La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.

La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.1Inserm U703, ThIAIS, ITM - LilleM. Vermandel 1, 2 , N. Betrouni 1, 2 ,2Université de Lille 2 - LilleE. Guedj 3 , O. Mundler 3 3Université de la Méditerranée - Service Central de Médecine NucléaireCHU Timone - MarseilleRésuméCet article a pour but de faire un court rappel des principes de recalage et fusion d’image,et d’en montrer quelques exemples en particulier, pour l’imagerie TEP-TDM dont l’interprétationest rendue plus difficile du fait d’une technique encore imparfaite essentiellement due à l’acquisitionnon simultanée des images.Traitement d'image / Fusion / Recalage / Artefact TEP-TDM L’imagerie médicale est devenued’une extrême importance en particulieren cancérologie. La combinaisond’une imagerie morphologiqueà une imagerie métabolique, réaliséeau mieux par des systèmes hybrides,a permis de faire un bond importantdans la prise en charge des patients.Jusqu’à une période récente, la MédecineNucléaire détectait des anomaliesfonctionnelles, sans pourautant pouvoir préciser leur situationanatomique exacte. L’imagerie parrésonance magnétique nucléaire(IRM) et la tomodensitométrie X(TDM) permettent au contraire de caractériserdes anomalies strictementmorphologiques, en précisant leurrapport anatomique. Bien que d’utilisationpratique encore difficile, deslogiciels permettent de combiner cesdeux informations, en recalant et fusionnantdes acquisitions faites surdeux imageurs différentes.Plus récemment, des systèmes d’imageriehybride intégrant ces deuxmodalités ont été développés (TEP-TDM et TEMP-TDM), avec une doubleacquisition à ce jour successive dansun même temps d’examen, mais pasencore simultanée.En pratique, la fusion d’image correspondactuellement au recalage d’uneimage anatomique et morphologiqueacquise soit par un système par rayonX, soit par une imagerie par résonancemagnétique ou ultrasonore à uneimagerie moléculaire obtenue partechniques isotopiques.Correspondance : Professeur Olivier MundlerUniversité de la Méditerranée Service Central de Médecine Nucléaire CHU Timone - 13385 Marseille CEDEX 5Tél.: 04.91.38.55.58 - Fax : 04.91.38.47.69 - E-mail : olivier.mundler@ap-hm.fr714Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11

La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.De nombreuses solutions permettentselon les cas d’obtenir la relation géométriqueentre deux volumes. Maintzet Viergever [2] ont établi une classificationde ces méthodes de recalageque nous présentons sous forme detableau récapitulatif (Tableau I).Tableau I - Classification des méthodes de recalage selon les critères établis par Maintz et Viergever.Classification established by Maintz and Viergever illustrating the different registration approaches716Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11

