Brevet FR2891642A1 — publié le 20070406

PROCEDE DE TRAITEMENT D'IMAGES 3D ACQUISES PAR IRM La présente invention concerne le champ de l'imagerie IRM, et, plus précisément mais non limitativement, la visualisation des organes 5 neurosensoriels intra-crâniens que sont les oreilles internes encore appelées système vestibulaire ou labyrinthes. PRESENTATION GENERALE DE L'ART ANTERIEUR io Comme illustré à la figure 1, le système vestibulaire (à droite et à gauche de la tête) comprend 5 structures séparées: 3 canaux semi-circulaires 10, 20, 30 et 2 organes otolithiques. Ils sont situés dans la portion pétreuse de l'os temporal appelée 'rocher'. On distingue le labyrinthe osseux, structure enveloppante contenant et protégeant le système vestibulaire: l'organe sensitif ou labyrinthe membraneux. Le labyrinthe membraneux, outre les 2 conques otolithiques, se compose de tubulures organisées dans les 3 plans de l'espace et interconnectées: les 3 canaux semi-circulaires. Ils sont remplis de fluides anatomiquement séparés: la périlymphe 40 et l'endolymphe 50. Le flux et le reflux de l'endolymphe 50, initié par les mouvements de la tête, sont captés par les crêtes ampullaires situées dans la lumière des canaux grâce à des cellules ciliées. L'information est transmise au cerveau via les nerfs vestibulaires. Ce système nous permet de percevoir la gravité terrestre, la position du corps dans l'espace. Il est impliqué dans de nombreux systèmes cérébraux: de l'initiation du mouvement à la conceptualisation de l'espace... La connaissance de la structure interne des canaux ainsi que de la répartition de la périlymphe 40 et de l'endolymphe 50 est donc essentielle pour l'analyse de la fonction labyrinthique: toute anomalie perturbera le flux et le reflux du liquide canalaire analysé par les cellules ciliées des crêtes ampullaires. Le scanner est, largement utilisé pour détecter les anomalies ou les lésions du labyrinthe osseux 60 et de l'os temporal environnant (lésions 5 vasculaires ou tumorales). Le premier inconvénient du scanner surtout chez le sujet jeune est l'irradiation par rayons X. Le deuxième inconvénient est que, même en ayant recours à une reconstruction 3D, seul le labyrinthe osseux 60 peut être visualisé. io L'endolymphe 50 et la périlymphe 40 ne sont pas visibles sur un scanner. L'IRM présente l'avantage de ne pas être irradiante et peut donc être utilisée sans danger chez le jeune enfant. D'autre part, son principe repose sur une analyse de signaux détectée à partir des atomes d'hydrogène. Or les fluides contenus dans le système vestibulaire sont de nature aqueuse donc très riches en atomes d'hydrogène détectable par IRM et plus précisément par un protocole dit: mode T2. La visualisation de la morphologie interne des canaux (ou des conques otolithiques) se fait indirectement par la forme que prend le volume liquidien. Actuellement, les différentes machines mise sur le marché donnent des images 3D du labyrinthe membraneux mais les résultats ne permettent pas une étude valable de la structure fine intracanalaire ni des interconnexions: - la taille des éléments apparaît trop petite, - les relations avec le cortex temporal sont impossible à mettre en 25 évidence, - l'orientation spatiale des canaux ne peut être calculée. Enfin, la périlymphe 40 ne peut être séparée de l'endolymphe 50. Comme illustré à la figure 2, les images 70 obtenues par les procédés actuels ne rendent compte que de la forme externe liquidienne, c'est-à-dire que de la *nymphe. