap. V- Intérêt de la numérisation en radiologie conventionnelle
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 Numérique : dans laquelle la représentation de la grandeur observée est le résultat
abstrait d'une construction mathématique figurée par une succession de nombres.
L'image numérique n'est donc pas conforme à la vision de l'observateur et elle ne le
deviendra qu'après conversion en une image analogique.
V.3 Principe :
Tout système numérique comporte une source de rayons X, un sous-système d'acquisition et
de formatage des images, un sous-système de visualisation et de manipulation, un soussystème d'archivage, et un module d'édition partagé de préférence avec d'autres sources
d'images numériques.
Figure V.1 Principe de la numérisation d’une image radiologique [26].
Malgré les stations de visualisation, l'édition des images sur film reste indispensable non
seulement pour l'archivage mais aussi l'établissement du diagnostique. Ce dernier étant, la
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plupart des cas, dû plus à une habitude de la part du médecin qu'à un réel besoin pour le
diagnostique, sera de moins en moins utilisé.
L'acquisition de l'image se déroule de la façon suivante :
- Décomposition en points élémentaires dénommés "PIXELS", abréviation de "Picture
élément" ;
- Distribution des pixels dans un tableau basé sur les propriétés mathématiques de matrices ;
- Attribution à chaque pixel d'une valeur discrète caractéristique de l'information qu'il contient
- Procédures de calcul et de reconstitution élaborées à partir d'algorithme mathématiques
spécifiques du type d'image considérée ;
- Visualisation de l'image sous une forme analogique, en règle générale, sur un tube
cathodique.
V.4 Les technologies d'acquisition numérique en radiologie :
V.4.1 La fluorographie numérique :
Cette technique repose sur l'assemblage d'un amplificateur de luminance et d'une caméra de
télévision.
Le principe est celui d'une numérisation à la sortie de l'amplificateur de brillance. L'image
radiante est transformée par un écran fluorescent en une image lumineuse. Celle-ci est
amplifiée, codée en un signal électrique puis en un signal numérique.
V.4.2 Les écrans radio luminescents à mémoire (ERLM) :
Les écrans radio luminescents à mémoire (ERLM), appelés également écrans photostimulables ou plaques au phosphore photo-stimulables [20], sont aujourd'hui très largement
utilisés dans le domaine de la radiologie / radiographie numérique (CR - Computed
Radiography). Ils sont concurrencés par les capteurs plans numériques (Flat Panel). Ils se sont
substitués aux films radiographiques argentiques dans la majorité des cabinets, laboratoires
médicaux et hôpitaux.
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Le principe des ERLM est basé sur leur capacité à conserver l'énergie photonique accumulée
au cours d'une irradiation. Cette énergie, ainsi accumulée, constitue une image latente. La
restitution de cette énergie lumineuse est obtenue par le balayage d'un faisceau laser.
L'énergie restituée est, pour chaque point, proportionnelle à celle emmagasinée lors de la
radiation initiale. L'énergie lumineuse, ainsi libérée, est transformée en signal électrique, puis
en signal numérique.
Brièvement, le cycle d'utilisation d'un ERLM comporte trois expositions : une première
exposition aux radiations ionisantes (X, gamma, ..) « écrit » l'image, une seconde exposition à
un faisceau étroit de lumière visible (typiquement un laser HeNe) « lit » l'image ligne par
ligne, et une dernière exposition à une lumière visible intense (typiquement plusieurs tubes
néon) « efface » l'image en vue d'un nouveau cycle d'utilisation du même ERLM.
V.4.3 La numérisation secondaire des films radiographiques :
La numérisation d'un film radiographique peut être effectuée par une caméra CCD (Charge
Coupled Device) ou un micro densitomètre (scanner). Dans le premier cas, le signal vidéo
acquis par la caméra est secondairement numérisé. Dans le deuxième cas, un faisceau laser de
haute densité mesure la densité optique de chaque point radiographique. Cette solution permet
d'obtenir, à partir d'un film radiologique, un équivalent numérique.
V.4.3.1 Les Capteurs à CCD :
Chaque pixel, exposé à la lumière, accumule un nombre de charges électriques proportionnel
à la quantité de lumière reçue. Une lecture en série du CCD fournit à la sortie un signal
électrique représentatif de l'image projetée sur la surface sensible du dispositif. Comme le
CCD est sensible aux RX, il doit être protégé avec une plaque de fibres optiques. De plus, il
est réservé aux applications petits champs comme en dentaire ou en mammographie.
 Avantages des capteurs CCD / tube analyseur
- Faible encombrement et faible poids.
- Faible consommation de puissance.
- Insensibles aux champs magnétiques.
- Sensibilité et dynamique supérieures.
