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Séance du 28 juin 2011

Navigation endoscopique et transparences corporelles par scanner à RX, une étape en imagerie in vivo

MOTS-CLÉS : cardiologie. diagnostic par imagerie. endoscopie gastrointestinale.
Virtual endoscopic navigation and body transparency based on computed tomography. A step towards in vivo imaging
KEY-WORDS : diagnostic imaging.magnetic resonance imaging.

Emmanuel-Alain Cabanis *, Rodolphe Gombergh, Albert Castro, Iradj Gandjbakhch *, Marie-Thérèse Iba-Zizen, François Dubois *

Résumé

Le progrès du traitement informatique des données numériques acquises par scanner RX de Haute Résolution (HR) réduit l’irradiation et améliore la performance diagnostique. Dix-neuf observations (parmi cinq mille) de patients adultes consultants avec scan RX HR (64 détecteurs, protocoles d’acquisition et d’exposition en mSv), balayage spiral, coupes de 0,6 mm, PACS 5To) sont présentées. Aux deux traitements d’images usuels (affichages en 60 valeurs de gris, matrices 5122 et 10242 puis stations de travail en coronaroscopie et colonoscopie virtuelles avec 2D multiplanaire, surfacique, volumique 3D, dissection et navigation) un troisième traitement sur unités haute capacité s’ajoute ici. Matrice variable extrapolée, coloration en courbes modulables, éclairage à orientation et transparence variables, s’enchaînent. Le film numérique, « voyage » de 16 m, groupe les dix-neuf navigations en cinq régions, de la tête aux bronches, du cœur aux artères coronaires, de l’appareil digestif à l’abdomen et au pelvis, menant à l’exemple d’un contrôle post-opératoire de greffon aortique. Dix planches le résument ici. En résulte un bénéfice coût (radioprotection) — efficacité diagnostiques (aires visuelles) dans la prise en charge du patient (dépistage, suivi thérapeutiques). L’éthique (patient et Président des USA, demandeurs) est évoquée.

Summary

Progress in HR-CT data processing has led to lower X-ray exposure and to better diagnostic performance. We describe 19 adult patients (among 5000) examined by HR CT, with 64 detectors, acquisition and exposure protocols in mSv, spiral, 0.6-mm slices, 5To PACS. After the two usual processing steps (60 gray values, 5122 and 10242 matrices, dedicated workstations for coronaroscopy and virtual coloscopy, 2D multiplanar reformation, surfacic, 3D volumes with dissection and navigation), a third original data processing step on additional workstations was added. Variable matrix extrapolated images, flexible colored curves (different from anatomical conventions), lighting (sources) and transparencies (unavailable with traditional endoscopy) were used. The digital film is a 16-minute ‘‘ journey ’’ consisting of 19 endo-body navigations in 5 regions, from the head to the bronchi, from the heart to the coronary arteries, and from the digestive tract to the abdomen and pelvis. One possible application is post-operative verification of an aortic graft. The movie is illustrated here with ten plates. This new approach is cost—effective and beneficial for the patient, in terms of early diagnosis and therapeutic follow-up. Ethical issues are also examined.

Informationcardiologie, diagnostic par imagerie, endoscopie gastrointestinale, imagerie par résonance magnétique, pneumologie, vaisseaux sanguinsVirtual endoscopic navigation and body transparency based on computed tomography. A step towards in vivo imagingdiagnostic imaging.magnetic resonance imaging.Emmanuel-Alain Cabanis *, Rodolphe Gombergh, Albert Castro, Iradj Gandjbakhch *, Marie-Thérèse Iba-Zizen, François Dubois *Le progrès du traitement informatique des données numériques acquises par scanner RX de Haute Résolution (HR) réduit l’irradiation et améliore la performance diagnostique. Dix-neuf observations (parmi cinq mille) de patients adultes consultants avec scan RX HR (64 détecteurs, protocoles d’acquisition et d’exposition en mSv), balayage spiral, coupes de 0,6 mm, PACS 5To) sont présentées. Aux deux traitements d’images usuels (affichages en 60 valeurs de gris, matrices 5122 et 10242 puis stations de travail en coronaroscopie et colonoscopie virtuelles avec 2D multiplanaire, surfacique, volumique 3D, dissection et navigation) un troisième traitement sur unités haute capacité s’ajoute ici. Matrice variable extrapolée, coloration en courbes modulables, éclairage à orientation et transparence variables, s’enchaînent. Le film numérique, « voyage » de 16 m, groupe les dix-neuf navigations en cinq régions, de la tête aux bronches, du cœur aux artères coronaires, de l’appareil digestif à l’abdomen et au pelvis, menant à l’exemple d’un contrôle post-opératoire de greffon aortique. Dix planches le résument ici. En résulte un bénéfice coût (radioprotection) — efficacité diagnostiques (aires visuelles) dans la prise en charge du patient (dépistage, suivi thérapeutiques). L’éthique (patient et Président des USA, demandeurs) est évoquée.

