Medisinsk bildebehandling

Underklasse av	Biologisk bildebehandling ( in ) , medisinsk undersøkelse , medisinsk diagnose

Den medisinske avbildningen inkluderer midler for å skaffe og gjengi bilder av menneskekroppen fra forskjellige fenomener fysiske, slik som absorpsjon av røntgenstråler , kjernemagnetisk resonans , refleksjonsbølge- ultralyd eller radioaktivitet, som noen ganger kombinerer optiske bildebehandlingsteknikker som endoskopi. . Dukket opp for de eldste på begynnelsen av XX th århundre , disse teknikkene har revolusjonert medisinen med fremdriften av IT i slik indirekte visualisere anatomi , den fysiologi eller metabolismen av menneskekroppen . Utviklet som et diagnostisk verktøy , blir de også mye brukt i biomedisinsk forskning for bedre å forstå organismenes funksjon. De finner også flere og flere applikasjoner innen ulike felt som sikkerhet , arkeologi og kunst.

Historisk

Begynnelsen av medisinsk bildebehandling er en konsekvens av Wilhelm Röntgens arbeid med røntgen . Mens han arbeidet med katodestråler i 1895 , utførte han et eksperiment som besto av å tømme strøm fra en Ruhmkorff-spole i et vakuumrør plassert i en pappeske. Han klarte å observere fluorescensen til en barium platinocyanid-skjerm plassert utenfor den. Etter å ha gjentatt eksperimentet med flere materialer, merker han at disse strålene er i stand til å passere gjennom materie. Han merker også at tettheten på skjermen avhenger av materialet som går gjennom, som papir, gummi , glass eller tre. Han har da ideen om å plassere hånden foran røret og observerer "mørkere skygger av beinet i bildet enn skyggene av hånden". Det handler derfor om hva som vil bli prinsippet for radiografi . Andre tester fører ham til bruk av fotografiske filmer, inkludert de første radiografiske anatomiske fotografiene av kona Anna Berthe Roentgen,22. desember 1895. Wilhelm Röntgen mottok den første Nobelprisen i fysikk i 1901 "som et vitnesbyrd om de ekstraordinære tjenestene som ble gitt ved hans oppdagelse av de bemerkelsesverdige strålene som senere ble oppkalt etter ham".

Fra slutten av 1920-tallet ble en pasient injisert med "Radium C" for å overvåke blodsirkulasjonen ved hjelp av en Geiger-Müller-teller som ble oppfunnet i 1928. Senere i 1934 ble kunstig radioaktivitet oppdaget av Irène og Frédéric Joliot-Curie. Fra dette øyeblikket kan vi lage isotoper (for tiden kalt radionuklider). I 1938 klarte vi å produsere jod 131, som umiddelbart ble brukt i medisin for leting og behandling av skjoldbruskkjertelsykdommer (kreft og hypertyreose). Deretter oppdagelsen av technetium (99mTc) i 1937 av Emilio Segre atom n o 43 mens mangler fra tabellen i Mendeleev. Oppdagelsen av en gamma-emitterende isomer (99mTc) og muligheten for å produsere den i en medisinsk tjeneste i form av en generator tillot merking av forskjellige molekyler som tillater utvikling av scintigrafi.

Prinsipp

Formålet med medisinsk bildebehandling er å skape en representasjon som er visuelt forståelig av informasjonsmedisinsk natur. Dette problemet er mer generelt innenfor rammen av det vitenskapelige og tekniske bildet : Målet er faktisk å kunne representere i et relativt enkelt format en stor mengde informasjon som følge av et mangfold av målinger ervervet i henhold til en god modus. Definert.

Det oppnådde bildet kan behandles av datamaskiner for å oppnå, for eksempel:

en tredimensjonal rekonstruksjon av et organ eller vev;
en film eller animasjon som viser evolusjonen eller bevegelsene til et organ over tid;
kvantitativ bildebehandling som representerer de målte verdiene for visse biologiske parametere i et gitt volum.

I en bredere forstand omfatter feltet medisinsk bildebehandling alle teknikker for lagring og manipulering av denne informasjonen. Dermed er det en standard for IT- styring av data fra medisinsk bildebehandling: DICOM- standarden .

Ulike teknikker

Avhengig av de teknikker som brukes, medisinske avbildningsundersøkelser gi informasjon om anatomi av organer (deres størrelse, volum, plassering, form av enhver lesjon, etc.) eller på deres funksjon (deres fysiologi , deres metabolisme , etc.). I det første tilfellet snakker vi om strukturell bildebehandling og i det andre om funksjonell bildebehandling .

