O. CASELLES – 22 au 24 mai 2003 – ICR TOULOUSE IMAGERIE A HAUTE ENERGIE Du film radiologique à l'image numérique Olivier CASELLES Physicien Médical Institut

O. CASELLES – 22 au 24 mai 2003 – ICR TOULOUSE

IMAGERIE A HAUTE ENERGIE

Du film radiologique à l'image numérique

Olivier CASELLES

Physicien MédicalInstitut Claudius REGAUD

TOULOUSE


INTRODUCTION

Nouvelles contraintes de la radiothérapie

externe :

méthodologiques simulation virtuelle

histogrammes dose-volume

marges diminuées

doses augmentées

technologiques: champs de plus en plus complexes

(multilames, rotations de table, contention...)

nombre de champs de plus en plus élevé

modulation d ’intensité


IMAGE DE CONTRÔLEDe nouveaux défis...


IMAGE DE CONTRÔLE NUMERIQUEArt divinatoire?


IMAGE DE CONTRÔLEHistorique

1942 : visualisation directe au travers d ’un verre

plombé du faisceau d ’irradiation horizontal(RX de 180 kV) grâce à un écran fluorescent visualisation et correction en temps réel de la

balistique (K de l ’œsophage + chaise tournante) premier exemple de radiothérapie conformationnelle

dynamique!

1951 : utilisation de films radiographiques pour le

contrôle de la balistique avant irradiation(K de l ’œsophage, Van de Graaf de 2 MeV) proposition d ’introduction d ’air dans la vessie ou le

rectum comme agents de contraste utilisation de la double exposition pour visualiser les

structures anatomiques en dehors du champ



1950 - 60: utilisation essentiellement diagnostique des

faisceaux de haute énergie, notamment pour les radiographies pulmonaires diminution de la dose aux poumons et au médiastin le grill costal ne gêne plus la visualisation!

1960 : radiographie au cobalt 60 avec des films

standards associés à des écrans en plomb de 1/100ème de pouce environ 30 minutes de développement films utilisés pour le traitement, mais aussi pour

diagnostiquer l ’extension tumorale



1962 : insertion d ’écrans fluorescents entre le film et

les plaques de plomb réduction du temps d ’exposition contraste amélioré?



A partir de 1958: "TeleVision Roentgen system" ou TVR, composé

d ’un amplificateur de brillance couplé à une caméra vidéo tournant autour du patient lors de radiothérapies pendulaires à 200 kV visualisation sur un moniteur déporté seulement 5" de diamètre (12,5 cm),

soit 2,5" au niveau du patient!

"John Hopkins Screen Intensifier", composé d'un écran fluorescent vu par une camera vidéo orthicon au travers d'un système optique de Schmidt (mirroirs + lentilles en série) premières images à haute énergie utilisant un Van de

Graaf de 2 MeV contraste insuffisant des tissus : utilisation de mercure

ou d'air pour visualiser les structures anatomiques



1966 : exposition d'un film lent et de grande latitude

d'exposition placé dans une pochette en carton durant l'intégralité de l'irradiation plus confortable que les cassettes modifiées enregistrement de toute la séance compatible avec un développement standard (90s) première étude de l'apport de l'imagerie de contrôle

dans la précision du positionnement du patient, et dans le contrôle local

Depuis 1996 : introduction progressive de l'imagerie de contrôle

en radiothérapie ayant conduit à l'apparition des dispositifs numérisés temps réel


IMAGERIE HAUTE ENERGIELes contraintes physiques



“image” primaire “image” primaire + diffusée



Le bruit quantique peut masquer certains objets

à bas contraste...

… d’autant plus que l ’objet est de petite

dimension.




Le film argentique : constitution

La clé du système : la gélatine Action physique et chimique

Maintien en suspension des cristaux d’halogénure Absorption des atomes de chrome perméabilité aux solutions aqueuses

Support (200 µm)

Substratum

Émulsion (20 µm)

Couche protectrice


Le film argentique : Constitution

L’élément photosensible de l’émulsion : l’halogénure d’argent

95% de bromure et 5% d’iodure

109 à 1012 grains/cm² Réseau cubique avec

défauts Ions Ag+ libres Atomes de soufre

Les cristaux De 0,5 à 3 µm Volumiques Cubiques ou en T


Le film argentique : traitement

Différentes étapes du traitement de l’émulsion :le développement,le lavage ou l'essorage intermédiaire,le fixage,le lavage final,le séchage.

Chaque étape a une influence sur le noircissement final

Le développement et le fixage sont les étapes les plus sensibles


Le film argentique : notions de sensitométrie

log E

D.O.