Progress in HR-CT data processing has led to lower X-ray exposure and to better diagnostic performance. We describe 19 adult patients (among 5000) examined by HR CT, with 64 detectors, acquisition and exposure protocols in mSv, spiral, 0.6-mm slices, 5To PACS. After the two usual processing steps (60 gray values, 5122 and 10242 matrices, dedicated workstations for coronaroscopy and virtual coloscopy, 2D multiplanar reformation, surfacic, 3D volumes with dissection and navigation), a third original data processing step on additional workstations was added. Variable matrix extrapolated images, flexible colored curves (different from anatomical conventions), lighting (sources) and transparencies (unavailable with traditional endoscopy) were used. The digital film is a 16-minute ‘‘ journey ’’ consisting of 19 endo-body navigations in 5 regions, from the head to the bronchi, from the heart to the coronary arteries, and from the digestive tract to the abdomen and pelvis. One possible application is post-operative verification of an aortic graft. The movie is illustrated here with ten plates. This new approach is cost—effective and beneficial for the patient, in terms of early diagnosis and therapeutic follow-up. Ethical issues are also examined.

Si Jean Bernard écrit « après les antibiotiques et la génétique, l’imagerie est la troisième révolution médicale » (1996 [1]), le mot « endoscopie » arrive avec l’uté- roscope de Desormeaux (1852), l’oesophago-gastroscope (1868) et le bronchoscope (1879). Ces tubes rigides introduits dans les cavités sont devenus fibroscopes à image numérisée faisant observer, prélever et opérer [2]. L’ANAES dès 2001, le consensuel « Guide du bon usage des examens d’imagerie médicale » ensuite (2005) puis l’HAS (2010) détaillent l’endoscopie par scanner RX, l’informatisation « remplaçant l’introduction d’un matériel dans le corps » [3, 4]. Après les RX de W.C. Roentgen ayant rendu le corps transparent (08.11.1895, 1er Prix Nobel de Médecine en 1903), le scanner RX numérisant l’image (1972, Prix Nobel en 2003) l’innofensive IRM par RMN suit [5]. Un communiqué de la Présidence des USA annonce sur internet, le 28 février 2010 à 22h37 : « (…)The President Barak Obama did a so-called « vitual » colonoscopy, not imposing in the intestine device with a video camera (…) » [6]. Le constat audio-visuel numérique de ce travail (Pl.1 à Pl.10) soulève cinq questions.

Question no 1 : quelle(s) technique(s) ?

Dix-neuf observations d’adultes (2005-2010), âgés de 37 à 82 ans, des deux sexes, parmi 5 000 acquisitions en scanner RX (archivées sur PACS), à 64 coupes simultanées (détecteurs), mouvement spiral de 20s, épaisseur de 0,6 mm et limitation automatique de doses à 0,1-0,5 mSv, se succèdent dans une vidéo numérique de 19 m. Après acquisition, un premier traitement d’image (512 x 512 et 1024 x 1024) affiche les centaines de valeurs de gris à fenêtrer, notre rétine en distinguant 60 . Des stations de travail de coronaro et coloscanner appliquent le second traitement, en reconstructions 2D multi-planaires (tranches sur volumes), 3D surfaciques et volumiques, navigation avec repérage biométrique. En rythme cardiaque normalisé, la trace aplanie de l’artère coronaire s’affiche, comme la topographie de ses calcifications et de ses rétrécissements éventuels. En coloscopie (après insufflation douce) la surface muqueuse est virtuellement ouverte en deux, en pro- puis décubitus. Un 3e traitement des images, original (logiciel « RvG-vla »), sur ordinateurs de haute capacité, procure alors une matrice d’interpolation en haute définition (105 à 109 éventualités) des couleurs et des transparences. La segmentation colorée hors conventions anatomiques, contrastes et luminosités, sens des éclairages, transparence et animations 3D et 4D, articulent le calcul [7].