Blant metodene som er mest brukte strukturell avbildning i medisin, inkluderer enhetsmetodene basert på røntgen ( radiologi , digital radiologi , CT-skanning eller CT-skanning, angiografi , etc.) eller på kjernemagnetisk resonans ( MR ), ultralyd metoder (som bruker ultralyd ), og til slutt optiske metoder (som bruker lysstråler).

De funksjonelle bildemetodene er også veldig varierte. De bringer sammen nukleærmedisinske teknikker ( PET , TEMP ) basert på utslipp av positroner eller gammastråler fra radioaktive sporstoffer som, etter injeksjonen, er konsentrert i områder med intens metabolsk aktivitet, spesielt i tilfelle av benmetastaser. Som forekommer i et tett miljø, elektrofysiologiske teknikker (som kvantitativ elektroencefalografi ), de som måler endringer i vevets elektrokjemiske tilstand (spesielt i forbindelse med nerveaktivitet ), teknikker som skyldes såkalt funksjonell MR eller termografisk eller infrarød spektroskopimåling .

Magnetiske felt

Magnetic Resonance Imaging (MRI), ved å bruke effekten av et intenst magnetfelt på rotasjonen av protoner . Det er en tomografisk prosess som gjør det mulig å oppnå "virtuelle seksjoner" av kroppen som følger tre plan i rommet ( sagittalsnitt , koronalsnitt og aksialsnitt ). Avhengig av hvilke parametre som er valgt, gjør MR det mulig å få høykontrasterte bilder av visse vev i henhold til deres histologiske egenskaper . Det er derfor et verktøy spesielt brukt i hjerneavbildning. MR-undersøkelser anses for tiden å være trygge for kroppen. Imidlertid er ethvert ferromagnetisk objekt som er følsomt for magnetfeltet ( piercing , pacemaker , visse proteser , etc.) farlig.
Den magnetoencefalografi (MEG) er en teknikk for å måle svake magnetiske felt som induseres av aktiviteten elektro av neuroner i hjernen . I motsetning til MR er det ikke avhengig av tidligere magnetisering av vev. Derfor utgjør tilstedeværelsen av magnetiske objekter ingen risiko.
Den magnetocardiography er en teknikk tilsvarende den foregående for å måle de magnetiske felter som induseres av den elektriske aktiviteten i celler av hjertemuskelen i overkroppen . Det brukes bare veldig lite.

Radioaktivitet

Det brukes i humanmedisin for å utforske (scintigrafi) og til å behandle pasienter ( vektorisert intern strålebehandling ). Det brukes også i laboratoriet ( radioimmunologiske analyser eller RIA). Scintigrafi- teknikker ( kjernefysisk medisin ) er basert på bruk av et radioaktivt sporstoff som avgir stråling detekteres ved hjelp av måleinstrumenter. Disse molekylene preget av radioaktivitet ( radiofarmaka ) er valgt for å binde seg fortrinnsvis til visse celler eller for å spore visse funksjoner i organismen. Et bilde av biodistribusjonen av radioaktivitet produseres og tolkes av en lege. Parametere kan beregnes ( utstøtningsfraksjon av ventrikkel, relativ aktivitet til hver av de to nyrene, etc.). Bildene som er oppnådd kan være plane eller rekonstruerte i form av seksjoner (tomoscintigraphy).

Single-photon emission tomography (TEMP eller SPECT): den bruker utsendelse av gammafotoner med en molekyl merket med en radioaktiv isotop injiseres inn i kroppen.
Positronemisjonstomografi (PET eller PET): det bruker oftest fluorodeoksyglukose , en glukoseanalog merket med en 18F radioisotop som avgir positroner. Disse positronene samhandler i materie og to fotoner på 0,511 MeV sendes ut i en tilfeldighet som tillater deteksjon. Den F-18 kan se av cellene med høy metabolisme , slik som kreftceller eller infeksjoner.

Hver av de to scintigrafiteknikkene har sine fordeler og ulemper. Valget avhenger av diagnosen som er nevnt, men også av tilgjengeligheten av radiofarmaka og PET-kameraer.

De mest brukte radionuklidene er 99m Tc i konvensjonell scintigrafi og 18 F i positronemisjonssintigrafi. Radionuklidene som brukes har ofte veldig korte fysiske halveringstider (seks timer for 99mTc, to timer for 18F). Til reduksjonen knyttet til den fysiske perioden av radionuklid er lagt til som er knyttet til den biologiske perioden .

De vanligste skanningene er skanning av bein , lungeskanning, ventilasjon og perfusjon , skjoldbruskskanning , myokardial scintigrafi , bestemmelse av utkastningsfraksjonen til venstre ventrikkel ... Men praktisk talt alle organer og alle funksjoner kan utforskes ved denne metoden.

I et stort antall tilfeller kan de scintigrafiske bildene i seksjoner (funksjonelle) assosieres med strukturelle bilder (oppnådd av røntgenskanner) og gir fusjonsbilder veldig nyttige for diagnose .

