Transcript Traitement des signaux physiologiques F.KOHLER

Traitement des signaux
physiologiques
F.KOHLER
Traitement des signaux
physiologiques
 Objectifs
 Citer les principes de la numérisation des
signaux physiologiques
 Connaître l'aide apportée par les
techniques de traitement du signal à la
pratique clinique courante. Argumenter à
partir d'exemple
 Expliquer la nécessité d'intégrer les
données en provenance de plusieurs
sources pour aider à la décision
Traitement des signaux
physiologiques
 Situations
 Mesures répétitives et rapprochée de paramètres
physiologiques : enregistrement des signaux
électriques (ECG, EEG, potentiel évoqués...), de
meurer des pressions (TAS, TAD...), des fréquences
(FC, FR), des débits ou des températures.
 D'une façon générale, les signaux physiologiques
varient de manière continue au cours du temps.
 Le recueil s'effectue grâce à un capteur d'entrée qui
transforme le signal d'entrée (pression,
température...) en un signal électrique qui peut être
amplifié et visualisé sur un écran cathodique.
Traitement des signaux
physiologiques
 Principes de la numérisation

Patient
Amplitude
Le signal électrique issu du capteur fait l'objet d'un
traitement analogique (amplification, filtrage...) puis subit
une conversion analogique->digitale qui consiste à
échantillonner à fréquence fixe le signal pour en donner
une valeur comprise entre un minimum et un maximum
avec un nombre de valeurs possibles fini (256 si on utilise
une conversion A/D sur 8 bits)
Capteur
Appareillage
Biomédical classique
Signal analogique
Traitement
Analogique
Conversion
Analogique/Digitale
Traitement
Numérique
Micro-ordinateur
Valeurs des points acquis
Conversion analogique->numérique



D'après
"Informatiqu
e médicale
P. Degoulet,
M. Fieschi"
Masson
La transformation analogique-> numérique est
imparfaite. La perte d'information due la transformation peut être
contrôlée par le choix de la fréquence d'échantillonnage et par le
nombre de bits affecté à chaque mesure.
Pour N bits affecté à la mesure, on peut distinguer 2 puissance N
valeurs.
La fréquence d'échantillonnage doit être au moins du double de la
fréquence du signal échantillonné. Par exemple pour le traitement
de l'électrocardiogramme, on échantillonne à une fréquence de
500 HZ.
Techniques de base
 Amélioration du signal recherché
 Augmentation du rapport signal/bruit par des
techniques de moyennage de signal et
d'autocorrélation ou par des techniques de
filtrage numérique.
 Extraction de traits pertinents
 Analyse de Fourier pour l'EEG quantifié par
exemple
 Reconnaissances de formes
 Reconnaissance d'extrasystoles auriculaires ou
ventriculaires
Applications médicales
 Analyse de l'ECG
 Aux USA 50% des tracés ECG sont analysés de
manière automatique par un ordinateur. Les
enregistrements peuvent être stockés sous
forme numérique. A partir des séquence ECG,
les programmes permettent la mesure des
différents paramètres (P-R, Q-T, R-R...) mais
également l'interprétation des tracés
pathologiques (extrasystole, trouble de la
repolarisation)
 La technique de Holter d'enregistrement continu
de l'électrocardiogramme en ambulatoire aboutit
à une cassette magnétique lue et interprétée par
un ordinateur.
Applications médicales
 Analyse de l'EEG
 Il s'agit essentiellement d'une quantification et
d'une aide à l'interprétation.
 Utilisé pour le PEV et PEA mais aussi pour
l'analyse du sommeil
 Mesure ambulatoire de la tension artérielle
 Comme pour le signal ECG, la pression artérielle
est mesurée périodiquement (la fréquence est
déterminée par le clinicien : toutes les 5, 10,...
minutes) à l'aide d'un brassard et d'un
enregistrement sur une cassette magnétique qui
est ensuite analysée par un ordinateur.
Surveillance en soins intensifs


Certains systèmes commercialisés (HP notamment) permettent
d'intégrer la plupart des paramètres physiologiques qui sont
surveillés en réanimation (pression artérielle, ECG, fréquence
cardiaque, débit urinaire, débits de perfusion, paramètres
biologique fondamentaux (PO2, glycémie...)
Les fonctions disponibles permettent :