M. Vermandel, N. Betrouni, E. Guedj, O. MundlerFusion Dès lors que les paramètres durecalage sont estimés, il est possiblede mettre en correspondance deuxvolumes, acquis dans des conditionsdifférentes, dans un même espace. Leplus souvent cet espace est celui del’un des deux volumes. Ainsi dansnotre exemple, le volume issu de laTEP peut être placé dans l’espace TDM(caractérisé par R TDMà la figure 1). Cependant,les volumes n’ayant pas nécessairementle même format (taillede la matrice, taille du pixel, champde vue…) un reformatage des donnéesTEP doit être appliqué pour queles deux volumes soient superposables.Ce reformatage est réalisé grâceà des algorithmes MPR (Multi PlanarReformatting) (Figure 2).Lorsque les images sont superposables,plusieurs solutions de représentationsont envisageables fusion par :- transparence : les images sont"mixées" avec un certain degré detransparence (Figure 3),- damier et - ou par cadran et - ou modeloupe : des zones d’intérêt de chaqueimage sont successivement affichées(Figure 4), le "découpage" des zonesest modifié interactivement à l’aided’un réticule,- par logique floue [12] : des outilsde fusion issus de la théorie des sousensemblesflous sont appliqués afinde visualiser certaines structures enfonction d’un degré d’appartenance(exemple : la combinaison de l’informationissue d’une image IRM et celled’une image TEMP permet d’établirun degré d’appartenance d’un voxelà la matière grise).EXEMPLES DE MISE ENŒUVRE : RECALAGE ETFUSION TEP-TDML’utilisation conjointe de la modalitéTEP et TDM est de plus en plusassociée aux bilans pré-thérapeutiqueset à la planification en radiothérapie,notamment conformationnelleet pour de nombreuses localisations[13, 14]. En effet, dans certains cas fusionnerTEP et TDM améliore ladélinéation de volumes tumoraux,diminuant la variabilité intra- et interobservateur[15]. Cette déterminationbeaucoup plus précise du volumecible autorise une escalade de doseconduite grâce aux techniques RCMI(Radiothérapie Conformationnelle etModulation d’Intensité) en vue d’unmeilleur contrôle local de la zonetumorale [16]. D’autres applicationstrouvent un intérêt à la fusion TEP /TDM comme la correction du volumepartiel des volumes TEP [17].MéthodologieQuel que soit le type d’imageur (cf.TEP seule, TEP-TDM couplées), lerecalage doit s’affranchir de plusieurscontraintes. Différences de :- résolution spatiale : la résolution spatialede la TEP reste faible devant cellede la TDM,- résolution temporelle : alors que lesdernières générations de scanographepermettent d’acquérir des "instantanés",l’image TEP est constituéed’une moyenne temporelle,- contraste : le rapport Contraste surBruit est beaucoup plus faible en TEP,- contenu : la TDM est une imagerieanatomique tandis que la TEP est uneimagerie fonctionnelle, cela impliqueque nous n’observons pas les mêmesphénomènes de part et d’autre et quetrouver une dépendance statistiqueentre les jeux de données demeureun problème de taille.Remarquons que même pour l’acquisitionde deux volumes directementdans un même référentiel, à l’aided’un système couplé TEP-TDM, lesmouvements aléatoires et physiologiquesdu patient empêchent toutefusion sans un recalage préalable. Unseul cas particulier est l’explorationdu cerveau où les déplacements sontminimisés lors de l’utilisation d’unmasque thermoformé.Recalage rigide extrinsèqueDe manière générale, le recalage extrinsèqueTEP-TDM respecte la stratégiedécrite par la Figure 5.En premier lieu, les fiduciaires sontidentifiés sur les images TEP et TDMsoit manuellement, par une sélectioninteractive, soit automatiquement enutilisant les propriétés de haut contrastede ces marqueurs. Précisonsque le calcul du barycentre des marqueurs,désignant leur position dansl’espace, se fait simultanément à leurextraction. Idéalement, ces fiduciairesne doivent pas être déplacés entre lesdeux examens s’ils sont posés sur lapeau du patient. En présence d’uncadre de repérage ou, d’un masque,le repositionnement doit être réaliséde manière précise (même table,même position du corps…). L’étapesuivante consiste à mettre en correspondanceles marqueurs c’est-à-direles appareiller un à un. Ici aussi, l’opérationpeut être soit réalisé manuellementpar identification de l’utilisateur,soit automatique en utilisant unalgorithme spécifique comme l’ICP(Iterative Closest Point) [18]. Une foisque chaque marqueur TEP est associéà un marqueur TDM, le calcul dela matrice de recalage peut être réaliséde manière analytique.Si l’on se place dans le cadre de laclassification dans le Tableau I, cettestratégie de recalage peut être décritepar le Tableau II.Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11 717

La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.Figure 2 - Illustration du reformatage des images TEPpour la fusion.Representation of the PET images reformatting for fusion.Figure 3 - Recalage et fusion par transparence entreTDM dosimétrique et TEP réalisés à l’aide du logicielARTIVIEW © d’AQUILAB [11]Registration and fusion using translucency betweendosimetric CT and PET images computed with the softwareARTIVIEW © from AQUILAB [11]Figure 4 - Recalage et fusion type cadran entre TDM dosimétrique et TEP réalisés à l’aide du logiciel ARTIVIEW © d’AQUILABRegistration and a “frame” fusion like between dosimetric CT and PET images computed with the software ARTIVIEW © fromAQUILAB718Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11