Røntgenbilder

Bruk av røntgenstråler er vanlig praksis. Disse strålene, som gammastråler, er ioniserende og derfor farlige. Spesielt kan bestråling av en celle i den mitotiske fasen forårsake en mutasjon av DNA og som kan forårsake utseende av kreft ved termin. Men takket være stråleverntiltak er risikoen i X-undersøkelser begrenset så mye som mulig.

Forskjellige typer eksamener bruker røntgen:

Radiografi ved bruk av røntgen og noen ganger injeksjon av kontrastmiddel . Bildene som er oppnådd er projeksjoner av organer og forskjellige systemer langs et plan. Vanligvis brukes røntgen for beinsystemet fordi det er det mest synlige systemet på en røntgen av kroppen.
Røntgen computertomografi (røntgen skanner ). Bildene som er oppnådd er millimeter (eller inframillimeter) seksjoner som kan studeres i alle verdensplaner, samt tredimensjonale bilder.
den tomosynthesis , som er en tomografisk avbildning modalitet anskaffelse ble gjort på en mindre vinkel enn CT, og med færre fremspring, som tillater å begrense dosen av stråling levert.
den volumetriske bildekeglebjelken (eller kjeglebjelken ) gir et nøyaktig bilde av mineraliserte vev (tenner, brusk, bein) header eller små kroppsdeler håndledd, ankler) eller spredning av et kontrastprodukt.
Røntgen-to-fotonabsorpsjon (DEXA) som måler beinmineralt innhold ( bentensitometri ).

I USA bestemte FDA seg i 2010 for å stramme kontrollen, med tanke på at røntgen-tomografi (CT) og fluoroskopi er de viktigste undersøkelsene som forklarer økningen i eksponering for ioniserende stråling hos pasienter. ifølge American Cancer Institute , induserer disse overdoseringene 29 000 kreftformer per ekstra år og 15 000 dødsfall i landet.

Det er det samme over hele verden. Myndighetene insisterer på den nødvendige begrunnelsen for disse handlingene, for øyeblikket uerstattelig for å stille pålitelige diagnoser og foreta prognostiske evalueringer. Spesielt bør ikke egenregistrering av slike undersøkelser tillates.

Ultralyd

Ultralyd , ved hjelp av ultralyd . Bildet som fås er en del av det studerte organet. Den kan være forbundet med et Doppler- undersøkelse analysering av hastigheten til blodet i karene eller i hjertekamrene , eller med en måling av Youngs modul ved kopling til en lavfrekvent vibrasjon (teknikk av årene 2005 ).
Høyfrekvent ultralyd ved bruk av ultralyd med en frekvens større enn 20 MHz. Denne teknikken gjør det mulig å skaffe bilder med bedre oppløsning, men inntrengningsdybden forblir lav, derav den dominerende bruken i veterinærutforskning og dermatologi hos mennesker.

Lysstråler

Den funksjonelle nær-infrarøde spektroskopien ved hjelp av et mål på den optiske banen til lyset som sendes ut av en infrarød kilde for å utlede målinger av oksygeneringsområder av vev gjennom (vanligvis hjernen) for å utlede dens aktivitet.

OCT-teknikker ( optisk koherent tomografi ) gjør det mulig å få et bilde ved å produsere optisk interferens under overflaten av det analyserte vevet. Disse forstyrrelsene måles av et kamera (full-field OCT) eller av en dedikert mottaker (tradisjonell OCT). Disse teknikkene er ikke-destruktive og ufarlige.

OKT fullt felt . Det er den mest effektive av OLT-teknikkene. Det resulterende bildet er en virtuell optisk biopsi. Det er en teknikk under utvikling som, takket være oppløsningen (1 µm i de tre dimensjonene X, Y, Z), kan se mobilorganisasjonen i 3 dimensjoner. Bildene er tatt i plan, som bilder tatt over vevet, men på forskjellige dybder under overflaten av det observerte vevet. Denne teknikken bruker en hvit lyskilde (bredt spekter).
Tradisjonell OLT . Bildet som oppnås er en del av det studerte vevet. Oppløsningen er i størrelsesorden 10 til 15 μm . Denne teknikken bruker en laser for å lage bildene.

Den diffus optisk tomografi benytter også de nære infrarøde lysstråler (600 nm til 900 nm ) for å observere det menneskelige legeme i tre dimensjoner.

Outlook, Outlook

Tekniske og datatrender bør gjøre det mulig å ha mer og mer presise bilder (molekylær bildebehandling i visse tilfeller), ervervet raskere og med mindre stress for pasienten, muligens gjengitt tredimensjonalt og animert, og synlig på avstand .

