La numérisation de l'image déplace la radiologie du terrain photographique au terrain informatique.

L'image n'est plus fixée de façon définitive sur les sels d'Argent après la traverse du corps humain par les rayons X.

Faite dorénavant d'une série de chiffres, elle est manipulable par divers procédés informatiques, elle est stockable sur de multiples supports et enfin elle est susceptible d'être transmise quasi instantanément par télématique.

Si l'absorption des rayons X est indiquée par des nombres, on aura une représentation numérique ou digitale de l'information. L'avantage de ce mode de représentation est de permettre le traitement de celle-ci (changement de matrice, de filtres, ... en tomodensitométrie).

 L'image analogique et l'image numérique: la numérisation

La représentation physique d'une information est ce que l'on appelle un signal. La fonction essentielle des capteurs modernes (par exemple les photomultiplicateurs) est précisément de transformer la grandeur physique qu'ils détectent (émission de lumière avec exemple précédent) en une grandeur électrique ou "signal".

Lorsque ce signal est représenté par une fonction pouvant être visualisée sur un tracé, on dit qu'il est analogique.

Lorsque ce signal est représenté par une suite de nombres, on dit qu'il a été numérisé.

Le traitement numérique des signaux consiste à effectuer des opérations de calcul, à la fois complexes et très rapides, sur des suites de nombres codés en binaire, afin d'en extraire l'information utile.

Le traitement numérique de l'image préalablement numérisée, a pour sa part suivi le développement de l'ordinateur.

Celui-ci possède une très grande capacité de calcul et de stockage d'information codée. Ceci rend possible des traitements de plus en plus sophistiqués, irréalisables par voie analogique et qui nécessitent des ordinateurs de plus en plus puissants.

 Qu'est ce qu'une image ?

C'est la représentation en deux dimensions d'une grandeur physique mesurée point par point sur une surface.

Chacune de ces mesures correspond à chacun des points élémentaires de l'image (pixel). Une bonne image, que l'œil perçoit bien, est tout simplement une série de mesures précises représentées, sans distorsion, de manière homothétique avec la grandeur physique mesurée. L'œil est surtout sensible à la précision de la mesure, qui définit la résolution en général.

 Qu'est ce que la numérisation de l'image ?

Pour reconstituer, améliorer ou analyser une image, il faut la numériser.

Pour la numériser, il faut la découper en tranches.

 Le codage

L'idée de coder l'image sous forme numérique découle directement de l'aptitude des ordinateurs à manipuler les codes de plus en plus rapidement.

La représentation de base d'une image sera donc toujours une matrice de nombres, dont une transcription graphique sera donnée automatiquement par le dispositif de visualisation.

Toute image numérique pourra être formée à partir de la transmission de signaux analogiques issus de périphériques spécialisés - par exemple un détecteur à scintillation associé à son photomultiplicateur dans le cas du scanner X - ces signaux étant aussitôt numérisés.

Ainsi, si on prend un corps constitué d'air et d'os et que ces deux composants soit disposés alternativement, en damier, par exemple, et si l'on déplace une source de rayons X sur les lignes de ce corps, solidaire à un détecteur à scintillation, on constatera qu'en passant au-dessus de chaque "carré" constitué d'os, le récepteur ne détectera pas de photons X et par conséquent ne débitera pas de courant électrique (par l'intermédiaire du photomultiplicateur), disons 0 volt. Inversement, en passant au-dessus de chaque "carré" constitué d'air, celui-ci détectera les photons et donc engendrera un courant électrique, alors la tension sera de 1 volt, pour fixer les idées (valeur mesurée = 1).

Le balayage du corps génère ainsi un train d'impulsions électriques qui traduit bien la succession des mesures de photons X effectuées par le détecteur à scintillation et de son photomultiplicateur. Cette succession d'impulsions enregistrée, permettra de reconstituer l'image du damier sur l'écran de visualisation. Si l'on code les carrés noirs avec le chiffre 1, et les points ou carrés blancs avec le chiffre 0, on associe au damier une matrice de nombres.

Toutes les images en noir et blanc comportent également la gamme complète des gris.

Pour simplifier, considérons le cas d'un seul gris, en plus des blancs et des noirs. Notre détecteur va mesurer carré par carré les trois tonalités en donnant cette fois trois valeurs de tensions électriques:

0 volt pour le blanc

1 volt pour le noir

1/2 volt pour le gris (par exemple)

Or, dans la représentation binaire, on ne dispose que de deux chiffres imposés par la logique de fonctionnement des semi-conducteurs:

(0) = absence de courant

(1) = passage d'une impulsion de courant

Il faut donc nous en contenter pour coder les différentes tensions électriques données par le détecteur, en écrivant par exemple:

00 = absence de courant = blanc

01 = tension de 1/2 volt = gris

11 = tension de 1 volt = noir

Le train d'impulsion 00-01-11 permet ainsi de reconstituer les carrés noir, gris, blanc. En reprenant l'exemple simpliste du damier ci-dessus et en y ajoutant quelques gris, on abouti à une matrice déjà plus compliquée. 

