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Low-dose Computed Tomography for pediatric applications

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Réduire les radiations, améliorer la qualité des examens: une nouvelle ère pour l’imagerie par tomodensitométrie

L’usage de la tomographie assistée par ordinateur est très répandu dans l’UE, et les images qu’elle permet d’obtenir sont indispensables au traitement de toute une série d’affections. Mais les radiations reçues par les patients sont potentiellement nocives, en particulier pour les enfants, ce qui a conduit un projet de recherche à optimiser la qualité des images tout en minimisant le niveau d’exposition.

Santé

En 2018, environ 60 millions d’examens de tomographie assistée par ordinateur (CT, pour «computerised tomography») ont été réalisés dans l’UE. La CT est l’une des méthodes d’imagerie médicale les plus répandues, et peut être utilisée pour toute une série de pathologies, telles que les accidents vasculaires cérébraux, les maladies cardiovasculaires, les traumatismes, les maladies pulmonaires et les cancers. Chez les enfants, les examens CT sont par exemple utilisés pour diagnostiquer les cardiopathies congénitales, trouver des tumeurs, étudier les déformations du squelette, identifier les modifications post-traumatiques du cerveau et planifier une intervention chirurgicale. Dans certains cas, notamment celui du cancer, plusieurs examens doivent être effectués afin de suivre l’évolution de la pathologie au fil du temps. En raison de la nature potentiellement dangereuse des rayonnements ionisants, la dose de radiations doit être maintenue au plus bas niveau possible, ce qui s’avère particulièrement important quand on cherche à obtenir des images concernant des enfants. Il arrive toutefois, en cas de nécessité, que les avantages l’emportent sur les risques. Le projet LowD-CT de l’UE s’est efforcé de réduire les besoins en termes d’exposition. «Nous avons réussi à mettre au point un algorithme de reconstruction d’image qui améliore considérablement la qualité de l’image pour une dose de radiations donnée, même si nous n’avons pas encore évalué ses performances par rapport aux techniques de pointe actuelles», explique Mats Persson, chercheur principal et professeur adjoint de physique à l’Institut royal de technologie KTH de Stockholm, en Suède.

Une image plus nette avec moins de radiations

Lorsqu’on effectue un tomodensitogramme sur un patient, on mesure la quantité de rayons X transmis à travers le patient à partir de différentes directions. Un processus appelé «reconstruction d’image» est ensuite employé pour transformer les données mesurées sous la forme d’une image tridimensionnelle ou, plus précisément, pour obtenir une carte des propriétés d’atténuation des rayons X du tissu en chaque point du volume imagé. Les tomodensitomètres commerciaux utilisés en clinique jusqu’à présent sont tous basés sur un type de détecteur dit «à intégration en énergie», car le détecteur mesure la quantité totale d’énergie incidente des rayons X par unité de temps. Les détecteurs à comptage de photons, quant à eux, peuvent compter les photons individuellement et mesurer leurs énergies respectives. Ces informations supplémentaires améliorent la qualité de l’image. Mats Persson explique: «Avec un détecteur à comptage de photons comme celui qui a été développé dans notre groupe de recherche, nous sommes capables de réduire le “bruit” dans ces images, tout en améliorant leur résolution spatiale.» Le projet évalue également la distribution énergétique des rayons X transmis afin d’identifier la composition des matériaux présents à l’intérieur du corps. Il existe un petit nombre de prototypes de tomodensitomètres à comptage de photons dans le monde, et l’un d’entre eux est basé sur le détecteur au silicium mis au point par une initiative de recherche plus vaste et globale dont le projet LowD-CT fait partie. Alors que l’objectif de cette plus vaste initiative consiste à développer une technologie CT axée sur le comptage de photons couvrant à la fois les aspects matériel et logiciel, le projet LowD-CT, financé par une subvention du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, s’est concentré sur la partie logicielle. «Nous avons mis au point de nouvelles méthodes de reconstruction d’image pour exploiter au mieux les informations améliorées relatives à l’imagerie», fait remarquer Mats Persson.

Du laboratoire au service: pilotes et prototypes

Un tomodensitomètre équipé du nouveau détecteur au silicium est en cours de préparation afin d’être installé à l’hôpital universitaire Karolinska, à Stockholm, où il sera utilisé pour l’évaluation clinique de la nouvelle technologie sur des patients. «Après cela, nous espérons que les tomodensitomètres basés sur cette technologie seront commercialisés dans un avenir proche», ajoute Mats Persson. Le prototype CT à comptage de photons étant encore en cours de développement, il n’a pas été possible d’appliquer les nouvelles méthodes de reconstruction d’image aux données expérimentales et de les comparer aux technologies de pointe actuelles. Mais comme l’explique Mats Persson, l’équipe a pu démontrer, à travers des simulations, que les nouvelles méthodes de reconstruction d’image basées sur l’apprentissage profond surpassaient largement la reconstruction d’image CT conventionnelle en termes de qualité d’image. «Les prochaines étapes consisteront donc à évaluer cette technique sur des données expérimentales et à la comparer aux équipements d’imagerie CT existants.» Mats Persson, qui a publié de nombreux articles sur le sujet, est coauteur d’une publication intitulée «Photon-counting x-ray detectors for CT» (détecteurs de rayons X à comptage de photons pour la tomographie assistée par ordinateur), qui donne un aperçu de cette technologie. «Je suis impressionné par les profondes améliorations de la qualité de l’image qu’il est possible d’obtenir en utilisant des méthodes de reconstruction d’image basées sur l’apprentissage profond», indique-t-il. À l’avenir, il compte se concentrer sur la poursuite du développement des méthodes de reconstruction d’image basées sur l’apprentissage profond, qui se sont avérées très efficaces dans les recherches menées jusqu’à présent au cours du projet. «Cela dit, je suis également impliqué dans le développement de la prochaine génération de détecteurs à comptage de photons, qui promettent une résolution spatiale largement supérieure à ce dont nous disposons actuellement», ajoute-t-il.

Mots‑clés

LowD-CT, imagerie, tomographie assistée par ordinateur, CT, rayonnement, qualité de l’image, détecteur au silicium, détecteurs à comptage de photons, reconstruction d’image

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