- Réponse linéaire à l’augmentation de la lumière.
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- Durée de vie illimitée.
- Pas de distorsion géométrique, résolution spatiale constante en tous points de l’image.
- Temps d’intégration modulables (résolution dynamique).
- Il n'existe pas de détérioration de l'information dans les divers transferts numériques et donc
une meilleure fonction de transfert de modulation (FTM).
V.5 Traitement des images numériques
V.5.1 Rappel sur les traitements photographiques
Les possibilités de traitement assurent la supériorité de l'imagerie numérique.
Diverses méthodes photographiques permettaient depuis longtemps des traitements d'image,
parmi lesquelles :
- Inversion : le tirage positif de l'image radiologique négative permet des corrections de
contraste en jouant sur les caractéristiques de l'émulsion (élément sensible au rayonnement
X); en fait, les papiers utilisés ont une latitude de contraste moindre que le film radiologique.
- La soustraction simple (simple masque ou double masque) : permet une extraction
d'informations différentes entre images évolutives, injection, mouvement, modifications du
rayonnement X ; lorsqu'un simple masque est insuffisant car les caractéristiques (courbe
sensitométrique) du film masque ne donnent pas un masque parfait, on réalise un deuxième
masque de l'image référence doublée du premier film masque.
- La soustraction à masque flou : rehaussement de contours et réduction du contraste
d'ensemble (également obtenu par un appareil électronique de correction de contraste
"LogEtron") : le masque est réalisé par exposition du film de référence à travers une glace de
quelques millimètres d'épaisseur ce qui crée un masque flou : la soustraction avec le film
injecté conserve en partie les contours de l'image de référence.
- Le paraglyphe : c’est l’addition d'une image avec son négatif légèrement décalé, créant des
effets de bord et amplifiant le contraste local.
- Extraction de contours par des films à très haut contraste.
- Fausses couleurs liées aux densités.
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Toutes ces techniques demandaient du temps, plusieurs heures et des matériels spéciaux pour
la plupart des techniques et surtout une connaissance technique de haut niveau; mais la
numérisation et l’informatique ont rendu ces techniques plus faciles et ont même créé des
possibilités nouvelles.
V.6 Qualité d'image numérique
La numérisation d’une image peut se décomposer en 2 opérations principales :
- Le découpage de l’espace à étudier en pavés réguliers de la surface x, y à étudier (on parle
également d’échantillonnage de l’espace de départ).
- Le codage de l’information (en niveaux de gris ou en couleurs) reçue par le capteur en
chaque point de données numériques.
Mais cette image numérique est jugée généralement sur quatre critères qui sont la résolution
spatiale, noircissement, contraste et le bruit.
V.6.1 La résolution spatiale :
La résolution d’une image est définie par un nombre de pixels par unité de longueur de la
structure à numériser (classiquement en dpi (dots per inches) ou ppp (points par pouce)).
Ce paramètre est défini lors de la numérisation et dépend principalement des caractéristiques
du matériel utilisé lors du processus de numérisation. Donc la figure V.2 montre un exemple
d’une image numérisée.
Figure V.2 numérisation d’une image [27].
La figure V.2 montre l’étape de la résolution pour numériser une image. Donc plus le nombre
de pixels est élevé par unité de longueur de la structure à numériser, plus la quantité
d’information qui décrit cette structure est importante et plus la résolution est élevée.
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La résolution d’une image numérique définit le degré de détail qui va être représenté sur cette
image.
Les phénomènes de numérisation dépendent des 2 équations suivantes :
(X*résolution) = x pixels
(Y*résolution) = y pixels
Où X et Y : représentent la taille (en pouces ou mètres) de la structure à numériser,
résolution : représente la résolution de numérisation,
x et y : représentent la taille (en pixels) de l’image.
Pour la clarté, généralement il n’est considéré que la taille en x des images (ce qui est vrai
pour la taille en x est également vrai pour la taille en y).
-
Exemple théorique :
Une image de 1*1 pouce scannée a 100 dpi aura une taille x, y de 100 pixels sur 100 pixels
(1*100)*(1*100) = 100 pixels sur 100 pixels.
Notons que un pouce = 2,54 centimètres.
Exercice 1:
Pour la numérisation d’un disque de 1 cm de diamètre on a différentes résolutions (de 300 à
25dpi), complétez le tableau suivant :
Q-1- qu’est-ce que vous remarquez à propos de la résolution ?
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Réponse :
R-1- Lorsque la résolution diminue, la précision diminue : (l’objet est représenté par un
nombre moins important de pixels). Il semble clair que la représentation d’un disque par une
structure de 20 pixels sur 20 pixels donne une représentation biaisée de la représentation
réelle d’un disque.
