THÈSE ANALYSE ET CORRECTION DES DISTORSIONS EN IMAGERIE PAR ...

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Université de
CAEN/BASSE-NORMANDIE
U.F.R. de Sciences
École doctorale S.I.M.E.M.
THÈSE
Présentée par
M. Serge LANGLOIS
Soutenue le 20 novembre 1998 en vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE CAEN,
spécialité : TRAITEMENT DU SIGNAL ET DES IMAGES
(Arrêté du 30 mars 1992)
ANALYSE ET CORRECTION
DES DISTORSIONS EN IMAGERIE
PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE
Directeur de thèse : Mme Marinette REVENU
JURY :
M. Serge Akoka (Rapporteur)
M. Jean-Marc Constans (Co-directeur de thèse)
M. Jacques D. de Certaines (Examinateur)
M. Michel Desvignes (Co-directeur de thèse)
M. Jean-Michel Franconi (Rapporteur)
Mme Marinette Revenu (Président) 1
AVANT PROPOS
Cette thèse a été réalisée dans le cadre du pôle Traitement et Analyse d’Images de
Caen, grâce au support de la société General Electric Medical Systems et du Fond Social
Européen. 2 3
REMERCIEMENTS
Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance envers Messieurs Guillermo Zanolli et
Patrick Le Roux, de la société General Electric Medical Systems Europe, pour avoir accepté
de consacrer une partie de leur temps à l’élaboration et l’évaluation de ce projet ; ainsi que
Monsieur Daniel Bloyet pour l’avoir présenté et défendu auprès du Conseil Régional de Basse-
Normandie.
Je souhaite également remercier Monsieur Patrick Courtheoux, qui m’a accueilli au sein
du service d’IRM du CHU et qui m’a permis de bénéficier des infrastructures de l’unité. Mes
pensées vont aussi vers tous les membres du service, dont la sympathie et la bonne ...
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Université de CAEN/BASSE-NORMANDIE U.F.R. de Sciences École doctorale S.I.M.E.M. THÈSE Présentée par M. Serge LANGLOIS Soutenue le 20 novembre 1998 en vue de l’obtention du DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE CAEN, spécialité : TRAITEMENT DU SIGNAL ET DES IMAGES (Arrêté du 30 mars 1992) ANALYSE ET CORRECTION DES DISTORSIONS EN IMAGERIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE Directeur de thèse : Mme Marinette REVENU JURY : M. Serge Akoka (Rapporteur) M. Jean-Marc Constans (Co-directeur de thèse) M. Jacques D. de Certaines (Examinateur) M. Michel Desvignes (Co-directeur de thèse) M. Jean-Michel Franconi (Rapporteur) Mme Marinette Revenu (Président) 1 AVANT PROPOS Cette thèse a été réalisée dans le cadre du pôle Traitement et Analyse d’Images de Caen, grâce au support de la société General Electric Medical Systems et du Fond Social Européen. 2 3 REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer toute ma reconnaissance envers Messieurs Guillermo Zanolli et Patrick Le Roux, de la société General Electric Medical Systems Europe, pour avoir accepté de consacrer une partie de leur temps à l’élaboration et l’évaluation de ce projet ; ainsi que Monsieur Daniel Bloyet pour l’avoir présenté et défendu auprès du Conseil Régional de Basse- Normandie. Je souhaite également remercier Monsieur Patrick Courtheoux, qui m’a accueilli au sein du service d’IRM du CHU et qui m’a permis de bénéficier des infrastructures de l’unité. Mes pensées vont aussi vers tous les membres du service, dont la sympathie et la bonne humeur permanente me resteront longtemps en mémoire. J’adresse une pensée particulière à Monsieur Jean Marc Constans, grâce à qui j’ai pu découvrir, de la théorie à la pratique, le monde merveilleux de l’IRM qui nous a occupés tant de soirs et de week-ends. J’exprime une profonde gratitude à l’égard de Madame Marinette Revenu, pour la confiance qu’elle m’a apportée en m’accueillant et me dirigeant au sein de l’équipe Image, et pour les conseils pertinents qu’elle m’a donnés tout au long de cette thèse jusqu’à la rédaction de ce mémoire. 4 Je remercie vivement Messieurs Serge Akoka, Jacques D. de Certaines et Jean Michel Franconi pour l’honneur qu’ils me font de juger ce travail, et pour m’avoir fait bénéficier d’une partie de leur expérience à travers leurs suggestions et remarques critiques, qui auront grandement contribué à l’amélioration de ce rapport. J’associe à ces remerciements tous mes camarades de thèse, du GREYC et du service d’IRM, pour les nombreux moments d’humour et d’amitié que nous avons partagés. J’aurais souhaité tous les citer, mais je préfère assurer tous ceux qui se reconnaîtront de ma sincère affection. Enfin je pense particulièrement à Monsieur Michel Desvignes, à qui j’adresse toute ma reconnaissance pour son soutien et son aide dans des moments parfois difficiles. Sa très grande largesse d’esprit, sa gentillesse et son expérience dans de multiples domaines m’auront été d’un grand secours et me resteront source d’inspiration. 5 SOMMAIRE AVANT PROPOS.................................................................................................................1 REMERCIEMENTS............................................................................................................3 SOMMAIRE.........................................................................................................................5 LISTE DES TABLES...........................................................................................................9 LISTE DES FIGURES .......................................................................................................10 LISTE DES SYMBOLES ET ABRÉVIATIONS..............................................................13 INTRODUCTION ..............................................................................................................15 L’IMAGERIE PAR RÉSONANCE MAGNÉTIQUE.......................................................19 I.1 LES DOMAINES D’EXPLORATION..............................................................................20 I.1.1 L’imagerie anatomique .......................................................................................21 I.1.2 L’angiographie par résonance magnétique...........................................................22 I.1.3 L’imagerie fonctionnelle .....................................................................................24 I.1.4 La spectroscopie, L’imagerie spectroscopique ....................................................26 I.2 L’INSTRUMENTATION ..............................................................................................28 I.2.1 L’aimant et les bobines de gradient .....................................................................28 I.2.2 Les antennes d’émission/réception ......................................................................30 I.2.3 La détection........................................................................................................30 I.3 LE SIGNAL ................................................................................................................32 I.3.1 Signal et bruit .....................................................................................................32 I.3.2 Facteurs de qualité..............................................................................................34 I.3.3 Bande passante et fréquence d’échantillonnage ...................................................35 I.3.4 Champ de vue.....................................................................................................36 I.4 FORMATION DE L’IMAGE .........................................................................................37 I.4.1 Principe37 I.4.2 Sélection de coupe..............................................................................................43 I.4.3 Imagerie 2D........................................................................................................45 I.4.3-a) Étapes .........................................................................................................45 I.4.3-b) Expression de l’image .................................................................................47 I.4.4 Imagerie 3D........................................................................................................49 I.4.4-a) Étapes .........................................................................................................49 I.4.4-b) Expression de l’image .................................................................................50 6 I.4.5 Modes de représentation.....................................................................................51 I.5 CONCLUSION............................................................................................................52 ORIGINE ET CORRECTION DES DISTORSIONS : ÉTAT DE L’ART......................55 II.1 SOUS-ÉCHANTILLONNAGE .......................................................................................56 II.1.1 Repliement d’image.............................................................................................56 II.1.2 Troncature..........................................................................................................58 II.2 COURANTS DE FOUCAULT........................................................................................59 II.2.1 Origines et effets.................................................................................................59 II.2.2 Méthodes de correction usuelles .........................................................................60 II.3 DÉPLACEMENT CHIMIQUE .......................................................................................61 II.3.1 Origines et effets.................................................................................................61 II.3.2 Méthodes de correction usuelles .........................................................................63 II.4 NON LINÉARITÉ DES GRADIENTS..............................................................................65 II.4.1 Origines et effets.................................................................................................65 II.4.2 Méthodes de correction usuelles .........................................................................67 II.5 SUSCEPTIBILITÉ MAGNÉTIQUE ................................................................................69 II.5.1 Origines et effets.................................................................................................69 II.5.2 Méthodes de correction usuelles .........................................................................71 II.6 HÉTÉROGÉNÉITÉ DU CHAMP....................................................................................71 II.6.1 Les procédures de shim.......................................................................................72 II.6.2 Les méthodes de post-traitement.........................................................................73 II.6.3 Le problème des images de phase........................................................................76 II.7 CONCLUSION............................................................................................................78 PRINCIPE DE LA CORRECTION DES DISTORSIONS...............................................81 III.1 VUE GÉNÉRALE ......................................................................................................82 III.2 NON LINÉARITÉS DES GRADIENTS..........................................................................84 III.2.1 Principe de la correction .....................................................................................85 III.2.2 Correction du profil et de la position de coupe en imagerie 2D............................86 III.2.3 Correction du plan de coupe en imagerie 2D.......................................................89 III.2.4 Correction du volume en imagerie 3D.................................................................92 III.2.5 Synthèse .............................................................................................................93 III.3 HÉTÉROGÉNÉITÉ DU CHAMP B .............................................................................930 SOMMAIRE 7 III.3.1 Influence sur le signal .........................................................................................93 