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose notamment un procédé de traitement d'images 3D acquises par IRM selon lequel: on sélectionne un sous-volume d'images dans le volume correspondant à l'acquisition initiale IRM; on choisit un seuil de luminosité et on sélectionne les voxels en comparant à ce seuil une valeur fonction de la luminosité dudit voxel et de celle(s) de voxel(s) attenant(s) ; on itère cette opération une ou plusieurs fois en relevant le seuil de luminosité à chaque itération. Notamment, à l'issue d'au moins l'une des étapes de sélection on met en oeuvre une triangulation sur les voxels ainsi sélectionnés pour reconstruire une nouvelle image 3D. Le procédé proposé trouve notamment application pour la visualisation d'oreilles internes, la technique proposée permettant en particulier la 20 visualisation de la morphologie intracanalaire. Ainsi, il est possible de fournir aux thérapeutes impliqués dans l'étude des fonctions neurosensorielles impliquant la fonction vestibulaire une imagerie tridimensionnelle des structures internes dites fonctionnelles de l'appareil vestibulaire. Ces personnes sont: neurologistes, ORL, neuropédiatre, psychiatre, rhumatologiste, chercheurs en neurosciences et même vétérinaires. Plus précisément, il est proposé un procédé de traitement de volume, plus précisément de volume obtenu à partir d'une IRM en mode T2 permettant un saut d'échelle des images obtenues en comparaison avec les procédés existant actuellement sur le marché. La structure interne des canaux semicirculaires est révélée indirectement par les fluides qu'ils contiennent (péri et endolymphe). Ce procédé pourrait être étendu à d'autres structures anatomiques pourvu qu'elles contiennent un liquide ou une substance appartenant à un niveau de gris contrastée par rapport à l'environnement immédiat (ex. la cochlée). Des aspects complémentaires, mais non limitatifs du procédé proposé sont les suivants: le seuil de luminosité initialement choisi correspond sensiblement à la luminosité de la périlymphe du patient, ce seuil étant relevé successivement jusqu'à correspondre à la luminosité de I'endolymphe, dans une échelle de gris allant de 1 â 1000, le seuil de luminosité initialement choisi est de l'ordre de 300 - 400, ce seuil est successivement relevé pour correspondre à une luminosité de 600, la triangulation mise en oeuvre utilise une tesselation 3D de Delaunay. Pour réaliser notre procédure nous avons choisi des fonctions 20 répertoriées dans le catalogue du logiciel dénommé Brainvisa et accessible librement sur internet (voir le site Internet dont le nom de domaine est ( Un sous-volume est virtuellement taillé dans le volume initial. Un seuil de luminosité est choisi qui correspond à la luminosité moyenne 15 de I'endolymphe dans une échelle de luminosité allant de 1 à 1000 (seuil inférieur compris entre 300 et 400). Les voxels sont étiquetés dans le sous-volume. Les voxels sont sélectionnés selon un mode binaire. Les voxels intéressés sont extraits du sous-volume par trangulation selon les algorithmes de tesselation 3D de Delaunay1,2. La modélisation des canaux ainsi obtenue est transférée dans un logiciel appartenant à la société dénommée Brainvisa qui reprend certaines fonctions du logiciel dénommées Open GL3 permettant une observation de leur forme sous tous o les angles. Le choix d'une luminosité de 300 ou 400 permet de mettre en évidence la péri lymp he. Afin de pénétrer virtuellement et progressivement à l'intérieur du canal, il suffit de relever progressivement le niveau de gris. La tesselation 3D de 15 Delaunay agira comme un 'pelage' progressif d'oignon dénudant progressivement le volume liquidien intra-canalaire (cf. Figures 3A et 3B) . Le saut d'échelle ainsi obtenu met en évidence une nouvelle imagerie vestibulaire en révélant des détails tels que: des contacts anormaux entre le cerveau et les canaux vestibulaires, des interconnexions anormales entre les différents canaux, des sténoses intra-canalaires, des dyspiasies, des aplasies, des déhiscences et des fistules liquidiennes (figures 4A, 4B, 4C).Toutes ces anomalies avaient pu être détectées postmortem à la loupe binoculaire et rapportées à différentes anomalies neurosensorielles mais encore jamais vues in vivo. La figure 5 résume les différentes étapes ci-dessus brièvement décrites. L'invention propose également un système d'imagerie 3D par IRM, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement d'images aptes à mettre en oeuvre le procédé précité, ainsi qu'un système pour le traitement d'images 3D acquises par 1RM, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens mettant en oeuvre ledit procédé. L'invention concerne également un programme d'ordinateur comprenant 5 des instructions aptes à mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. L'invention concerne également un support pouvant être lu par un ordinateur et comportant des instructions aptes à mettre en oeuvre le procédé décrit ci-dessus. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 illustre de manière schématique le système vestibulaire humain; La figure 2 illustre un exemple d'image obtenue avec un procédé de l'art antérieur; - Les figures 3A et 3B illustrent des images du volume liquidien intra-canalaire obtenues après différentes étapes de tesselation 3D de Delaunay pour différents seuils de luminosité ; Les figures 4A à 4C illustrent des images vestibulaires obtenues avec le procédé selon l'invention; - La figure 5 illustre schématiquement des étapes d'un mode de réalisation du procédé selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION ET DE MISE EN 25 OEUVRE Les différentes étapes Etape A: acquisition du volume 'brut' par la machine: nous avons utilisé une machine commercialisée sous le nom IRM EXCITE 1.5 TESLA par la société dénommée General Electric Médical System . L'acquisition s'est faite en coupes axiales selon un mode volumique 3D. La séquence utilisée est une séquence T2 en mode dénommé Fiesta. Elle s'utilise avec l'antenne commercialisée sous le nom HEAD. L'utilisation de la machine commercialisée sous le nom IRM EXCITE de General Electric est préférée aux autres machines en raison du temps très court d'examen (temps optimisé à 6min.27 secondes) ; Ce temps très court est rendu possible grâce à la matrice volumique de la société dénommée General Electric qui est de 256 (au lieu de 512 par exemple pour la matrice de la société dénommée Siemens ). Ce temps très court permet d'effectuer cet examen chez les petits enfants sans avoir recours à une anesthésie générale, une simple prémédication est largement suffisante dans la plupart des cas. Le champ de vue (FOV) est de 25cm. Le nombre d'excitation est de 3. L'épaisseur de coupes est de I mm. Le nombre de coupes est de 192, la bande passante est de 31.25kHz, l'angle de bascule est de 65 et la matrice de 256.256. Le temps d'écho ou TE est minimum, le TR est de 5 millisecondes. Les systèmes d'interpolation utilisent le ZIP 512 et le ZIP 2. L'acquisition terminée, le volume est transférée sur la console dénommée Advantage Workstation AW 4.0 afin d'être contrôlée en qualité. Pour cela, on réalise systématiquement des reconstructions en mode dénommé MIP (acronyme de l'expression anglosaxonne Maximum Intensity Projection ) avant d'être gravées sur cd. Etape B: importation et conversion du volume enregistré par la machine IRM (au format dénommé Dicom) en format lisible par le logiciel utilisé, en l'occurrence le logiciel dénommé Brainvisa qui sera référencé dans un fichier étiqueté au nom du patient. Etape C: découpage virtuel d'un sous-volume cubique au sein du volume nouvellement formaté. Ce cube devra inclure en son sein l'ensemble du système vestibulaire (droit ou gauche). Pour ce faire nous avons créé une nouvelle commande à partir de la commande répertoriée sous le nom 'aimssubvolume' choisi dans le catalogue du logiciel dénommé Brainvisa. Cette nouvelle commande est compatible avec les volumes IRM T2 et fonctionne sous le système d'exploitation dénommé Windows . Cette étape comporte une saisie manuelle réalisée par une personne expérimentée dans la reconnaissance de l'anatomie cérébrale. Il suffit d'identifier chaque face du cube par la saisie d'un point. Le logiciel fournit automatiquement les coordonnées 3D de ce point par rapport au volume de départ. Les coordonnées (x, y, z) des 6 points correspondants aux six faces du cube droit puis du cube gauche sont successivement collectés sur une fenêtre de référence. Cette fenêtre doit rester ouverte tout le temps de la procédure car c'est à partir de ses données que seront effectuées les différentes segmentations