Question no 2 : cette navigation, pour le bénéfice de quels patients ?

Après une brève note technique, cinq chapitres sont introduits par une dissection coronale animée (M. Jules X…, 37 A.). Ils groupent dix-neuf séquences , de la tête au pelvis : tête et cou, trachée et bronches, cœur et vaisseaux, tube digestif et abdomen pelvis, appareils uro-génital et ostéo-articulaire, rachis et articulation coxofémorale, contrôle chirurgical aortique. Dix planches iconographiques résument cette navigation (pl. 1 à pl. 10). En coronaroscopie virtuelle, les scanners RX à 64 détecteurs codifient rapidement les indications, notamment en aplanissant les sinuosités coronaires (mesure du calibre perméable avec résolution de 0,6-0,23 mm) et en offrant un score calcique artériel. Le tableau suivant résume un rapport d’évaluation du diagnostic précoce des coronaropathies (« WIP » = Work in Progress, travail en cours), dont les données restent d’actualité en 2011 [8]. En premier lieu, le dépistage de la maladie coronaire et son diagnostic précoce sont une nécessité, d’abord chez les patients à risque. En second lieu, le dépistage des patients asymptomatiques, assuré hier par l’épreuve d’effort et la scintigraphie myocardique (et/ou échographie cardiaque) sensibilisées au Dobutrex*, à erreur de +/- 15 %, est remplacé par le scanner RX. Sa valeur prédictive négative est élevée : 96 %. Les lésions coronaires en topographie, degré et nombre, déclenchent le traitement. Un syndrôme douloureux thoracique aigu faisant redouter infarctus, anévrysme aortique ou embolie pulmonaire indiquent, aujourd’hui, un scan RX premier, révèlant des artères coronaires normales et/ou des lésions distales et/ou peu importantes, selon une sémiologie établie et quelques questions restantes (4e rencontres des sociétés de cardiologie et de radiologie, Paris, 26 mars 2011 [9]). Le contrôle de pontage aorto-coronarien ou de stent, comme la surveillance évolutive de la maladie (malformations coronaires chez les enfants) sont devenus autant d’indications, l’iode n’étant plus une contreindication (prémédication). Le scan RX, indolore et inoffensif, est ambulatoire, offrant plusieurs centaines de coupes avec une apnée de 10 s. Évitant le geste invasif par sa valeur prédictive négative, il détecte des lésions qui ne déformant pas la lumière de l’artère (plaques molles) et, même si le scan irradie plus, les doses délivrées sont désormais réduites. Ici, haute résolution, colorisation et navigation secondaires s’ajoutent, avec des résultats inattendus, comme cette plaque d’athé- rome, flottant dans le torrent artériel, et soulevant la question primordiale de son détachement éventuel (Pl.5) [10]. La spécificité coronaroscopique virtuelle est plus faible (75 %) que celle de la coronarographie qui traite les lésions détectées (stents), donc référence préopératoire (hospitalisation, ponction artérielle et montée de sonde pour angioplastie, en un seul temps).

 

Coronarogr.

 

Echocardio

Scintigr.

 

Scanner RX

IRM

A. coronaires ++++ – – +++ Wip – – – +++ Wip Plaque atherom.

Viabilité myoc.

– ++ +++ Wip +++ – – +++ Wip +++ Perfusion myoc.

Fonction ventricul.

+ ++ + ++ +++ Morphologie + ++ – +++ ++ En coloscopie virtuelle, impossibilité endoscopique, crainte de l’anesthésie générale ou bilan de contrôle après premier examen endoscopique négatif sont indications de scan RX. Protocoles et sémiologie en sont désormais établis [11]. Par ailleurs, les capsules RFID avalées par le patient (nanotechnologie et vidéo électromagnétique embarquée avec stations de travail) appartiennent désormais à la routine [12].

