Fiche de révision : Imagerie numérique et IRM

📋 Plan du Cours

1. Imagerie médicale et révolution numérique
2. Numérisation et représentation des images
3. Couleurs et formats d’image
4. Traitements pixel par pixel
5. Morphologie et filtrage spatial
6. Segmentation et détection des contours
7. Fréquences spatiales et Fourier
8. Principes physiques de l’IRM
9. Relaxation et contraste tissulaire
10. Acquisition et reconstruction IRM
11. Séquences, sécurité et post-traitement
12. Interprétation diagnostique des images IRM

📖 1. Imagerie médicale et révolution numérique

★ À maîtriser

• En 1896, Roentgen découvre les rayons X en observant les os de la main et des pieds, avant que la radioprotection ne soit d’actualité.

• L’imagerie médicale diagnostique, d’abord récente, est rapidement devenue universelle et comprend notamment la radiographie, l’échographie, la scintigraphie, le scanner X et l’IRM.

📌 La révolution numérique remplace l’image physique analogique par une image informatisée, alors que les principes physiques d’acquisition restent les mêmes.

Compléments

• Selon la loi de Moore telle qu’énoncée dans le cours, la puissance des microprocesseurs et la capacité de traitement numérique doublent tous les 18 mois.

📖 2. Numérisation et représentation des images

🔑 Notions clés & Définitions

• Numérisation : Prélèvement d’un signal continu à intervalles réguliers afin de le transformer en une suite finie de valeurs numériques traitables et stockables.
• Période d’échantillonnage : Intervalle de temps séparant deux mesures consécutives d’un signal.

📝 Points essentiels

📐 Formule - La fréquence d’échantillonnage est l’inverse de la période d’échantillonnage : $f_e = \frac{1}{\Delta t}$.

• 🔄 La digitalisation d’une image suit ces étapes :

  1. Appliquer une grille de pixels à l’image.
  2. Attribuer une valeur à chaque cellule.
  3. Coder les pixels en binaire et les stocker.

• Le théorème de Shannon indique qu’un signal est intégralement représenté après numérisation si sa fréquence d’échantillonnage est au moins le double de sa fréquence maximale.

📖 3. Couleurs et formats d’image

🔑 Notions clés & Définitions

• Pixel : Élément cellulaire de base d’une image numérique.

★ À maîtriser

• Une image numérique médicale est caractérisée par ses dimensions ou champ de vision, sa résolution et son codage en bits.

• Un octet contient 8 bits et permet de coder 256 valeurs différentes, soit 256 niveaux de gris pour une image codée sur un octet.

Compléments

• Les formats d’image cités sont :
  • TIFF
  • GIF
  • JPEG
  • BMP
  • PNG
  • DICOM, destiné à l’imagerie médicale et pouvant contenir les informations d’un examen

• Une image couleur RGB codée sur 3 octets représente environ 16 millions de couleurs, tandis que le système HSL décrit les couleurs par la teinte, la saturation et la luminosité.

📖 4. Traitements pixel par pixel

🔑 Notions clés & Définitions

• Histogramme d’image : Représentation du nombre de pixels correspondant à chaque valeur de la plage dynamique.

★ À maîtriser

• Le traitement pixel par pixel transforme chaque pixel indépendamment de ses voisins.

📐 Formule - Pour une dynamique comprise entre $V_{\min}$ et $V_{\max}$, le négatif inverse les intensités selon $V' = V_{\min} + V_{\max} - V$.

Compléments

• Un histogramme concentré vers les faibles valeurs de gris correspond à des nuances sombres, tandis qu’un histogramme concentré vers les valeurs élevées correspond à des nuances claires.

• L’égalisation d’histogramme transforme la distribution des niveaux de gris afin de rendre leur probabilité uniforme sur la plage dynamique.

📖 5. Morphologie et filtrage spatial

★ À maîtriser

• Le filtrage médian remplace le pixel central d’une fenêtre impaire par la médiane de ses valeurs triées, puis déplace la fenêtre sur l’image pour supprimer les bruits impulsionnels.

• L’érosion remplace chaque pixel central par la valeur minimale de son voisinage et réduit ainsi les objets de forte intensité.

• La dilatation remplace chaque pixel central par la valeur maximale de son voisinage et augmente ainsi la dimension des objets de forte intensité.

Compléments

• La fermeture morphologique, qui sert à remplir les trous, est une dilatation suivie d’une érosion.

• L’ouverture morphologique, qui sert à éliminer les petites particules, est une érosion suivie d’une dilatation.

• Le filtre passe-bas moyenneur lisse les transitions de niveaux de gris en remplaçant chaque zone de 3 × 3 pixels par sa moyenne, obtenue en divisant la somme par 9.

💡 Astuce mémo

L’érosion rétrécit les objets blancs, la dilatation les élargit.

📖 6. Segmentation et détection des contours

🔑 Notions clés & Définitions

• Seuillage : Binarisation d’une image par attribution de deux valeurs maximales à deux intervalles d’intensité afin de séparer les structures.

★ À maîtriser

• Le noyau de Sobel X extrait les contours horizontaux, tandis que le noyau de Sobel Y extrait les contours verticaux.

Compléments

• Le vecteur gradient appliqué aux pixels permet de construire une image de module qui décrit les contours dans toutes les orientations.

📖 7. Fréquences spatiales et Fourier

🔑 Notions clés & Définitions

• Fréquence spatiale : Nombre de périodes par unité de distance dans une direction donnée du plan image.

★ À maîtriser

• La décomposition de Fourier représente une fonction périodique comme une somme pondérée de fonctions sinus ou cosinus de fréquences croissantes.

• Dans l’espace de Fourier, une fréquence spatiale est représentée par deux points symétriques par rapport au centre de fréquence nulle.