correspondant aux changements de seuil de luminosité. Etape D: choix d'un seuil de luminosité dans l'échelle de gris allant de 1 à 1000 correspondant à la luminosité de la périlymphe du patient (en moyenne ce seuil est fixé à 400). Pour pénétrer virtuellement dans la lumière des canaux, il faudra relever le seuil de luminosité (ex.: 600) correspondant à la luminosité de l'endolymphe et permettant une sélection plus étroite des voxels retenus. Etape E: elle permet d'étiqueter dans le sous-volume tous les voxels correspondants au seuil de luminosité choisi. Cet étiquetage se fait selon un mode binaire, Cette étape est réalisée par la création d'une commande fonctionnant en mode T2 sous le système d'exploitation dénommé Windows à partir d'une commande choisie dans le répertoire du logiciel dénommé Brainvisa et portant le nom de 'vipsingle threshold'. Pour pénétrer virtuellement dans la lumière du canal comme évoqué dans l'étape D, il faut progressivement éliminer la périlymphe entourant I'endolymphe. Il faut souligner que la luminosité intrinsèque d'un voxel dépend de la luminosité des voxels attenant: un voxel de luminosité X verra sa luminosité diminuer s'il est entouré de voxels de luminosité moindre: c'est le principe de la tesselation proposée initialement par Watson4. L'irrégularité de l'espace périlymphatique (cf. Figure 1) diminue donc la luminosité des voxels situés à la périphérie du canal. La reconnaissance automatique de ces voxels aboutira à la sélection de petites unités de voxels ou agrégats. Plus on monte le seuil de luminosité, plus la sélection ne retiendra que des gros agrégats de voxels de luminosité identique et qui correspondent à I'endolymphe: milieu liquidien homogène exprimant la structure interne du canal. Etape F: sert à sélectionner tous les voxels de même luminosité. Cette étape est réalisée par la création d'une commande fonctionnant en T2 sous le système d'exploitation dénommé Windows à partir d'une commande choisie dans le répertoire du logiciel dénommé Brainvisa nommée 'vipconnex filter'. A la fin de cette étape, tous les voxels ne correspondant pas au seuil de luminosité choisi auront été effacés du sous-volume sélectionné. Seuls seront conservés les agrégats de voxel correspondants à la luminosité choisie. Etape G: c'est la dernière étape de la segmentation. Elle permet de relier tous les voxels sélectionnés dans le sous-volume par la méthode de triangulation selon les algorithmes de tesselation 3D de Delaunayl,2, encore appelé maillage tridimensionnel. La forme obtenue par cette segmentation sera exactement celle que prend le fluide intra-canalaire au contact du labyrinthe membraneux révélant indirectement sa forme. Cette étape est rendue possible par la création d'une commande fonctionnant en mode T2 et sous le système d'exploitation dénommé Windows , à partir de la commande portant le nom 'aimsmesh' choisie dans le répertoire du logiciel dénommé Brainvisa. Un lissage de surface peut être réalisé par la transformation de la commande du logiciel dénommé Brainvisa mode T2 appelé 'aimsmesh smoothing'. Ce dernier n'affecte pas la précision de la forme recherchée. Etape H: sert à visualiser la modélisation à partir d'une sous commande du logiciel appelée Anatomist et fonctionnant initialement sous le système d'exploitation dénommé linux: system 32cmd.exe (voir le logiciel dénommé Anatomist version 1.30). Nous avons donc créé une nouvelle commande fonctionnant sous le système d'exploitation dénommé Windows pour un mode T2. Cette visualisation pourrait aussi être obtenue en utilisant directement les fonctions utilisées dans le logiciel dénommé Open GL utilities: comme les fonctions dénommées glRôtate et glScale(voir: www.pearsoneducation.fr). La fonction instaurée permet de vérifier la structure interne des canaux sous tous les angles en faisant tourner manuellement la forme des canaux ainsi restituée. Etape I: pour obtenir une individualisation de l'endolymphe seule, il suffit de retourner à l'étape D et de modifier le seuil de luminosité (en l'augmentant) de rappeler la fenêtre de l'étape C (qui n'a pas été fermée) et de relancer une nouvelle segmentation. Celle-ci se fera automatiquement en quelques secondes. Il restera ensuite à transférer le volume obtenu dans Anatomist pour visualisation. L'opération peut être renouvelée autant de fois que nécessaire. REFERENCES canal semi-circulaire antérieur (ou anterior semicircular duct selon la 20 terminologie anglo-saxonne), canal semi-circulaire postérieur (ou posterior semicircular duct selon la terminologie anglo-saxonne), canal semi-circulaire horizontal (ou horizontal semicircular duct selon la terminologie anglo-saxonne), 40 périlymphe (ou perilymph selon la terminologie anglosaxonne), endolymphe (ou endolyrnph selon la terminologie anglosaxonne), labyrinthe osseux (ou bony labyrinth selon la terminologie anglo- saxonne), ampoule (ou ampulla selon la terminologie anglo-saxonne), nerf de canal horizontal (ou horizontal canal nerve selon la terminologie anglo-saxonne), 120 nerf de canal postérieur (ou posterior canal nerve selon la terminologie anglosaxonne), nerf de canal antérieur (ou anterior canal nerve selon la terminologie anglo-saxonne), cellules mastoïdiennes (ou mastoid air cells selon la terminologie anglo- saxonne), tissu conjonctif (ou connective tissue selon la terminologie anglo-saxonne), canal semicirculaire (ou semicircular canal selon la terminologie anglo-saxonne) , 170 conduit semicirculaire (ou semicircular duct selon la terminologie anglo-saxonne). BIBLIOGRAPHIE 1: Goldszal AF: An image-processing System for quantitative and qualitative volumetric analysis of Brain images. Comput Assist Tornigr. 1998, 20 Sept-Oct, 22(5):827-37; 2: Martonen TB: Mapping the Human lung using Delaunay tessellation, Comput Biomed Res, 1994, Aug 27(4): 245-62; 3: Woo M., Neider J, Davis T, Shreiner D: Open GL 1.4, Campus Press, (3): 100-56. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement d'images 3D acquises par IRM caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - sélectionner (C) un sousvolume d'images dans le volume correspondant à l'acquisition initiale IRM; - choisir (D) un seuil de luminosité et sélectionner, dans le sousvolume, les voxels en comparant à ce seuil une valeur fonction de la luminosité dudit voxel et de celle(s) de voxel(s) attenant(s) ; - itérer (I) cette opération une ou plusieurs fois en relevant le seuil de luminosité à chaque itération, - reconstruire une nouvelle image 3D; 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'issue d'au moins l'une (G) des étapes de sélection une triangulation est mise en oeuvre sur les voxels ainsi sélectionnés pour reconstruire une nouvelle image 3D. 3. Procédé de visualisation d'oreilles internes, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé selon la revendication 1, pour la visualisation de la morphologie intra-canalaire. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le seuil de luminosité initialement choisi correspond sensiblement à la luminosité de la périlymphe du patient, ce seuil étant relevé successivement jusqu'à correspondre à la luminosité de l'endolymphe. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que dans une échelle de gris allant de 1 à 1000, le seuil de luminosité initialement choisi est compris entre 300 - 400. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que ce seuil est successivement relevé pour correspondre à une luminosité de 600. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la triangulation mise en oeuvre utilise une tesselation 3D de Delaunay. 8. Système d'imagerie 3D par IRM, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement d'images aptes à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications précédentes. 9. Système pour le traitement d'images 3D acquises par IRM, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens mettant en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 10. Programme d'ordinateur comprenant des instructions aptes à mettre en oeuvre le procédé selon l'une des revendications 1 à 7.