M. Vermandel, N. Betrouni, E. Guedj, O. Mundler- Figure 5 -Stratégie de recalage extrinsèque de volumes TEP et TDMScheme of extrinsic registration betwenn PET and CT- Tableau II -Description de la solution de recalage extrinsèque en suivant les critères du tableau IDetails on the extrinsic registration solution according to the table 1Recalage rigide intrinsèqueLes stratégies de recalage n’utilisantque le contenu anatomo-fonctionneldes images appliquent le plus souventle schéma présenté Figure 6.La première étape est d’adapter la résolutionde l’un des deux volumespar rapport à son homologue. Dansl’exemple de la Figure 7, le volumeTDM est sous-échantillonné, ce quipermet de réduire l’espace de donnéeset ainsi optimiser le temps decalcul. Dans la configuration de laFigure 7, le volume TDM est appelévolume de référence et le volumeTEP le volume flottant : c’est à cedernier que l’on applique la transformation.La procédure est ensuite itérative, unematrice de transformation est estiméeet le résultat de cette transformationest évalué au travers d’une mesurede similarité. Si le résultat est satisfaisant,le processus est arrêté, sinon unenouvelle matrice de transformationest estimée en fonction du résultatdonné par la mesure de similarité.Cette étape correspond à une minimisationou maximisation de fonctionqui peut être réalisée à l’aide d’algorithmesd’optimisation (recuit simulé,gradient conjugué, Powell,Simplex…). Pour recaler TEP et TDMde manière intrinsèque la mesure desimilarité couramment employée estl’Information Mutuelle [19].Cette mesure introduite parCollignon et al [20] et Viola et al [21]correspond à l’équation 2 :où IM est l’information mutuelle,H (V TEP) et H (V TDM) sont respectivementl’entropie du volume TEP etTDM et H (V TEP, V TDM) est l’entropiejointe.Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11 719

La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.- Figure 6 -Stratégie de recalage intrinsèque de volumes TEP et TDMScheme of intrinsic registration between PET and CT(a)(b)Figure 7 : Exemple de problèmes de recalage lorsque la table est différente d’un imageur à l’autre et que la position des brasn’est pas identique (le réticule permet de naviguer dans l’espace 3D des deux examens et de contourer dans les 3 plans del’espace).Example of registration troubles when the CT and PET tables are different and when the position of the arms is not identical fromone exam to the other (the cross enables a navigation over the 3D space of both PET and CT spaces and to delineate through the 3plans of the space, e.g. transverse, sagittal and face)720Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11

M. Vermandel, N. Betrouni, E. Guedj, O. MundlerLe recalage optimal correspond dèslors à minimiser l’entropie jointe, soitmaximiser l’information mutuelle.Notons que pour améliorer la robustessede l’information mutuelle l’informationmutuelle normalisée introduitepar Studholme et al [22], peutêtre appliquée. L’information mutuellenormalisée est décrite par :où IMN est l’information mutuellenormalisée.Notons, enfin, que l’utilisation de l’informationmutuelle permet de s’affranchirdes contraintes liées au contrasteet à la différence de contenu.Cette solution de recalage peut êtredécrite selon le Tableau III.- Tableau III -Description de la solution de recalage intrinsèque en suivant les critères du Tableau I.Details on the intrinsic registration solution according to the table 1recherche de la meilleure transformation.La Figure 7 présente un cas derecalage et de fusion issu d’une planificationen radiothérapie. Les imagesTEP sont acquises en conditionsstandard tandis que l’examen TDM estréalisé dans le cadre de la planificationdosimétrique, le patient est doncen position de traitement (table similaireà celle de l’accélérateur linéaire,bras derrière la tête). Dans ce cas, ilest nécessaire de déterminer unematrice de transformation valable localement.Le logiciel doit permettrede corriger interactivement la transformationpuisque la transformationoptimale ne permet pas nécessairementau praticien de fusionner correctementles zones d’intérêts. Le logicielARTIVIEW© utilisé pour cetteillustration permet de réaliser cettecorrection et ainsi de contourer lesimages TDM dans les limites de validitédu recalage.EXEMPLES CLINIQUESDE RECALAGE ET FUSIOND’IMAGESProblèmes des déformationsLe recalage rigide ne permet pas des’affranchir des problèmes liés à ladéformation des organes (battementcardiaque, respiration, différents niveauxde remplissage de la vessieentre deux examens…). Les mouvementsréguliers, comme la respirationou les battements du cœur, peuventêtre pris en compte en utilisant dessolutions technologiques d’asservissementou "gating" [23, 24, 25].Par contre les déformations aléatoiresnécessitent l’utilisation d’algorithmesde recalage dits élastiques (flotoptique [26], spline de plaques minces[27]…) Beaucoup plus complexeà mettre en œuvre et pour lesquelsune validation quantitative reste difficileà réaliser.Problèmes du positionnementdu patientLa fusion multimodale impose certainesprécautions quant au positionnementdu patient lors des acquisitionssur les différents imageurs. Eneffet, même si sans contention particulière(masque thermoformé, matelasà dépression…) reproduire avecexactitude une position donnée estimpossible, il convient de placer, aumoins, dans les mêmes conditions lepatient (position des bras, des jambes,cubitus ou décubitus, table identique…)afin de minimiser les déformationsd’une part et de faciliter laRecalage d’images analogiques Il s’agit très certainement du plusancien recalage d’image dont on disposeen médecine nucléaire. Dans lecas d’une acquisition double-tête simultanée,la superposition de deuxfilms radiologiques sur un négatoscopepourra permettre de retrouver,par exemple en face postérieure, uneanomalie retrouvée sur une scintigraphieosseuse en face antérieure, autorisantainsi une localisation plus précisede cette anomalie de fixation (Figure8). Cet "algorithme" va aussi permettred’éliminer une hyperfixationdite positionnelle, proximité plus importanted’un des deux détecteurs dela pièce osseuse à l’origine d’une asymétriede fixation en postérieur parexemple pour une sacro-iliaque maisle plus souvent asymétrie inversée enantérieur. Une autre utilisation de cet"algorithme" permet de localiser uneMédecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11 721