Question no 3 : quelles limites à cette navigation intra-corporelle ?

D’abord celles de la radioprotection, objet d’un effort mondial. La balance « coût » (machines, informatique, irradiation) — « bénéfice » (précocité et innocuité diagnostiques, suivi thérapeutique non invasif) du Scanner RX (dès 1972) est tellement positive qu’elle augmente vite les actes, donc l’irradiation radiologique moyenne.

Pédiatrie, cardiologie et radiologie s’en sont émues [13]. Rappelons que l’unité d’exposition (dose efficace) est le milli Sievert (mSv) (physicien suédois du xixe s. et « Système Informatisé d’Évaluation par Vol de l’Exposition aux Rayonnements cosmiques dans les Transports aériens ») [14].

Quelques repères : 1mSv = dose naturelle en 17 mois à Paris (9 mois en Limousin) = 7 vols aller-retour Paris Tokyo ou Paris San Francisco, le rayonnement cosmique à 11 000 m étant 200 fois celui du niveau de la mer = 1,5 jour en station MIR (400 000 m). La dose d’exposition des équipages long-courriers = la radioactivité naturelle.

Le calcul d’exposition de chaque organe rapportée à sa radio-sensibilité, en 5 degrés selon région, organe et pathologie, varie de « 0 » = radiations non ionisantes (ultrasons et IRM), à « I » (< 1 mSv) = radiographies pulmonaires et des membres, « II » (1-5mSv) = vie sur terre, exposition naturelle/an en France, radiographies du bassin, du rachis lombaire, UIV, scan RX de la tête et du cou, scintigraphie squelettique, « III » (5-10 mSv) = scan RX du thorax ou de l’abdomen, scintigraphie myocardique, TEP au FDG, « IV » (>10 mSv) = scintigraphies Thallium et médecine nucléaire, PET-scan ou radiologie interventionnelle.

L’effort est règlementaire et technologique. Règlementairement, depuis 2001, législations en radioprotection et guides de procédures, américains, européens et français (C.S.P, art. R.1333.71, ASN en mars 2010 à l’OMS) renforcent sûreté nucléaire et radioprotection des patients et personnel (« personne compétente en radioprotection ») dans les services hospitaliers, contrôles de qualité) et guident les constructeurs [15 à 17]. L’objectif d’une exposition suivant l’acronyme « alara » (« As Low

As Reasonnably Achievable » ou « aussi basse que raisonnablement possible ») est devenu la règle d’or mondiale en sécurité nucléaire, déchets industriels, RX et cosmiques (navigants, spationautes), nano-technologies et radiologie. Le Guide du bon usage des examens en imagerie médicale est consensuel (sociétés, agences et ministère) applique les deux principes d’optimisation en radiologie et médecine nucléaire, rationalisation des indications et optimisation, pour un diagnostic de qualité à plus faible dose possible (préférant les techniques non irradiantes, IRM et ultrasons) [3].

Rappelant vérité scientifique et bon sens clinique (2003 à 2005, rapport Académies médecine sciences sur la relation dose effet des rayonnements ionisants et leurs effets cancérogènes à faibles doses), l’Académie a redéfini l’exposition et l’effet stochastique d’une hypothèse linéaire sans seuil (LNT, Linear No-Threshold ) ou à incertitude, par ignorance, présomption de LNT ou susceptibilité génétique, nuisances et environnement [18]. Conséquence heureuse et immédiate, l’imagerie du cœur (notemment) déclenche un effort technologique et industriel de dix ans , grâce à la difficulté de l’obstacle à vaincre, la cinétique cardio-thoracique.

