Traitement des signaux physiologiques

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Traitement des signaux physiologiques

• F.KOHLER

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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

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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.

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Traitement des signaux physiologiques

• Principes de la numérisation
• Le signal électrique issu du capteur fait l'objet
  d'un traitement analogique (amplification,
  filtrage...) puis subit une conversion
  analogique-gtdigitale 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)

Conversion Analogique/Digitale
Traitement Numérique
Capteur
Traitement Analogique
Patient
Appareillage Biomédical classique
Micro-ordinateur
Amplitude
Valeurs des points acquis
Signal analogique
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Conversion analogique-gtnumérique

• La transformation analogique-gt 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.

D'après "Informatique médicale P. Degoulet, M.
Fieschi" Masson
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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

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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

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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 0,20,2 mm.

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Codage en intensité
Numérisation des images

• 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 !!!

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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).

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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

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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)

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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.

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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.

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Principes de base du traitement des images

• Chaîne de traitement des images

Numérisation
Traitement
Image numérisée (digitale)
Image source analogique
Image restaurée
d2 cm l 5 L 10
Interprétation
Propositions diagnostiques ....
Calcul de paramètres
Segmentation Extraction de contours...
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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 cervico-vaginaux
• 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

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Exemples

• Quantification du degré d'une sténose coronaire
• Identification des chromosomes
• Guidage robotisé en chirurgie stéréotaxique
• Interprétation automatique en anatomie
  pathologique

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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...

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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).

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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.

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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