Dmax

voileA

B

C

DE

F

Courbe sensitométrique

A : seuilB : pied de courbeC-D : zone de linéaritéE : épaulementF : saturation : contraste

Latituded’exposition


Le film argentique : exposition directe aux photons

Courbe de noircissementJamais linéaire (même pour D < 1 Gy)Utilisation d’un modèle non-linéaire à saturationModèle de Weibull

Correspond bien au modèle « single hit – single target »

DO = DOsat (1- e-D1/

)


Le film argentique : exposition directe aux photons

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00

Dose (Gy)

Den

sité

Op

tiq

ue

Courbe de réponse du film KODAK XOMAT-V pour un faisceau de photons de télécobalthérapie.


Le film argentique : exposition directe aux électrons

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00

Dose en Gy

Den

sit

é o

pti

qu

e

Courbe de réponse du film KODAK XOMAT-V pour un faisceau d’électrons de 12 MeV (polynôme d’ordre 4).


Le film argentique : exposition directe aux RI

Influence des paramètres de l’exposition Profondeur

Variation importante pour le 60Co Variation discutée à 4 et 6 MV Pas de variation mesurable au-delà de 6 MV

Débit de dose Aucune influence dans la gamme des débits de dose usuels Modulation d’intensité?

Énergie Pas de convergence de résultats Pas d’influence mentionnée au-delà de 9 MV Une relation complexe?

Autres Pochette (interface) Opacité du milieu équivalent-tissu (hyper-sensibilisation)


Le film argentique : exposition directe aux RI

Influence du développement


Le film argentique : utilisation d’écrans renforçateurs

Permettent d’augmenter la sensibilité Sont toujours associés à un atténuateur en

métal placé en amont de l’écran

Support (240 µm)

Couche réfléchissante (25 µm)

Luminophore (400 µm)

Couche de protection (20 µm)



Exemple : la cassette EC KODAKÉcran en Gd2O2S:Tb (544 nm)Atténuateur en cuivre (e=1mm)Utilisée avec un film EC-L

Sensibilité beaucoup plus élevée Latitude d’exposition plus restreinte




Les plaques photostimulables (ERLM)

Une solution étudiée par quelques équipes Peu d’études publiées Des questions sur le vieillissement sous

faisceau

A suivre…


IMAGERIE HAUTE ENERGIE

Le film radiologique : avantagesUtilisable sur toutes les machines d'irradiationInvestissement initial modéré + coûts de

fonctionnementArchivageDepuis quelques années, une amélioration

significative des performancesFilms de contrôles ou de vérification


IMAGERIE HAUTE ENERGIE

Le film radiologique : inconvénientsImage en léger différéPas de possibilité de post-traitement pour

améliorer la qualitéPas d'enregistrement de séquences dynamiquesSans une étape de numérisation secondaire

Pas d'archivage numérique Pas de transmission par réseau informatique Pas de recalage avec une image de référence Calibrage spatial délicat

Nécessité de disposer d'un système de développement stable Arrêté 2950


Principe de la conversion analogique/numérique

IMAGERIE NUMERIQUERappels

détection d'un "signal" analogique (continu) échantillonnage (discrétisation) vecteur ou matrice de données numériques mémorisation, stockage, transmission traitement ou/et analyse représentation


IMAGERIE NUMERIQUE Rappels

Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :rapport Signal/Bruit (SNR)

SNR = (n-n ’)/(n+n ’)½

n : bruit de fond (µ, L) n ’ : structure anatomique (µx, Lx)

SNR = [A e-µL (1 + e- + 2F/(1-F)]½ * S/2 (Motz et Danos) A : aire de la structure anatomique : fluence de photons incidents : efficacité quantique du détecteur F : fraction de diffusé S : contraste objet = Lx (µx - µ)

modèle simplifié et optimiste!



Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :rapport Signal/Bruit (SNR)

limitations de l ’imagerie à haute énergie exemple : 1 cm d ’os cortical

20 cm d ’eau

S varie de 0,4 à 0,5 pour un champ de 25 cm de diamètre

Contraste objet: 18,5% à 50 keV1,8% à 1,25 MeV1,4% à 2 MeV1% à 6 MeV

heureusement, un grand nombre de photons parviennent sur le détecteur

photons de haute énergie doses importantes pas de grille



Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :résolution spatiale

caractérisée par la Fonction de Transfert de Modulation (MTF)

calculée à partir de la Fonction de Dispersion Linéique (LSF) par transformée de Fourier, en l ’absence de rayonnement diffusé

Bruit caractérisé par le spectre de puissance de bruit (NPS) la plus grande partie du bruit vient du détecteur lui-

même!



Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :efficacité quantique de détection (DQE(f))

DQE(f) = [SNRout(f) / SNRin(f)]²

DQE(f) = [K² MTF²(f)] / [ NPS(f)] K : constante prenant en compte le gain du détecteur

DQE décroît quand : la résolution diminue,le bruit augmente,le rendement diminue.