Autrefois, des minutes (vite réduites à des secondes) d’acquisition d’une coupe, restent incompatibles avec le mouvement cœur thorax. Rappelons que les années 80 (durée < 100 ms, trop longue pour les coronaires de calibre 1-3 mm) reconnaissent seulement les calcifications, corrélées avec l’accident coronarien, le thorax adjacent étant flou. Plusieurs acquisitions au même moment du cycle cardiaque (ECG) sont nécessaires, d’où l’irradiation >15 mSv. Les années 95 (scanner RX 8-16 coupes) offrent le 3D cardiaque, la mesure du volume ventriculaire systolo-diastolique et la fraction d’éjection. Mais le rythme cardiaque (bêta-bloquants IV) et la brièveté d’apnée conditionnent les flous. Avec les années 2005 (64 coupes) arrive l’imagerie des coronaires, mais au prix d’une irradiation valant plusieurs radiographies du thorax. Années 2010 : la chaîne RX complète est renouvelée et réduit, à qualité d’image conservée, la dose d’exposition de 40 à 83 % en cardiologie et de 50 % en corps entier. Ce progrès eut été impensable il y a vingt ans ans, car cela aurait effondré le rapport signal/bruit.

Sept progrès sont intervenus : — émission des RX brève et pulsée sous commande ECG (ex : 1 acquisition/5 battements), ce qui réduit la dose de 83 % (artères coronaires en diastole à réplétion ventriculaire), déclenchement de l’acquisition par le contraste iodé IV (40-90 ml, contre-indications rénales et allergiques banales) ;

— RX à double énergie (KiloVolts, kV), adaptés au rythme cardiaque, ce qui améliore les images dans le champ (50 cm) et caractérise les tissus ; — balayage spiral du tube RX ( avançée de la table simultanée à la rotation des RX) et non plus circulaire, ce qui augmente le nombre des coupes et réduit leur temps ; — logiciels traitant des centaines de coupes (> nb détecteurs) ; — détecteurs multipliés (320 dès 2007) et plus sensibles (cristaux 100 fois plus rapides, < 1 s.) ; — algorithmes de reconstruction des données brutes (itérative adaptative, sur milliers de coupes du thorax, tous les 10 % du cycle à 10/cycle), éliminant le bruit ; — sept consoles dédiées.

Planche 1. — IRM de la tête (Gustave G., 26 A.), encéphale, reformation 3D surfacique en vue latérale gauche avec superposition de l’hippocampe et du trigône (segmentation dorée) ;

Planche 2. — Scan RX de la tête, en ht (G et D, Charlotte B. 56 A.), 3D du polygône artériel de la base de l’encéphale, anévrysmes des 2 a. carotides internes supra-clinoïdiennes ; en ba (G et D, Li H., 52 A.), 3D des sinus maxillaires, polypose diffuse.

(G pour gauche, D pour droite, ht pour en haut, ba pour en bas)

Planche 3. — Scan RX corps entier (Maurice P., 37 A.), 3D verticaux, de G à D, médian (reins, bifurcation aortique, os iliaque), postérieur (rachis, poumons), antérieur (cœur, foie, rate) ;

Planche 4. — Scan RX du thorax, G en ba (Eléonore M., 57 A.), métastases pulmonaires disséminées, G en ht, D, ht et ba (Jean-Pierre T., 51 A.), 3D naso-laryngé puis endo-trachéal, depuis le vêtement (G, ht), trachée et carène (D, ht) jusqu’aux bronches (D, ba).

Planche 5. — Coronaro-scan RX, G (ht et ba), D en ba (Bertrand A., 82 A.) : 9 calcifications sur le trajet de l’IVA, en exoscopie (transparence) et endoscopie (flux pariétal rouge) ; D en ht (Bernard C., 60 A.), voussure de l’intima « en drapeau » : plaque athéromateuse molle [13].

Planche 6. — Scan RX thoraco-abdominal, en ht (G) gastrique, en ht (milieu) plis musculaires marqués et, en ba (G), schwannome découvert par la coloscopie virtuelle, puis navigation duodéno-jéjuno-colique (haustrations triangulaires, différant des jéjuno-iléales, circulaires).

Planche 7. — Colo-scan RX, en ht (G,) trace biométrique de l’endoscopie, (G ba) en dé- et procubitus, (D, ht), endoscopie-dissection virtuelle (tumeur) et 3D surfaciques du polype.

Planche 8. — Scan RX abdomino-pelvien, à G, vascularisation d’ensemble et surrénalome D, à D, plan agrandi sur la tumeur néovascularisée.