Le choix de la résolution de numérisation est donc un facteur primordial lorsque l’on réalise
une numérisation. Ce choix va conditionner la qualité de l’information véhiculée dans
l’image, la taille en pixels de l’image ainsi que son poid.
Exercice 2 :
Si la résolution spatiale d’une image est donnée selon une matrice de 512 pixels. Sachant que
la résolution spatiale est liée directement au format de l’image. Calculer la résolution par mm
pour ces deux formats :
- 18 x 24 cm
- En 36 x 43 cm
- Si cette image est résolue avec 300 pixels par pouce, donner la résolution en pixels par
millimètre.
Qu’elle est la meilleure résolution de ces trois (sachant la meilleure est résolue par un
scanner) ?
Est-ce qu’une image analogique numérisée selon une matrice de 512 pourra récupérer une
résolution supérieure à la résolution que procure cette matrice initiale ?
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Réponse :
- 18 x 24 cm est numérisé avec 512 pixels pour 240 mm soit 1 pixel mesure 240/512 = 0,47
mm de côté. La résolution est environ le double (théorème de Shannon - Nyquist) donc près
de 1 mm ;
- En 36 x 43, le pixel mesure 0,84 mm de côté avec une résolution supérieure à 1,5mm.
- Donc seuls, les scanners d'image donnent une meilleure résolution avec 300 pixels par
pouce, soit 12 pixels par millimètre.
Une image analogique numérisée selon une matrice de 512 ne pourra, quels que soient les
traitements ultérieurs, récupérer une résolution supérieure à la résolution que procure cette
matrice initiale.
V.6.2 Le noircissement :
Le traitement d'image numérique permet d'attribuer à la zone la plus dense la valeur maximale
et la valeur minimale aux points clairs de sorte que l'on ne peut juger la valeur d'exposition
sur le noircissement.
- Les images binaires (noir ou blanc) :
Un pixel peut prendre uniquement les valeurs noir ou blanc. C’est typiquement le type
d’image que l’on utilise pour scanner du texte quand celui-ci est composé d’une seule couleur.
- Les images en teintes de gris
En général, les images en niveaux de gris renferment 256 teintes de gris. Images à 256
couleurs, simplement chacune de ces 256 couleurs est définie dans la gamme des gris. Par
convention la valeur zéro représente le noir (intensité lumineuse nulle) et la valeur 255 le
blanc (intensité lumineuse maximale).
Figure V.3 Valeurs des niveaux de gris et teintes de gris correspondantes
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Ces images sont codées sur un octet et sont utilisées pour reproduire des photos en noir et
blanc ou du texte dans certaines conditions (notamment lorsque l’on utilise un filtre pour
adoucir les contours afin d’obtenir des caractères plus lisses).
Tableau récapitulatif
Nombre de bits par pixel
Nombre de couleurs possibles
1
2 (blanc et noir)
4
24 = 16
8
28 = 256
Question :
Qu’elle est le nombre d’octets par pixel pour avoir le nombre des couleurs du codage 65536 ?
Réponse :
216 = 65536 donc il faut 16 bits qui signifie 2 octets (16 bits ou 2 octets).
V.6.3 Le contraste :
La numérisation après échantillonnage se fait sur un nombre limité de niveaux de gris, 256 si
l'on numérise sur 8 bits ; souvent la dynamique de l'image numérique atteint 12 bits donc
4000 niveaux. Le problème est limité par les performances de l'œil qui ne sait discriminer
qu'une différence de 2% entre zone voisines. Il est évident que cette dynamique est
excédentaire face aux possibilités de l'œil, mais lorsque l'image est affichée avec une fenêtre
limitée (en scan cérébral 80 niveaux de 0 à 80), la totalité de l'information numérique est
utilisée sur cette fenêtre.
V.6.4 Le bruit :
Au stade de détection, la fluctuation quantique due à un nombre insuffisant de photons est
perceptible dans les zones correspondant aux régions anatomiques les plus épaisses, où la
transmission est minimale. Ceci est particulièrement marqué avec les nouveaux détecteurs très
sensibles (amplificateur de luminance, écrans à mémoire). Cette fluctuation quantique est la
cause principale de bruit en imagerie numérique.
L'image numérisée, si l'on ne change pas la matrice, peut changer de support, mémoire vive
ou de masse, transmission à distance, etc. sans bruit supplémentaire.
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Par contre, il peut arriver que l'on change de matrice pour afficher, reproduire, agrandir d'un
rapport variable. À un pixel d'origine peut ainsi correspondre 1,3 ou 2,9 pixels : ce
changement entraîne un phénomène d'aliasing qui dénature ces pixels intermédiaires dont la
valeur est interpolée.
