Conception, simulation et réalisation d’un processeur optoélectronique pour la reconstruction d’images médicales

par Morgan. Madec

Thèse de doctorat en Electronique, Electrotechnique et Automatique. Optoélectronique

Sous la direction de Yannick Hervé.

Soutenue en 2006

à Strasbourg 1 .


  • Résumé

    Le traitement optique des données tomodensitométriques fournies par les systèmes d’exploration volumique pourrait permettre d’accélérer considérablement les algorithmes de génération d’images dans le but de répondre aux besoins des futurs systèmes de thérapie assistée. Dans ce document, deux architectures optiques, correspondant aux deux opérations de base dans ce domaine, sont présentées : un système de filtrage et un système de rétroprojection. Ils sont abordés sous l’aspect matériel, puis sous l’aspect algorithmique. Quelle que soit la fonction réalisée, un processeur optique est toujours constitué de sources de lumière, d’afficheurs et de capteur d’images. L’état de l’art de ces composants révèle une faiblesse au niveau des afficheurs (SLM). En particulier, les SLM à base de cristaux liquides ferroélectriques sont étudiés en détail (modélisation, simulation et caractérisation de produits existants). L’intérêt des systèmes optiques de traitement est examiné à la fois du point de vue du temps de calcul, en comparaison avec les technologies numériques classiques, et en terme de qualité de traitement. Pour cela, les deux systèmes sont étudiés, dans un premier temps en simulation à l’aide d’un modèle approprié, puis expérimentalement sur un prototype. Dans le cadre du processeur de filtrage, les résultats restent plutôt moyens. Le rapport signal à bruit (SNR) sur les images reconstruites est de l’ordre de 20 dB en simulation avec un modèle dans lequel la majorité des distorsions géométriques n’ont pas été prises en compte. Les résultats expérimentaux mettent encore mieux en avant les limites de la méthode. Le travail de la lumière cohérente semble être un obstacle important. En revanche, les résultats avec le processeur de rétroprojection sont plutôt encourageants. Le modèle, beaucoup plus complet, et les simulations montrent qu’il est possible d’obtenir des images de qualité comparable à celles obtenues par calcul numérique (plus de 50 dB de SNR), avec une accélération d’un à deux ordres de grandeur. Les résultats obtenus avec le prototype expérimental confirment le potentiel de cette architecture. Une extension de ce travail concernant la réalisation d’un processeur hybride dédié à des algorithmes plus complexes (ex : l’algorithme ASSR pour la reconstruction d’image des CT-scan) est également présentée à la fin de ce document.

  • Titre traduit

    Conception, simulation et réalisation d’un processeur optoélectronique pour la reconstruction d’images médicales


  • Résumé

    Optical processing can be used to speed up some algorithms of image reconstruction from tomodensitometric data provided by volume exploration systems. This may be of high interest in order to meet the needs of future assisted therapy systems. Two systems are described in this document, corresponding to the two main steps of the above mentioned algorithms: a filtering processor and a backprojection processor. They are first considered under a material point of view. Whatever function it may compute, an optical processor is made up of light sources, displays and cameras. Present state-of-the-art devices highlight a weakness in display performances. Special attention has been focused on ferroelectric liquid crystal spatial light modulators (modelling, simulations, and characterizations of commercial solutions). The potential of optical architectures is compared with electronic solutions, considering computation power and processed image quality. This study has been carried out for both systems first in simulation, with a reliable model of the architecture, and then with an experimental prototype. The optical filtering processor does not give accurate results: the signal to noise ratio on the reconstructed image is about 20 dB in simulation (the model used does not take into account the majority of geometrical distortions) and experimental measurements show strong limitation, especially when considering the problem of image formation with coherent lighting (speckle). On the other hand, results obtained with the optical backprojection processor are most encouraging. The model, more complete and accurate than the filtering processor, as well as the simulations, shows that processed image quality can be virtually equivalent to the one obtained by digital means (signal to noise ratio is over 50 dB) with two order of magnitude speed-up. Results obtained with the experimental prototype are in accordance with simulations and confirm the potential held by the architecture. As an extension, a hybrid processor involving the backprojection processor for the computation of more complex reconstruction algorithms, e. G. ASSR for helical CT-scan, is proposed in the last part of the document.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (LII-236 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 215-229

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2006;5216
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