Planche 9. — Scan RX abdomino-pelvien (M. Cecil O., 81 A.), à G (ht, ba) navigation endocanalaire cervicale puis D (ht et ba), exo-canalaire thoracique (lames, processus épineux…).

Planche 10. — Scan RX abdomino-pelvien (M. Maurice A…57 A.), à G navigation pré- et à D post-opératoire (perméabilité de la prothèse).

 

Question no 4 : avec quel avantage en efficacité diagnostique ?

Le cerveau du médecin voit plus et mieux. Substituée aux immobiles gammes de gris du noir au blanc des images habituelles, la vision animée et colorée active nos trois aires-relais corticales spécialisées, en contraste (V3), couleur (V4) et mouvement (V5), simultanément, optimisant ainsi la résolution temporelle et spatiale de notre vision. Les photons du spectre visible (450-860 nm) déclenchent les cascades biochimiques des photorécepteurs de chaque rétine (6 millions de cônes sensibles au rouge ou bleu-vert et 125 millions de batonnets). En champs récepteurs rétiniens, ils déclenchent une conduction rétino-corticale somatotopique, demi croisée, parvo et magno-cellulaire. Ainsi, 1,7 million de deutoneurones, derrière chaque papille optique, parcourent-ils les quatre segments du nerf optique jusqu’au chiasma, décussent, puis suivent les bandelettes (tractus) et les synapses vers les corps géniculés somatotopiques. En émergent les 3e neurones (radiations optiques) vers les colonnes du cortex occipital (aires V1 et V2, puis V3 à V5), d’où naissent les voies efférentes pariéto-frontale (oculomotricité, vision du relief, cognition, prévision), temporale (mémoire), dorsale rapide (contraste et mouvement) et ventrale lente (couleurs), comme les réseaux centraux. Notre cortex construit mieux l’image anatomique, normale et/ou pathologique.

Question no 5 : avec quel futur possible ?

Cette biométrie directe, numérisée à l’acquisition (image non déformée optiquement, traitable en stations, stockable, volatile et transmissible), progresse avec l’informatique (CAD, simulation, modélisation, robotique, chirurgie assistée, invasive minimale), le diagnostic précoce et individualisé, la chirurgie assistée, la médecine moléculaire et personnalisée, comme avec le suivi thérapeutique médicochirurgical inoffensif (cancérologie) [19]. Mais la vitesse de calcul pour cette résolution spatiale et temporelle maximale, hier lente (des centaines d’heures, image par image, en millions de voxels-pixels), aujourd’hui rapide (processeurs multi cœurs), demain presque instantanée (« nuage ») pour le « 4D ». G. Moore (1e microprocesseur en 1971, 2.300 transistors 4bits, 108 kHz), devant le doublement annuel des semiconducteurs (1959), postule leur croissance exponentielle (1e Loi de Moore). En 1975, il énonce que la densité des transistors sur la puce de silicium des microprocesseurs double tous les deux ans (2e loi de Moore), les machines électroniques devenant de moins en moins coûteuses. Mais, dès 2004, la courbe (des fréquences) ralentit par bruit quantique, désintégration alpha et échauffement (dissipation thermique). Aujourd’hui, la fréquence atteint 5 GHz par puce à double processeur synchrone (Intel Core Duo 2006) ou puces asynchrones (cf. record IBM = 500 GHz par puce refroidie à -269° C, He liquide).

En conclusion , l’endoscopie virtuelle ne concurrence pas l’endoscopie optique (photonique). Elle la complète, dans le sillage du progrès informatique. L’imagerie traitée 3-4D fait percevoir le détail anatomique. Si ce qui n’est pas scientifique n’est pas éthique et ce qui est scientifique n’est pas forcément éthique (CCNE, C.N.O.M, 30.11.06), la nouvelle radioprotection impose de mettre ce progrès, de sécurité, au service des patients et de leurs médecins. Ils l’attendent.

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* Membre de l’Académie nationale de médecine ; e-mail : emmanuel.a.cabanis@gmail.com Tirés à part : Professeur Emmanuel-Alain Cabanis, même adresse Article reçu le 30 mars 2011, accepté le 27 juin 2011

 

Bull. Acad. Natle Méd., 2011, 195, no 6, 1385-1397, séance du 28 juin 2011