Et pour la fonction de transfert de modulation (FTM). Il n'existe pas de détérioration de
l'information dans les divers transferts numériques alors que tout transfert analogique
s'accompagne de détérioration de la modulation : la FTM est donc utilisée différemment.
 Autres facteurs
On ne doit pas oublier que la matrice n'est pas le seul paramètre pour la netteté de l'image ; les
modalités d'acquisition interviennent. La taille du foyer peut être la cause de flou
prédominante : un gros foyer de 1 mm sur une radiographie de l'abdomen de face, avec un
amplificateur de luminance qui n'est pas strictement au contact aboutit à un agrandissement de
1,3 à 1,5 et à un flou de 0, 5mm.
V.7 Avantage de la numérisation :
De manière générale, par rapport à la radiologie traditionnelle sur film, la radiologie
numérique permet :
- De se passer des consommables et des produits chimiques.
- D'obtenir une meilleure qualité d'image notamment grâce aux possibilités offertes par le
filtrage numérique.
- De donner accès à plus d'information de par la meilleure résolution de contraste (l'œil ne
peut voir qu'environ 200 niveaux de gris ; les digitalisations s'effectuent sur entre 4000 (12
bits) et 65000 (16 bits) niveaux de gris suivant les appareils qui peuvent être ramenés à des
niveaux accessibles l'œil de manière optimisée suivant l'information recherchée).
- Le stockage et l'envoi des informations via support numérique [17,28].
- La radiologie numérique permet des applications de télé-radiologie où le médecin qui
interprète l'examen est à distance (parfois même dans un autre pays) du lieu où est effectué ce
dernier.
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Donc on peut résumer les principaux avantages comme :
a) Traitement d'image et logiciels d'aide au diagnostic :
La manipulation des images sur stations de visualisation permet également de nombreux
traitements : zooms, filtres (par exemple rehaussement
de contours), mesures.
De nouvelles applications telle que la détection assistée par ordinateur ou les systèmes experts
vont se développer de plus en plus (reconnaissance de structures anatomique normales ou
pathologique, extraction de paramètres quantitatifs utiles au diagnostic, modélisation et
automatisation de certains processus de décision).
b) Economie de dose :
Avec les systèmes numérique et surtout les capteurs ont peut espérer des réductions de dose
importantes sans perte de qualité d'image (l'évaluation réalisée par le CEDIT sur les ERLM en
radio pédiatrie avait mis en évidence une réduction de 30%). La réduction du nombre de
clichés ratés par sous ou surexposition représente également un intérêt dosimétrique mais
pour une très faible proportion d'examens.
c) Gain de temps et reproductibilité :
Des gains de temps et de productivité peuvent découler de la réduction des clichés ratés et la
récupération plus rapide des archives. La numérisation permet une parfaite reproductibilité
des examens sans variabilité due à l'exposition et aux manipulateurs de films. Ce pendant,
seules des modifications organisationnelles importantes permettront de bénéficier au mieux
des avantages du numérique.
d) Economie de films et de produits chimiques :
La réduction ou la suppression du film dépendra essentiellement des performances des écrans
de visualisation et de la modification des habitudes de travail du personnel médical et
paramédical.
V.8 Conclusion.
La radiologie conventionnelle est la plus ancienne des techniques d'imagerie médicale qui
utilise les rayons X. Cette technique a récemment évoluée avec le remplacement du film
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argentique par des détecteurs électroniques ou des surfaces sensibles (les capteurs plans, par
exemple) et une représentation matricielle (faite de pixels); cette évolution permet de
considérablement réduire les doses d'irradiation du fait de leur grande sensibilité.
Cette image radiologique numérique reste comparable à l'image radiologique conventionnelle.
Elle repose sur les mêmes principes d'absorption des rayons X, avec les mêmes contrastes
naturels de l'air, de l'os et des parties molles. Mais l'image numérique comporte aussi tous les
avantages du « traitement d'image » par des logiciels informatiques, avec des fonctionnalités
de réglage des contrastes (pour d’avantage de détails des parties molles, ou des os, par
exemple), d'agrandissement, de restitution dans l'espace 3D, d'annotations, de reproduction
sur films ou sur papier, d'enregistrement sur support informatique (CD-ROM), de
transmission à distance par réseau (interne ou externe et par Internet) .
Donc on peut dire que cette numérisation permet également au radiologue de visualiser les
images obtenues sur des consoles diagnostiques qui lui permettent d'améliorer la qualité, le
contraste et la taille des clichés et lui facilite donc son interprétation.
Enfin, les efforts constants des professionnels scientifiques et médicaux pour la
standardisation des normes de communication ainsi que la baisse du coût de l'informatique
ont fait qu'aujourd'hui la numérisation des installations conventionnelles devient
incontournable.
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