La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.lésion comme surrénalienne grâce àla superposition d’une imagerie 131 I-MIBG à une imagerie rénale auDMSA…. Dans l’imagerie de superpositions,on peut aussi superposera.deux images de deux examens successifs,en particulier scintigraphieosseuse, afin de visualiser l’évolutionde lésions métastatiques.Imagerie hybride TEP-TDMIl s’agit là de la plus grande avancéequi a été faite ces dernières annéespermettant la combinaisond’une imagerie morphologique etanatomique à une imagerie métabolique.Mais il peut exister un décalaged’acquisition. En effet, même sile patient reste sur la même table pendanttoute la durée de l’examen, ilne s’agit en aucun cas d’une acquisitionsimultanée ; d’abord acquisitiontomodensitométrique, qui prendra 20à 25 sec, et pour laquelle les mouvementsdu patient seront minimes,puis acquisition scintigraphique quiprendra 20 à 25 min, le patient ayanttout loisir de bouger et bien évidemmentde respirer. (Figure 11)b.DISCUSSION- Figure 8 -a. Un doute peut exister sur la présence d‘une lésion costale posterieure ( )mais la vision de ce foyer en antérieur plaide en faveur d’une image rénale. Cecipeut être facilement confirmé par la superposition des images inversées.b. Incidence trois-quart objectivant l’excretion rénale.a. Rib abnormal focal uptake ? or renal cavity ?Answer can be easily found by the 2 inverse images superpositionb. 3/4 posterior view showing renal physiological tracer concentration Le principal problème que poseaujourd’hui la fusion d’image découledu recalage de deux acquisitionssuccessives et non simultanées.Si ceci ne présente pas d’inconvénientmajeur pour les organes "statiques",essentiellement le cerveau, ilen va tout autrement pour l’abdomenou le thorax, surtout lorsque lestemps d’acquisitions ne permettentpas de s’affranchir du péristaltismeintestinal, des mouvements respiratoireset du patient lui-même.Recalage semi-automatiqueTDM-imagerie scintigraphique Recalage semi-automatique d’imagerietomodensitométrie et d’imageriescintigraphique obtenue sur deuxéquipements différents, exemple :tumeur endocrinienne diagnostiquéepar scintigraphie à l’octréoscan etlocalisée grâce à la superpositiond’une tomodensitométrie obtenuesur un autre équipement (Figure 9).Ceci devrait pouvoir maintenant êtreeffectué en un seul temps grâce audéveloppement de tomographemonophotonique couplé à un TDM.(TEMP-TDM).Des logiciels appliqués à l’explorationcérébrale permettent par ailleursde réaliser la normalisation spatialed’une imagerie cérébrale fonctionnelle(perfusion, métabolisme,neuroreception) à des atlas d’imageriesanatomiques IRM, pour l’étudestatistique de groupes de patients.(Figure 10).En effet qu’attend-on de la fusiond’images médicales ?Que les données fonctionnelles etanatomiques superposées puissentpermettre une aide :- diagnostique : à telle ou telle anomaliemorphologique correspond-il,ou non, une lésion hypermétaboliqueou non ? à telle image anatomiquenormale correspond-il un fonctionnement,un métabolisme ou uneperfusion normaux ou anormaux,- thérapeutique : précision sur unelésion et son extension locale, régionaleà distance, avant une interventionchirurgicale ou radiothérapie,722Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11