• La transformée de Fourier directe passe de l’espace image à l’espace k, tandis que la transformée de Fourier inverse permet de revenir de l’espace k à l’image.

Compléments

📌 Plus la fréquence spatiale d’un motif est élevée, plus ses points représentatifs s’éloignent du centre de l’espace k dans la direction perpendiculaire au motif.

📌 Un point de l’espace k, représentant une fréquence, contribue à l’ensemble de l’image et non à un pixel isolé.

💡 Astuce mémo

Basses fréquences au centre de l’espace k ; les hautes s’en éloignent.

📖 8. Principes physiques de l’IRM

★ À maîtriser

• L’IRM fournit une résolution spatiale millimétrique dans les trois plans et une résolution temporelle correspondant au temps d’acquisition, sans irradiation.

• L’aimantation des protons d’hydrogène précesse autour du champ magnétique principal B₀ à la fréquence de Larmor, déterminée par le champ et le rapport gyromagnétique.

• Une impulsion radiofréquence excite les noyaux d’hydrogène à leur fréquence de résonance, puis le retour de l’aimantation vers l’équilibre produit le signal RMN capté par l’antenne.

• Le codage spatial en IRM utilise des gradients de champ magnétique dans les trois directions pour associer les fréquences de résonance à des positions.

Compléments

• Dans un appareil d’IRM, le champ magnétique principal est généralement de 1 à 3 teslas et doit être homogène au centre de la bobine.

📖 9. Relaxation et contraste tissulaire

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps T1 : Constante de temps de la repousse longitudinale de l’aimantation Mz vers sa valeur d’équilibre M₀.
• Temps T2 : Constante de temps de la décroissance de l’aimantation transversale Mxy vers zéro, liée au déphasage des aimantations nucléaires.

★ À maîtriser

• Une augmentation de la quantité d’eau tissulaire de 2 à 3 % peut entraîner une variation des temps de relaxation de 20 à 30 %.

📌 En pondération T1, le liquide cérébrospinal apparaît noir, la substance grise grise et la substance blanche blanche, alors qu’en pondération T2 le liquide cérébrospinal apparaît blanc.

Compléments

📌 La relaxation T2 est environ 10 fois plus rapide que la relaxation T1.

• Les temps T1 et T2 dépendent des propriétés tissulaires, notamment de la quantité et de la mobilité de l’eau ainsi que de ses liaisons chimiques.

💡 Astuce mémo

T1 : repousse longitudinale ; T2 : décroissance transversale.

📖 10. Acquisition et reconstruction IRM

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps d’écho : Temps séparant l’excitation radiofréquence de la réponse mesurée.
• Temps de répétition : Temps séparant deux excitations successives dans un même plan.

★ À maîtriser

📐 Formule - La durée d’acquisition est égale au temps de répétition multiplié par le nombre de lignes : $T_{\text{acquisition}} = TR \times N$.

• 🔄 La reconstruction d’une image IRM en coupe suit ces étapes :
  1. Sélectionner un plan par excitation radiofréquence avec gradient.
  2. Enregistrer les échos codés dans le plan.
  3. Reconstruire la grille par transformée de Fourier bidimensionnelle.
  4. Afficher les valeurs des voxels en niveaux de gris.

Compléments

• La séquence d’acquisition organise les excitations radiofréquences, les gradients spatiaux et la réception du signal RMN.

💡 Astuce mémo

Sélection de coupe, codage spatial, écho, Fourier.

📖 11. Séquences, sécurité et post-traitement

★ À maîtriser

📌 Un TR court accentue les différences de relaxation T1 entre tissus, tandis qu’un TR long laisse davantage les tissus récupérer leur aimantation longitudinale et réduit leur différenciation en T1.

📌 Un TE long accentue les différences de décroissance T2 entre tissus, tandis qu’un TE court les différencie peu.

• Les chélates de gadolinium raccourcissent T1 et produisent un hypersignal T1, mais ils sont contre-indiqués chez les insuffisants rénaux en raison du risque de fibrose néphrogénique.

• L’IRM expose à des risques de déplacement d’objets ferromagnétiques, d’échauffement et de dysfonctionnement de certains stimulateurs électriques.

Compléments

• La séquence FLAIR supprime le signal de l’eau, tandis que la séquence STIR supprime le signal de la graisse en T1.

• Les agents superparamagnétiques à base de fer raccourcissent T2 et produisent un hyposignal en T2.

📖 12. Interprétation diagnostique des images IRM

★ À maîtriser

• Les artéfacts IRM sont de fausses informations visuelles pouvant entraîner des erreurs géométriques ou d’intensité et être dus notamment aux mouvements, à la susceptibilité magnétique, au repliement, à la troncature ou aux déplacements chimiques.

📌 Une lésion expansive tend à correspondre à une lésion évolutive, tandis qu’une lésion rétractile tend à correspondre à une lésion séquellaire ou cicatricielle.

📌 Une lésion intra-axiale se développe à l’intérieur du système nerveux central, tandis qu’une lésion extra-axiale se développe à l’extérieur de celui-ci.

• L’analyse sémiologique examine :
  • la morphologie et la topographie de la lésion
  • son caractère unique ou multiple
  • sa systématisation
  • son extension aux structures voisines

Compléments

📌 En imagerie de diffusion, l’œdème cytotoxique réduit la diffusion de l’eau extracellulaire, tandis qu’une tumeur hypercellulaire présente un nombre accru de cellules et un net hypersignal de diffusion.

• La spectroscopie du proton identifie les métabolites selon leur temps d’écho et peut révéler des métabolites anormaux orientant vers une pathologie tumorale, infectieuse ou inflammatoire.