Une image de qualité doit pouvoir être obtenue avec une dose relativement faible ( 1 cGy)

Efficacité de détection des rayons X pour des détecteurs à plaque de métal < 2%

conditionne l’efficacité quantique de détection de tous les systèmes (sauf 1)!



Paramètres quantifiant la qualité de l ’image numérique :résolution de contraste

obtenue à partir des images produites grâce à un fantôme

exemple: plaque d ’aluminium de 1,3 cm d ’épaisseur percée de trous dont la profondeur varie entre 0,29 et 4,57 mm et le diamètre entre 1,19 et 12,8 mm

dérive des corrections appliquées: uniformité artefacts


IMAGERIE DE CONTRÔLE NUMERIQUELes différents systèmes

Deux types de détecteurs:

les systèmes à balayage barrettes de diodes barreau scintillant

les systèmes à grand champ écrans photostimulables ouvertures codées matrices de chambres d ’ionisation système à base de caméra vidéo détecteurs au silicium amorphe


DETECTEURSChambres d ’ionisation

Principe

2 plaques d ’électrodes (300 V) orientées à 90° séparées par un liquide diélectrique organique (2,2,4 trimethylpentane)

l ’irradiation du liquide crée des ionisations générant un courant collecté sur les électrodes

256x256 chambres d'ionisation 32,5x32,5 cm² - espacement de 1,27 mm électronique placée derrière les chambres dimensions extérieures : 60 x 60 x 5 cm3

(rétractable) ensemble contrôlé par un ordinateur



Principe balayage des électrodes par application d ’une

haute tension, 1 par 1 (5,5 s) en mode haute résolution ou 2 par 2 en basse résolution (1,5 s)

la création de paires d ’ions est un processus rapide et la recombinaison un processus lent apparition d ’un équilibre après environ 0,5 s d ’irradiation création d ’une image « latente » sur toute la surface une irradiation de plus de 0,5 s n ’augmente pas le signal le signal est augmenté d ’un facteur 6 à 7 grâce à cette

intégration mais la durée de cette intégration est faible par rapport à

la durée de lecture une grande partie du signal produit n ’est pas mesurée il faut une quantité importante de rayonnement pour

produire une image





Avantages et inconvénients

peu encombrant et léger pas de distorsions géométriques pas de partie mobile

pureté absolue du liquide de remplissage nombreuses corrections nécessaires sensibilité aux RI de l'électronique temps d'irradiation importants sensibilité aux variations de débit de photons temps de stabilisation (environ 1 s) avant

acquisition



Image d ’un fantôme de Rando à 8 MV avant (a) et après (b) correction des variations d ’offset et de sensibilité de

l ’électromètre, ainsi que de l ’épaisseur du fluide.


DETECTEURSÉcran fluorescent + miroir + caméra

Principe

plaque métallique associée à un écran fluorescent (oxysulfide de gadolinium)

miroir à 45° + caméra SIT ou CCD (balayage lent) numérisation du signal vidéo





Problème de l ’efficacité de collecte : importante diffusion de

la lumière dans l’écran émission de lumière

isotropique angle de solide de

détection très faible 0,1 à 0,01% des

photons sont détectés



Un compromis! écran phosphorescent épais (400 mg/cm²)

bon rendement de conversion perte de résolution apparition de taches

optiques à large ouverture meilleure collecte des photons lumineux aberrations sphériques dégradation de la résolution sur les bords vignetage

nombreuses corrections en temps réel non uniformité de réponse distorsions



Avantages et inconvénients

couverture de l ’ensemble du champ pas d'électronique dans le champ d ’irradiation acquisition rapide de l'image bonne résolution spatiale mais distorsions légères

système volumineux caméra de très haute qualité de durée de vie

limitée sensibilité de la caméra à l'irradiation directe



Image d ’une région pelvienne à 6 MV avant (a) et après (b) fenêtrage pour améliorer le contraste. Les corrections de

distorsion et de sensibilité ont été appliquées durant l'acquisition. La raquette est visible sur l'image.


DETECTEURS

Écran fluorescent + fibres optiques+ caméra CCD 256 x 256 FO, 40x40 cm²

Matrice linéaire de diodes 256 diodes espacées de 2 mm + balayage

mécanique

Double rangée de cristaux scintillantes 2x64 cristaux décalés

Chambre à fils en théorie, le meilleur système…et le plus cher!


Principe faible épaisseur (2mm) dépôt d'une couche semi-conductrice sur un

substrat de verre de 1 mm surfaces de 30 x 30 cm² (bientôt 60 x 60 cm²) association à un couple plaque métallique-écran

fluorescent chaque pixel correspond à un couple photodiode-

transistor à effet de champ accumulation de charge dans la photodiode lecture par application d'une tension ligne par ligne pour

rendre conducteur le transistor à effet de champ (rôle d'interrupteur)

chaque photodiode dans une ligne de lecture est associée à une ligne de données

DETECTEURSA base de silicium amorphe




Avantages : rapidité de lecture (50 images / seconde) faible épaisseur + grande surface de détection 30 % de lumière convertie en signal radio-résistance élevée actuellement, pixels de 0,45 x 0,45 mm²

Inconvénients : artefacts dus à l'électronique variations de réponses dues à des courants de fuite

et des variations de sensibilité entre les éléments le bruit augmente avec la dimension du détecteur probablement le futur, mais toujours WIP...