M. Vermandel, N. Betrouni, E. Guedj, O. MundlerFigure 9 -Exemple de recalage d’images etfusion après acquisitions séparéesd'images :a. scintigraphique d’une tumeurendocrine pancréatique(Octréoscan®)b. tomodensitométriquec. anatomique sur l’image scintigraphiqued. scintigraphique sur l’imageanatomiquea. b.Exemple of fusion image from dataobtained on separate imagersa. scintigraphy of a pancreatictumor (Octreoscan®)b. CTc. morphologic lesion on scintigrapyd. scintigraphic lesion on CTc. d.Figure 10 -Corrélation troubles du langage - perfusion cérébrale.Identification sur un rendu volumique d’IRM de la régioncérébrale dont la perfusion cérébrale est corrélée aux troublesdu langage, après normalisation spatiale d’une séried’examens TEMP sur un même atlas anatomique et analysestatistique voxel-à-voxelLanguage trouble and cerebral perfusion correlation.Localisation on a cerebral volume region determined by MRI of aabnormal perfusion area correlate with language, trouble afterspatial normalization of a normal TEMP exams library on a sameanatomic atlas and statistical analysis voxel to voxel.Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11 723

La fusion des images en Médecine Nucléaire. Situation actuelle.- à la surveillance, en particulier lorsqu’ilreste des masses morphologiquementdétectables, mais dont onne connaît pas l’évolutivité.Qu’engendrent les décalages d’images?- une localisation aberrante d’un foyerd’hyperfixation. Comme nousl’avons vu, il peut s’agir d’une localisationanatomique inadéquate d’unehyperfixation faisant penser de manièreabusive à un foyerparenchymateux, péritonéal conduisantà une interprétation erronée,alors que dans ce cas il s’agit d’unehyperfixation physiologique liée àl’excrétion rénale du traceur,- la superposition incongrue d’unehyperfixation correspondant a une lésionmaligne sur un organe concentrantnormalement le traceur ; parexemple tumeur recto-sigmoïdienneet vessie,- du fait des mouvements respiratoiresdiaphragmatiques une mauvaiseévaluation des bases pulmonaires enparticulier pour les petites lésionsjuxta centimétriques.Quelles solutions ?- Immédiate :o connaître les risques décrits ci-dessus,et en tenir compte pour les interprétationsde ces examens dont onsait que les résultats vont très souventen cancérologie influencer laprise en charge thérapeutique,o Utiliser les logiciels d’acquisitionsynchronisée, mais dont la preuve deleur utilité n’a pas à ce jour été démontré.- A plus long terme :o améliorer la sensibilité du détecteuret de l’électronique accolée,pour avoir un temps d’acquisitionscintigraphique plus court et idéalementsimultané à celui de la TDM,o développer de nouveaux logicielsde recalageo coupler l’imagerie moléculaire àune autre imagerie anatomique, ultrasons,IRM. En effet, la difficulté principaled’une détection scintigraphiqueet TDM simultanée est essentiellementdue à l’énorme différence (plusieursordres de grandeurs) entre lenombre d’événements liés à l’émissiondes photons gammas et le nombred'événements liés aux photonsX. Ce d’autant que les TDM sont toujoursplus rapides et donc producteursde rayons X et irradiants. Ceciest-il d’ailleurs justifié? cela devrait rapidementfaire l’objet d’une réflexion.CONCLUSIONL’avènement des caméras TEP coupléesà la TDM est à l’origine d’unprogrès majeur en médecine nucléaire.Il a permis à l'imagerie moléculaired’avoir le complément indispensablequ’est l’imagerie anatomiqueet morphologique. Des problèmesde simultanéité d’acquisitionpersistent en particulier ; les reconnaîtredoit permettre de s’en affranchirau mieux en attendant que lesprogrès technologiques permettentd’y pallier.Image fusion in Nuclear Medicine today.The purpose of this paper is to do a short review of the fusion image techniques in nuclearmedicine, and show some examples of PET-CT images which interpretation can be difficult, dueto imperfect fusion of the metabolic and morphologic acquisition as they are not performedsimultaneously.Fusion / Registration / Image treatment / PET-CT artefact724Médecine Nucléaire - Imagerie fonctionnelle et métabolique - 2006 - vol.30 - n°11

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