De présenter les résultats sous forme appropriée
(graphique)
D'interpréter les informations (calculs instantanés,
calcul de tendances sur des périodes prolongées...
D'interpréter des profils d'évolutions
De déclencher des alarmes de plus en plus "intelligentes"
sachant distinguer artefacts (déplacement d'une électrode
par exemple) de phénomènes réels
d'effectuer des rétrocontrôles automatiques
La multiplicité des sources de saisie de signaux physiologiques
nécessite le développement d'interfaces standards tant matériels
que logiciels tels le medical information bus
Ces systèmes peuvent s'intégrer dans les SIH
Conclusions
 La



numérisation des signaux
améliore la qualité par les traitements qu'elle permet
facilite la transmission sur longues distances
facilite l'interprétation (analyse automatique,
tendance)
 apporte une aide à la décision
 permet la surveillance automatique
 L'intégration dans un SIH permet de tenir compte des
autres informations quelque soit la nature et l'origine
des données facilitant la conception de systèmes
globaux d'aide à la décision.
Traitement des images médicales
 Objectifs
 Connaître les principes de la numérisation des
images médicales
 Décrire la chaîne de traitement des images
 Citer les avantages de la numérisation des
images médicales
 Connaître quelques traitements de base
pratiqués sur les images numériques
 Savoir définir un système de communication et
d'archivage d'images (PACS) dans un SIH
Traitement des images médicales
 L'image en médecine
 Occupe une place prépondérante et vient juste
après l'interrogatoire et l'examen clinique.
 Provient soit d'une observation directe : lésion
cutanée, lame d'histologie, endoscopie, soit de
système biophysique : radiographie,
échographie, soit enfin d'une reconstruction
mathématique scintigraphie, TDM, IRM...
 Peut être statique : RP, ou dynamique
coronarographie
Traitement des images médicales
 La numérisation primaire (scintigraphie) ou
secondaire (histologie) des images :
 Facilite leur traitement
 Permet un stockage aisée (place, indexation,
recherche...)
 Permet la transmission à distance
 Les traitement des images
 Nécessite des stations de travail puissantes tant
en terme de capacité de calcul que de mémoire
de masse
 Représente tout une branche de l'informatique
médicale rattachée à la biophysique
L'informatique et le traitement
des images

L'informatique intervient


Directement dans la génération de certains types d'images qui ne
peuvent être obtenues autrement TDM, Scintigraphie...
Dans le traitement de tous types d'images pour






Améliorer la qualité de l'image : luminosité, contraste, filtrage...
Déterminer des paramètres quantitatifs d'intérêt clinique : taille d'une
tumeur, densité osseuse...
Proposer des interprétations : reconnaissance de forme, calcul de doses
de radiothérapie, calcul de trajets...
Etablir des boucles de rétrocontrôle : gestes chirurgicaux assistés par
ordinateur
Le stockage des images numérisées sur des périphériques adaptés
(disques magnétiques, CD-ROM, CD-photo facilite la gestion des
images et leur accessibilité
La télétransmission des images aussi bien à l'intérieur d'un hôpital
qu'entre hôpitaux est à la base de la télémédecine en permettant à
plusieurs experts distants d'émettre un avis pour une meilleure
prise en charge du patient
Numérisation des images
 Les trois codages
 Codage spatial
 Codage en intensité
 Codage temporelle
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Codage spatial
 Les images sont traitées sous la forme d'un tableau
de chiffres. Un tableau à 2 dimensions (x,y) permet
de représenter une image simple dite 2D. Chaque
élément du tableau (cellule) correspond à une
surface carrée élémentaire ou pixel. Si l'on considère
un volume, un tableau à 3 dimensions est nécessaire
(x,y,z). Chaque élément représente alors un volume
élémentaire ou voxel.
 La taille d'un pixel représente la résolution spatiale.
Plus la taille est petite (donc plus le nombre de pixel
par unité de surface est grand) moins la numérisation
fait perdre d'information par rapport à l'image
source. Pour une radiographie standard on considère
que la taille maximale d'un pixel doit être de 0,2*0,2
mm.
Numérisation des images
Codage en intensité



