Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article s'intéresse à la finalité de tout système d'imagerie, la qualité d'image au travers des techniques permettant de la mesurer et de l'améliorer. Il introduit les techniques ROC comme outil idéal de quantification pour une modalité médicale donnée, et il détaille les méthodes de modélisation de cet outil grâce à l'indice de détectivité. Les impacts des diffusés et de la source de photons X sur la qualité d'image sont alors précisés. Dans un deuxième temps, les principales techniques d'amélioration faisant aujourd'hui l'objet de recherches sont exposées : la détection multi-énergie, le comptage de photons et la spectroscopie, et enfin l'imagerie par contraste de phase qui exploite les propriétés de réfraction des rayons X dans les tissus biologiques.
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This article deals with the main objective of an imaging system, namely image quality, through various ways to quantify and improve it. It introduces the ROC techniques as the ideal quantification method for a given medical task, and then describes how these can be approximated using the detectivity index. The impact of scatters and of the X-ray source is then described. In a second step, disruptive technologies to improve image quality, today the focus of researchers worldwide, are explained: multi-energy detection, photo-counting and spectroscopy, and finally phase contrast imaging, which exploits the refraction properties of X-ray photons in biological tissues.
Auteur(s)
-
Thierry LEMOINE : Directeur technique Thales microwave and imaging subsystems, France
INTRODUCTION
Cet article s'intéresse à la chaîne complète de radiographie par rayons X et à la qualité de l'image finale. Des composants autres que le détecteur participent à la qualité de l'image : la source et la grille anti-diffusés principalement. Et la qualité doit être mesurée non pas en considérant une image de bruit (ce que fait la DQE d'un détecteur), mais à partir de l'observation de radiographies de patients : rentrent en compte les caractéristiques intrinsèques des pathologies que le radiologue recherche dans l'image, les caractéristiques corporelles du patient, ainsi que le processus mental de décision de l'observateur. La première partie de cet article s'intéresse à la modélisation de l'ensemble de ces paramètres, afin de parvenir à un facteur de mérite qui permette d'estimer la qualité d'un système de radiologie dans son ensemble (considérée du point de vue de la qualité d'image). Noté d ′, ce facteur de mérite est appelé indice « détectivité ». Il peut être calculé sur la base d'éléments objectifs décrivant la chaîne radiologique (la DQE du détecteur, les caractéristiques de la source de rayons X, etc.), mais il fait aussi des hypothèses sur la performance de l'observateur : comme il n'existe aucun modèle universel pour le décrire, l'article distingue différents cas pratiques (observateur idéal, semi-idéal, etc.). Une extension des concepts de DQE, MTF et NPS est aussi déduite, qui quantifient la performance d'un système de radiologie complet, mais sans prise en compte de l'observateur ni de la pathologie.
La suite de l'article est consacrée à trois ruptures technologiques actuellement envisagées, dont certains experts considèrent qu'elles feront progresser significativement l'imagerie par rayons X à partir des années 2020 : il s'agit de l'imagerie spectroscopique par intégration puis par comptage de photons, et de l'imagerie par contraste de phase. L'imagerie spectroscopique par intégration (ou détection multi-énergie) est connue et implémentée depuis les années 1990. Quant au comptage et au contraste de phase, il existe en 2015 des cas pratiques d'utilisation (dans certains prototypes de CT-scanners pour le comptage multi-énergie, dans les sources de lumière de type « synchrotron » pour le contraste de phase) et il ne s'agit donc pas de sujets de recherche exploratoire. Mais les difficultés rencontrées pour les adapter à la radiologie conventionnelle sont très importantes et il faut considérer ces technologies comme étant au stade de la recherche appliquée.
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MOTS-CLÉS
KEYWORDS
spectroscopy | image quality | phase contrast
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Conclusion
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3. Contraste de phase et « dark field »
Nous terminons cet article sur de nouvelles techniques d'imagerie par rayons X, dites par « contraste de phase » et « dark field », sur lesquelles de nombreux laboratoires travaillent mais dont il est difficile de prédire si elles apporteront des avancées concrètes en imagerie médicale tant le sujet est encore controversé. Elles restent en 2015 des techniques en devenir, exigeant de fortes ruptures pour se généraliser : en premier lieu des sources très ponctuelles mais puissantes, et dans une moindre mesure des technologies performantes pour la fabrication de dispositifs d'interférométrie. En l'état actuel des choses, elles offrent quelques avantages, en particulier en mode dark field (visibilité de structures très inférieures à la résolution du détecteur). Cette technique offre, pour la détection de calcifications, un gain en contraste compris entre 3 et 8 dB : la mammographie pourrait être le premier cas d'application, si cette technique tient ses promesses.
Les techniques de contraste de phase et « dark field » prennent le contre-pied de ce qui a été dit jusqu'à présent, car elles exploitent le caractère ondulatoire des photons X (rappelons qu'un photon d'énergie 124 keV a une longueur d'onde λ = c/f égale à 0,01 nm). L'idée remonte aux années 1960, mais les travaux sur l'utilisation du contraste de phase en imagerie médicale n'ont vraiment débuté que vers 1995 sur des sources de lumière de type synchrotron, cohérentes spatialement et temporellement, et très intenses. Le contraste de phase obtenu avec des équipements de radiologie traditionnels n'est sérieusement étudié que depuis le début des années 2000.
Plusieurs solutions ont été proposées pour réaliser des images exploitant les propriétés de réfraction. Celles qui exigent d'avoir recours à une source de rayons X parfaitement monochromatique (cohérence temporelle) sont réservées aux quelques synchrotrons dont le faisceau d'électrons est suffisamment énergétique (> 3 GeV) pour que leurs ondulateurs produisent des rayons X durs (> 20 keV). L'introduction de cristaux monochromateurs et de cristaux analyseurs sur le chemin lumineux permet alors de réaliser de l'imagerie par contraste de phase, y compris sur des cas cliniques (en mammographie, en imagerie thoracique, en angiographie...) en utilisant les lignes de lumière de ELETTRA (Trieste) ou de ESRF (Grenoble) par exemple. Mais la transposition en hôpital est...
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Contraste de phase et « dark field »
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GREEN (D.M.), SWETS (J.A.) - Signal detection theory and psychophysics. - Peninsula Publishers (1966).
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(4) - FITZPATRICK (M.), BEUTEL (J.) - Handbook of medical imaging. - Spie Editions, vol. 1, part 2 (2000).
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(5) - MYERS (K.J.), KYPRIANOU (I.S.), PARK (S.) - Wagner unified theory of image quality, advances in medical physics. - Madison Medical Physics Publishing, vol. 3 (2010).
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(6) - BELANGER (B.) - Recent developments in fluoroscopic imaging systems for interventional procedures, advances in medical physics. - Madison Medical Physics Publishing,...
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