Image d ’un fantôme de Rando à 6 MV réalisée

avec 7,5 UM. Les données brutes sont

visibles en (A), corrigées des défauts d'uniformité

en (B), l'image finale après application d'un filtre médian se trouve en (C) . L'image en (D) montre la même région visualisée grâce à un film dédié à l'imagerie

haute énergie.




SYSTEMES COMMERCIALISES

ELEKTA

GEMS (VARIAN)

SIEMENS

VARIAN


SYSTEMES COMMERCIALISES


DETECTEURS

Conclusion : pour tous les systèmes commercialisés, le champ de

vue est limité le paramètre important n'est pas forcément la qualité

de l'image, mais plutôt le temps nécessaire pour réaliser une image possibilité de correction en temps réel acquisition dynamique d'images durant l'irradiation réduction de la dose, surtout dans le cas de double

exposition

la technologie utilisée tend à s'uniformiser, seuls les concepts diffèrent


Schéma simplifié du traitement de l'image

Traitement zone claire

Traitement zone sombre

Image Initiale Image Traitée

TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIE


TRAITEMENT D’IMAGE ASSOCIE

AVANT TRAITEMENT APRES TRAITEMENT


IMAGE DE CONTRÔLESa place

Le but d'un cliché de contrôle n'est pas de réaliser une jolie image, mais de vérifier la balistique du traitement

Il est donc important de disposer d'informations permettant de se repérer spatialement marqueurs externes ou repères internes recalage et fusion avec des images

morphométriques (anatomiques) nécessité de l'établissement d'une image de

référence cliché de simulation DRR image de contrôle


RECALAGE ET FUSION


Image de contrôle Image de simulation Image de superposition

RECALAGE ET FUSION


RECALAGE ET FUSION

DRR Portal Fusion


RECALAGE ET FUSION

Technique de recalage de Chamfer. Les lignes de repères anatomiques sont créées à partir des images de simulation

(a), l'image de contrôle (b) est traitée pour

donner l'image d'extraction. Sa

transformation donne l'image de fonction de

coût (d), qui est utilisée pour déterminer le meilleur recalage.


RECALAGE ET FUSION


RECALAGE ET FUSION


RECALAGE ET FUSION


Simulation

Image de contrôle

TDM

Première mise en traitement

Poursuite du traitement

Dosimétrie

Détermination du volume à irradier

Définition du plan de traitement

Choix de la machine

incorrect

correct

perthérapeutique

Décision de traitement radiothérapique

Cliché de simulation

DRRBEV


Image de contrôle

TDM



Simulation virtuelle et dosimétrie



Choix de la machine

incorrect

correct

perthérapeutique


Cliché de simulation

DRRBEV


Image de contrôle

TDM



Simulation virtuelle



Choix de lamachine

incorrect

correct

perthérapeutique


DRRBEV

Dosimétrie


Image de contrôle

TDM, IRM, TEP, MN, Écho



Simulation virtuelle

Fusion et détermination du volume à irradier


Choix de lamachine

incorrect

correct

perthérapeutique


DRRBEV

Dosimétrie


Pour faire débat…

Des questions que tout le monde se pose…Combien de clichés?A quels moments?Images statiques ou dynamiques?Qui contrôle?Que faire en cas de décalage?Quelle est la tolérance?


Et pour l'alimenter…

Une bibliographie abondanteDes points de vue divers, mais des mots clés…

"A new approach to off-line setup corrections : combining safety with minimum workload",

J.C.J. Boer and B.J.M. Heijmen,Medical Physics, 29, n°9, 1998-2012, septembre 2002.


IMAGERIE DE CONTRÔLE NUMERIQUE

Avantages : amélioration des clichés de contrôle automatisation du traitement de l'image numérisation des clichés de référence aide à la comparaison des images intégration dans le dossier informatisé liaison à un système de vérification des

paramètres?

Inconvénients : prix unitaire et global (1 système / machine) dégradation progressive des performances dose (surtout si double exposition) interprétation?


IMAGERIE NUMERIQUERappels

Un paramètre important : la visualisation!


IMAGERIE DE CONTRÔLEL’avenir?










Sous contrôle?…

J ’espère qu ’ils savent ce qu'ils font...

Je dirais même plus : j ’espère qu’ils font ce qu'ils savent...


Gardez l'œil!

Documents

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