La tomodensitométrie 4D

1− ^{DF OV}_2R s  (2.11) avec Rs la distance entre la source et l’isocentre.

L’acquisition TDM 3D standard de structures mobiles aboutit à la formation d’un flou cinétique (absence de netteté des contours des structures mobiles) dans les images reconstruites, restituant l’excursion des objets en mouvement (voir Figure 2.10).

Figure 2.10 – Illustration du flou cinétique dû au mouvement des structures lors d’une acquisition TDM 3D standard.

En plus de l’excursion du mouvement, il est parfois aussi nécessaire de connaitre la position des structures à chaque instant. C’est pourquoi des scanners 4D ont été mis au point. Les détails du fonctionnement de ces systèmes et de leur utilisation sont développés dans la partie suivante.

2.1.3 La tomodensitométrie 4D

2.1.3.1 Principe

Essentiellement utilisée pour les explorations cardiaques, thoraciques ou abdomi-nales, la TDM 4D consiste à synchroniser l’acquisition des données avec l’acquisition d’un signal représentant le mouvement physiologique de la zone explorée. Dans le cas d’une exploration cardiaque, le signal de synchronisation sera l’électrocardiogramme du patient, donné par un électrocardiographe [Grass et al. 2003]. Pour une explora-tion thoracique ou abdominale supérieure, le signal utilisé sera le signal respiratoire [Ford et al. 2003, Low et al. 2003, Vedam et al. 2003, Pan et al. 2004, Keall et al. 2004]. Ce dernier peut être acquis par la mesure de différents paramètres externes corrélés au mouvement des structures internes :

– La hauteur de l’abdomen : La technique consiste à suivre le mouvement d’un objet posé sur l’abdomen du patient, soit mécaniquement, soit par une méthode optique [Vedam et al. 2003, Pan et al. 2004]. L’inconvénient de cette technique est que la reproductibilité du signal obtenu est affectée par le positionnement de l’objet et du patient [Lu et al. 2005].

Chapitre 2 : Acquisition d’images TDM en présence de mouvements respiratoires

– Le volume d’air courant : L’utilisation d’un spiromètre permet de suivre l’évolu-tion du volume d’air inspiré et expiré au cours de la respiral’évolu-tion [Low et al. 2003]. Le signal obtenu présente une meilleure reproductibilité que celui obtenu par suivi de la hauteur de l’abdomen mais il peut être sujet à une dérive [Lu et al. 2005]. Le couplage de l’information du spiromètre avec celle obtenue par suivi de la hauteur de l’abdo-men peut permettre de corriger cet inconvénient [Zhang et al. 2003,Lu et al. 2005]. – Le diamètre de l’abdomen : La variation du diamètre de l’abdomen est obtenue en mesurant à l’aide d’une ceinture abdominale la variation de pression engendrée par la respiration [Kubo & Hill 1996, Kriminski et al. 2005]. L’amplitude et la reproductibilité du signal obtenu dépendent fortement du positionnement de la ceinture.

– La température du flux d’air : La variation de température induite par le flux d’air expiré et inspiré est mesurée à l’aide d’un thermocouple placé à l’entrée d’un masque dans lequel le patient respire [Wolthaus et al. 2005]. L’utilisation d’un tel système doit cependant tenir compte d’un délai entre le signal mesuré et le mouvement des structures internes [Wolthaus et al. 2006].

– L’information dans les données acquises : Le signal peut aussi être extrait en mesurant la variation de l’information au sein des données acquises, représentant directement la variation de position des structures internes [Pan et al. 2004].

Les données acquises peuvent ainsi être triées, de manière prospective ou rétrospective, en fonction de leur position dans le signal respiratoire. Le tri des données peut être basé sur l’amplitude du signal [Low et al. 2003,Wink et al. 2006,Li et al. 2012] (voir Figure 2.11) ou sur la phase du cycle respiratoire [Ford et al. 2003,Vedam et al. 2003,Pan et al. 2004,

Keall et al. 2004] (voir Figure 2.12). Il est alors possible de reconstruire une image volu-mique pour chaque position, représentant l’état des structures mobiles dans différents états quasi-statiques.

Inspiration Mi-expiration Expiration Mi-inspiration Signal

respiratoire

Temps

Figure 2.11 – Représentation schématique du principe de tri en amplitude des données TDM 4D. Les points sur le signal représentent les données acquises à intervalles de temps réguliers.

Introduction

Inspiration Mi-expiration Expiration Mi-inspiration Signal

respiratoire

Temps

Figure 2.12 – Représentation schématique du principe de tri en phase des données TDM 4D. Les points sur le signal représentent les données acquises à intervalles de temps réguliers.

2.1.3.2 La projection des intensités maximales

Dans le cas d’une tumeur pulmonaire, il est possible d’obtenir l’excursion maximale de la tumeur en reconstruisant une image de projection des intensités maximales (MIP) des différentes phases [Underberg et al. 2005, Bradley et al. 2006, Cai et al. 2007,

Rietzel et al. 2008, Ezhil et al. 2009, Park et al. 2009, Mancosu et al. 2010,

Zamora et al. 2010]. Chaque voxel de l’image MIP correspond au voxel le plus

in-tense parmi toutes les phases (voir Figure 2.13) :

S_{M IP}(x, y, z) =max^N

t=1 [S(x, y, z, t)] (2.12)

avec S(x, y, z, t) la valeur du voxel de coordonnées spatiales (x, y, z) dans l’image de la phase t, N le nombre de phases et SM IP(x, y, z)la valeur du voxel de coordonnées spatiales (x, y, z)dans l’image MIP.

Ainsi, l’excursion de la tumeur est restituée sans flou, contrairement à une acquisition TDM 3D standard (voir paragraphe 2.1.2).

Inspiration Expiration TDM 3D standard MIP

Figure 2.13 – Restitution de l’excursion d’une tumeur pulmonaire sans flou avec l’image MIP.

Chapitre 2 : Acquisition d’images TDM en présence de mouvements respiratoires

Cependant, une précaution est à prendre quant à l’utilisation de l’image MIP lorsque l’objet dont on veut connaitre l’excursion se trouve à proximité de structures de densités proches ou supérieures à celles le composant (diaphragme, médiastin, até-lectasie...) [Underberg et al. 2005,Bradley et al. 2006,Pan et al. 2007,Rietzel et al. 2008,

Ezhil et al. 2009, Mancosu et al. 2010]. Si ces structures sont situées à une distance infé-rieure à l’amplitude du mouvement de l’objet, ce n’est pas l’excursion de cet objet qui va ressortir mais celle des structures voisines (voir Figure 2.14. Les conséquences cliniques de cette limitation sont discutées plus en détails dans le chapitre 3. En revanche, si les densités environnantes sont effectivement supérieures, la projection des intensités minimales (mIP) peut être utilisée [Liu et al. 2012].

Inspiration Mi-expiration Expiration MIP

Figure 2.14 – Problème de l’utilisation de l’image MIP en présence d’un objet mobile à proximité de densités similaires. La tumeur est contourée sur différentes phases et son excursion mise en évidence par l’image MIP est sous-estimée.