III.3.2 Correction du profil et de la position de coupe en imagerie 2D............................96 III.3.3 Correction du plan de coupe en imagerie 2D.......................................................97 III.3.3-a) Imagerie classique.................................................................................97 III.3.3-b) Imagerie 2D par écho planar.................................................................99 III.3.4 Correction du volume en imagerie 3D...............................................................101 III.3.5 Synthèse...........................................................................................................101 III.4 INTERPOLATION...................................................................................................102 III.5 CONCLUSION........................................................................................................104 EVALUATION ET CORRECTION DES DISTORSIONS............................................105 IV.1 NON LINÉARITÉS DES GRADIENTS........................................................................106 IV.1.1 Modèle théorique..............................................................................................106 IV.1.1-a) Champ produit par des bobines de Helmoltz opposées.........................107 IV.1.1-b) Champ produit par un arrangement de Golay......................................109 IV.1.2 Quantification des distorsions ...........................................................................112 IV.1.2-a) Dispositif expérimental........................................................................112 IV.1.2-b) Détection des fronts.............................................................................114 IV.1.2-c) Estimation des paramètres de correction .............................................117 IV.1.3 Validation du modèle........................................................................................120 IV.1.3-a) Stabilité avec les séquences d’acquisition ............................................120 IV.1.3-b) Comparaison multimodale...................................................................122 IV.1.4 Résultats expérimentaux ...................................................................................124 IV.1.5 Synthèse...........................................................................................................127 IV.2 HÉTÉROGÉNÉITÉ DU CHAMP ...............................................................................127 IV.2.1 Quantification des distorsions ...........................................................................128 IV.2.2 Traitement des images de phase ........................................................................131 IV.2.3 Résultats expérimentaux ...................................................................................137 IV.2.4 Synthèse...........................................................................................................139 CONCLUSION ET PERSPECTIVES.............................................................................141 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES.........................................................................145 ANNEXES ........................................................................................................................155 A NOTIONS D’IRM ....................................................................................................156 A.1 Modèle énergétique .....................................................................................156 A.2 Mécanique classique ....................................................................................157 A.3 Résonance ...................................................................................................159 A.4 Impulsion radiofréquence.............................................................................160 A.5 Relaxation: retour à l'équilibre......................................................................162 A.6 Lecture: Temps d’Echo ...............................................................................163 8 A.7 Répétition: Temps de Répétition..................................................................164 A.8 Signaux d’Echo ...........................................................................................166 A.8.1 Echo d'impulsion RF (écho de spin) ............................................................166 A.8.2 Echo de gradient .........................................................................................169 A.9 Espace de Fourier ........................................................................................170 A.10 Les séquences de base..................................................................................172 A.11 Evolution des séquences d’acquisition..........................................................179 B RAPPELS D’ÉLECTROMAGNÉTISME .......................................................................179 B.1 Cas d’une spire circulaire .............................................................................179 B.2 Cas d’une portion de courant rectiligne........................................................179 B.3 Systèmes à symétrie de révolution................................................................179 C TOMODENSITOMÉTRIE...........................................................................................179 D SCANNERS ET FORMAT D’IMAGES : LES OUTILS DÉVELOPPÉS...............................179 9 LISTE DES TABLES Tableau I. Dimensions théoriques du fantôme (mm) ............................................................113 Tableau II. Paramètres de correction de l’appareil IRM1.....................................................119 Tableau III. Paramètres de correction de l’appareil IRM2 ...................................................120 Tableau IV. Mesures des dimensions du fantôme (mm) .......................................................124
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