Automatisk støtte for bildetolkning utvikles trolig gjennom programvare- og programvarebiblioteker for bildebehandling og algoritmer for kunstig intelligens .

Spredningen av teknikker og deres komplementaritet presser fremgang i retning av såkalt multimodal bildebehandling der dataene fra flere teknikker ervervet samtidig eller ikke blir justert , det vil si satt i korrespondanse i samme dokument. For eksempel er det mulig å legge morfologien til hjertets konturer på MR på det samme bildet med informasjon om mobiliteten til veggene som oppnås ved Doppler-ultralyd . Nylige, " interoperable " avbildningsenheter lar noen ganger produsere multimodale bilder under en enkelt undersøkelse (for eksempel hybrid CT-SPECT-systemer). I tillegg kan bildet muligens animeres (hjerterytme) og presenteres i 3xD-blokk. For å produsere multimodale bilder er to metoder mulige: en er basert på sammensmelting av bilder oppnådd ved forskjellige prosesser, og derfor på forskjellige tidspunkter, noe som medfører vanskeligheter med å justere bildene når pasienten ikke var i nøyaktig samme posisjon da bildet ble tatt. . Den andre metoden består i å utvikle multifunksjonsmaskiner som er i stand til å anskaffe flere typer forskjellige bilder samtidig på samme pasient, og deretter slå dem sammen, muligens i nær sanntid.

Mikroskopi bør også utvikle seg, med for eksempel plasmonisk påvisning av nano-objekter, automatiske analyseenheter, høyoppløselig 3D-avbildning eller 3D-animasjon, muligens i sanntid og mer presis, nyttig for eksempel for behovene til nevrologi, genetikk eller kreft. forskning (for eksempel for bedre å studere stedene for celleadhesjon; et fransk-tysk team var således i stand til i 2012 å produsere ekvivalent av en film som presenterer bevegelsen av proteiner som er essensielle for en celles liv).

Merknader og referanser

(in) Steve Webb , " Fysikkens bidrag, historie, innvirkning og fremtid i medisin " , Acta Oncologica , nr . 48,2009, s. 169-177 ( ISSN 0284-186X , les online )
(de) Wilhelm Röntgen , " Über eine neue Art von Strahlen " , Aus den Sitzungsberichten der Würzburger Physik.-medic ,Desember 1895( les online )
(in) Otto Glasser, " Engelsk oversettelse av publikasjonen av Wilhelm Röntgen" Über eine neue Art von Strahlen " " [ arkiv5. november 2010] , på mindfully.org/ ,1945(tilgjengelig på en st januar 2011 )
(i) " røntgen " , på science.hq.nasa.gov/ (tilgjengelig på en st januar 2011 )
(i) " Nobelprisen i fysikk 1901 - Wilhelm Conrad Röntgen " , på nobelprize.org (tilgjengelig på en st januar 2011 )
Jannin P, Grova C & Gibaud B, “Data fusion in medical imaging: methodological review based on the clinical context” ITBM-RBM 2001; 22 (4): 196-215.
Berrington de Gonzales. A et al. 2009, Arch intern Med 199, 2071-7
Supersonic Shear Imaging transient elastography teknikk, modellfeil {{Archive link}} : skriv inn en " " parameter . |titre=
Ralph Weissleder , “ Molecular Imaging: Exploring the Next Frontier, ” Radiology , vol. 212, n o 3,1999, s. 609-614 ( ISSN 0033-8419 , DOI 10.1148 / radiologi.212.3.r99se18609 )
Sarrut D, multimodal registrering og medisinsk avbildningsplattform for ekstern tilgang , doktorgradsavhandling, University of Lyon 2, 2000.
(in) Townsend DW Beyer & T, "A combined PET / CT scanner: the path to true picture fusion," British journal of radiology 2002; 75: S24-S30.
L. Douillard og F. Charra (2006) Optikk av nano-objekter - Bidrag fra fotoelektronmikroskopi PEEM DRECAM / SPCSI / Groupe Nanophotonique
Drezet A, Det optiske nærfeltet og påvisning av individuelle molekylære nanoobjekter , doktorgradsavhandling forsvarte ved Universitetet i Grenoble 1, 2002.
Bevegelsen av proteiner som er essensielle for livet til en celle filmet for første gang Communiqué of the University Joseph Fourier av 9. oktober 2012

Se også

Bibliografi

Doktoravhandling om HAL P. Etevenon. Metodisk studie av kvantitativ elektroencefalografi]. Bruk på noen få eksempler . Statlig doktorgradsavhandling i naturvitenskap,29. november 1977, Pierre et Marie Curie University, Paris VI, 303 s., Copédith, Paris, 1978. Archive ouverte HAL Pierre og Marie Curie University, online konsultasjon: [1]