La densité (sombre ou claire) de chaque pixel est codée sur un
nombre d de bits. Si d =1, on ne sait par pixel que coder du
noir ou du blanc. A partir d'un certain seuil, on décide que
c'est noir, avant c'est blanc. Si d = 8, on sait représenter 256
(2 à la puissance d) niveaux de gris. Ce nombre détermine la
résolution de contraste.
Ainsi, si N et M représente le nombre de lignes et de colonnes
d'un tableau de pixel et d le nombre de bits nécessaire pour
coder un pixel, il faut N * M * d bits pour coder la totalité de
l'image.
Exemple une radio 300 mm * 400 mm (RP) représente un
tableau de 300 * 400 * 5 pixels = 600 000 pixel. Si l'on désire
obtenir 256 niveaux de gris on aura une taille de 600 000 * 8
= 4 800 000 bits ou 600 000 octets soit environ 586 Ko. Ainsi,
vous stockez environ 2 RP sur une disquette !!!
Codage temporelle
 Il s'applique pour les images
dynamiques. La résolution temporelle
mesure le temps nécessaire pour créer
une image.
 Une application temps réelle peut
nécessiter la génération de 30 images
par seconde pour obtenir une image
nette de l'organe (coeur par exple).
Dans la pratique
 Les systèmes d'acquisition d'image (comme
les scanner utilisés en PAO) utilisent des
matrices de puissance de 2.
 Le codage de la couleur se fait sur chaque
pixel par un certains nombres de bits pour
les 3 couleurs Rouge, Vert, Bleu
 Devant la taille gigantesque que peuvent
atteindre certaines images, des techniques
de compression des images ont été
proposées
Sources d'acquisition des images
médicales
 La radiographie conventionnelle
 Utilise les rayons X. L'image est enregistrée sur
un film radiographique. La digitalisation est faite
à partir du film à l'aide d'un scanner. La
digitalisation peut également être faite
directement grâce à l'utilisation de systèmes
spécifiques (plaques au phosphore en
remplacement des films traditionnels).
 L'angiographie numérisée
 Visualise la vascularisation en sous-trayant de
l'image les structures indésirables (os, tissus
mous)
143
Sources d'acquisition des images
médicales
 La tomodensitométrie
 Utilise les rayons X. Mais l'image est reconstruite
à partir de l'atténuation des rayons dans
différentes directions et n'est pas une
observation directe.
 L'imagerie par résonance magnétique
nucléaire
 Permet de créer une image reconstruite à partir
des émissions radio réalisées par le retour à
l'état initial des atomes soumis à un champs
magnétique intense.
 L'image dépend de la nature du tissus et du
métabolisme.
Sources d'acquisition des images
médicales
 L'échographie
 Est basée sur l'émission à partir d'une sonde
acoustique d'ultrasons et l'analyse de leurs
réflexions.
 La scintigraphie
 Est obtenue à partir de l'injection d'un traceur
radio-actif dont la gamma caméra permet de
capter les émissions.
 L'endoscopie, l'examen du fond d'oeil, les
images issues de l'examen au microscope...
peuvent également donner lieu à
numérisation.
Principes de base du traitement des
images
 Chaîne de traitement des images
Numérisation
Image source
analogique
Traitement
Image numérisée
(digitale)
d=2 cm
l=5
L = 10
Segmentation
Extraction de
contours...
Image restaurée
Interprétation
Propositions
diagnostiques
....
Calcul de
paramètres
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Traitements des images

Traitements







Augmentation du rapport signal / bruit par des techniques de
filtrage
Modification du contraste et de la luminosité
Mise en pseudo-couleurs
Extraction de contours
Calculs de paramètres : surface, densité, volume...
Interprétation automatique par exemple des frottis cervicovaginaux
Liaison avec des systèmes à base de
connaissances

La liaison avec des systèmes à base de connaissances peut
intervenir dans toutes les phases du traitement pour améliorer
les performances du système
Exemples
 Quantification du degré d'une sténose
coronaire
 Identification des chromosomes
 Guidage robotisé en chirurgie
stéréotaxique
 Interprétation automatique en
anatomie pathologique
Intégration dans le SIH : PACS


Pour archiver, communiquer et transmettre des images
produites par un hôpital des systèmes spécifiques ont été
développés : Picture Archiving and Communication System
(PACS).
Il permettent :




D'assurer la conservation des images numériques sans
détérioration de leur contenu
Un accès rapide et facile aux personnes autorisées
Un traitement local au niveau des centres producteurs et
utilisateurs
D'intégrer des images venant de différentes sources :
scintigraphie, radiologie traditionnelle avec numérisation
secondaire...
PACS

Volumes de stockage et débit de transmission


Les volumes de stockage sont très importants et nécessitent la
mise en place de serveurs d'images adaptés comme des juke box
de disques opto-numériques.
La taille d'une image elle même nécessite pour la transmission des
réseau à haut débit pour que la transmission puisse se réaliser
dans des délais raisonnables (moins de 5 minutes pour les
transmissions à grandes distances).
PACS
 Les postes de travail
 Il faut distinguer :
 Les stations de traitement et
d'interprétation dotées d'écran haute
résolution elles sont équipées de capacité
de traitement numérique spécifique
(processeur spécialisé...)
 Les stations de visualisation dotées elles
aussi d'écran haute définition elles ont des
capacités de traitement réduites et sont le
plus souvent des micro-ordinateurs
standards.
Discussion
 Perpectives intéressantes pour :
 La prise en charge quotidienne des patients
 La recherche et l'amélioration des connaissances
médicales
 Secteurs en pleine effervescence
 Intégration dans le SIH
 Autoroutes de l'information
 Télémédecine
 Décloisonnement
 Equipes pluridisciplinaires : Imagistes
(radiologues....); Cliniciens et informaticiens
 Mise à disposition de systèmes d'échange et de
communication et praticiens