Influence du mouvement des organes et des paramètres d'acquisition sur la qualité de l'image en scanographie : application à la détermination de la composition chimique des calculs rénaux

par Romain Grosjean

Thèse de doctorat en Bioingénierie

Sous la direction de Jacques Hubert.

Soutenue le 22-09-2008

à Nancy 1 , dans le cadre de BioSE .

Le président du jury était Olivier Traxer.

Le jury était composé de Alain Blum, Patrick Clarysse, Michel Daudon, Jacques Felblinger, Jacques Hubert, Olivier Traxer.

Les rapporteurs étaient Patrick Clarysse, Michel Daudon.


  • Résumé

    Malgré les nombreuses améliorations qu’a connu la scanographie au cours de ces vingt dernières années, la qualité des images scanographiques reste fortement influencée par le mouvement (volontaire ou involontaire) du patient. La scanographie étant une technique irradiante basée sur l’utilisation des Rayons X, il est impossible d’étudier l’influence du mouvement des organes sur la qualité de l’image en plaçant des sujets sains dans la machine puisque l’exposition non justifiée des personnes au rayonnement est interdite. Des fantômes doivent donc être utilisés pour quantifier la qualité des images. De nombreux fantômes permettant de quantifier la qualité de l’image existent dans le commerce, mais aucun n’est mobile, nous avons donc dû concevoir et fabriquer une plate-forme de mouvement permettant de simuler des mouvements physiologiques. Cette plate-forme nous a permis de montrer que l’influence du mouvement dépendait de la taille, de la forme et du contraste de l’objet étudié. Le mouvement peut engendrer une déformation de l’objet, un redimensionnement et à une modification de sa valeur d’atténuation moyenne. Le mouvement conduit donc à une perte d’information sur la localisation, sur la densité, sur le volume et sur la forme des objets qui ont bougé durant l’acquisition. Cette perte d’information est d’autant plus importante que l’amplitude et/ou la vitesse du mouvement sont élevées. L’utilisation de scanners de générations et de technologies différentes nous a également permis d’étudier l’influence des paramètres d’acquisition (pitch, kV, mAs, vitesse de rotation du tube…) sur la qualité de l’image avec ou sans mouvement. Cette étude a mis en évidence le fait que le choix de paramètres d’acquisition pertinents était primordial pour obtenir une image optimale. L’influence du mouvement sur la qualité de l’image n’est également pas la même en fonction des paramètres d’acquisition choisis. L’étude de l’influence du mouvement et celle des paramètres d’acquisition a ensuite été appliquée à la technique de détermination de la composition chimique des calculs rénaux en CT. Cette technique, basée sur les valeurs d’atténuation aux RX des calculs rénaux, permet théoriquement de caractériser la nature chimique du calcul afin de choisir rapidement le meilleur moyen de traitement possible (LEC, chirurgie…). Pour mener à bien cette étude nous avons collectés des calculs obtenus après interventions urologiques chez des patients. Une analyse morphoconstitutionnelle préalable nous a permis de connaître leur composition chimique. A l’aide de la plus grande série de calculs jamais publiée et d’un fantôme « gelée » développé au sein du laboratoire et respectant au mieux les conditions d’absorption et d’atténuation du rein, nous avons ainsi réussi à mettre en place un protocole permettant de déterminer, avec une précision de 95%, la nature chimique du composant majoritaire d’un calcul. Cette technique, dite de « double énergie », permet d’identifier chaque type de calcul en se basant sur les valeurs d’atténuation aux RX d’un calcul obtenues à 80 et à 120 kV.La technique de « double énergie » n’est malheureusement plus valable quand le fantôme est mis en mouvement. En effet le mouvement génère des artefacts qui engendrent une modification des valeurs d’atténuation des calculs. L’échelle de valeurs, obtenues sans mouvement, permettant d’identifier un calcul n’est alors plus utilisable. Notre technique de caractérisation des calculs purs est donc efficace si et seulement si aucun mouvement n’a lieu durant l’acquisition.

  • Titre traduit

    Influence of organs motion and of acquisition parameters on CT image quality : application to the renal stones chemical composition determination


  • Résumé

    Despite all the improvements known by the Computed Tomography (CT) during the last 20 years, the CT image quality remains heavily influenced by the voluntary or involuntary patient motion. Since the CT is an irradiating imaging modality based on X-rays, it is impossible to study the influence of the organs motion on the image quality by using healthy subjects. Indeed, the unjustified exposure to radiation is prohibited. Consequently, phantoms have to be used to quantify the image quality. Such phantoms are commercially available but none is mobile. We have so designed and built a dynamic platform allowing the simulation of organs motion. This platform allowed us to show that the influence of the motion on image quality depended on the size, the shape and the contrast of the studied object. The motion led to a deformation, a resizing, and to a decreasing of the CT attenuation values of the studied object. The more the speed and the amplitude of the motion were, the more the loss of the information about the object was. The use of CT scanners of different generations, different technologies and different builders allowed us to study the influence of CT acquisition parameters on the image quality with and without motion. This study has highlighted the fact that the choice of the right CT parameters (pitch, kV, mAs, gantry rotation time…) was very important on the determination of the image quality. The influence of theses parameters were not the same with and without motion applied during the acquisition. Once these results obtained, we have tried to develop a technique of determination of the chemical composition of renal stones in CT. This technique is based on-the CT-attenuation values of the renal stones. It allows to characterize rapidly the chemical composition of the renal stone into choose as quickly as possible the best diagnosis and the best treatment (surgery, NPLC…). With the largest number (n = 241) of stones so far described, to our knowledge and with a home made jelly phantom respecting the absorption and the X-ray attenuation of the kidney, we have develop a protocol allowing to determine the chemical nature of the major component of a stone, with a 95% precision. Our dual-energy method allows to identify each stone based on the CT-attenuation values obtained at 80 kV and at 120 kV. Sadly, this method is no more applicable when the phantom moves during the acquisition. Indeed the motion induces decreasing of CT-attenuations values and consequently the scale of values obtained with no motion is no more usable. Our characterization technique works only if absolutely no motion occurs during the acquisition.


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