( Cliquer pour agrandir )

Mais il est clair que le codage de chaque carré à l'aide de deux éléments binaires (deux bits, "bit" étant l'abréviation de Binary Digit), est très insuffisant pour numériser toutes les valeurs de gris d'une image.

C'est pourquoi on utilise généralement huit bits (un octet ou 1 byte), mais on peut aller jusqu'à 16, voire 32 bits par élément, dans le cas de très hautes résolutions.

On appelle pixel (Picture Elementary Cell) chaque point d'élément d'une image. Chaque pixel et repéré et quantifié à l'aide de deux paramètres:

 un paramètre de quantification spatiale ou topographique;

 un paramètre de quantification d'intensité.

A un pixel donné correspond un niveau de luminance donné.

 L'échantillonnage

Considérons l'exemple précédent. Le courant de sortie du détecteur va prendre la forme analogique, mais ce signal sera entaché de tous les signaux parasites, intégrant le bruit de tous les circuits et composants du système. Si, à ce stade, on branchait directement ce signal analogique sur le tube cathodique du téléviseur noir et blanc de la console, l'image correspondante apparaîtrait sur l'écran altérée de défauts divers: perte de contraste et de définition. Si par contre, on intercale entre le détecteur et le tube du téléviseur un circuit chargé de "saucissonner" le signal analogique en tranches très fines, c'est-à-dire de le mesurer 20 millions de fois par seconde, avant son entrée dans le tube cathodique, on aura effectué ce que l'on appelle une "acquisition numérique du signal" ou encore un "échantillonnage numérique du signal". C'est une arme nouvelle et quasiment absolue contre le bruit.

La vitesse d'échantillonnage détermine la plus haute fréquence que le système est capable de convertir.

Le théorème de Shannon dit qu'il faut une fréquence d'échantillonnage deux fois plus élevée que la fréquence la plus haute à transmettre.

En d'autres termes, plus un phénomène physique évolue rapidement, plus l'intervalle de temps pendant lequel il se déroule doit être finement découpé en "tranches", afin d'échantillonner un nombre de points suffisants pour pouvoir restituer le phénomène en question.

La fréquence critique est la fréquence de limite de compétence du système d'échantillonnage aboutissant aux notions dites de FRP et de FTM. Elle est appelée fréquence de Nyquist.

Si l'on numérise des signaux dont la composante de fréquence la plus élevée dépasse la fréquence de Nyquist, ces composantes apparaîtront en-dessous de cette dernière par effet de repliement.

Le théorème de Nyquist relie la fréquence spatiale (taille d'un objet à visualiser) à la fréquence de mesures. Les mesures doivent avoir une fréquence double de la fréquence spatiale de l'objet. Lorsque les mesures sont insuffisantes, il apparaît des artefacts. On dit que la courbe de réponse des mesures n'est qu'un alias de la fréquence spatiale de l'objet: elle ne le représente pas bien, elle ne le représente pas à lui mais à son alias. L'aliasing crée donc des artefacts. S'ils sont fins et réguliers, les artefacts constituent un des éléments du bruit. Le mouvement exagère l'aliasing.

Pour transformer une image analogique en image numérique, il faut donc avoir un système de codage pour la reproduire et pouvoir la mesurer de façon sériée (l'échantillonnage). Le but est donc de décomposer en un maximum de données sérielles pour se rapprocher au mieux du phénomène, en apparence continu, qu'est l'image analogique (en apparence seulement, car notre rétine fait elle aussi une analyse par points discontinus, et sérielle, dans le temps, en fonction de la longueur d'onde de la lumière transmise par l'image).

 La chaîne de création de l'image numérique

Le scanner X utilise la transmission des rayons X après absorption partielle dans le corps humain.

On devra toujours transformer le paramètre physique employé (rayonnement X) en une grandeur électrique à l'aide d'un détecteur. Ce détecteur fournissant un courant devra être étalonné rigoureusement pour que la grandeur électrique soit une représentation la plus fidèle possible du phénomène physique qui l'a engendré.

La signal électrique ainsi obtenu sera éventuellement amplifié et filtré de façon à l'amener vers des valeurs compatibles avec le reste de la chaîne.

 Les capteurs en tomodensitométrie

On parle plus généralement de détecteurs, car le capteur est composé d'un nombre important de cellules. En effet, la technique de la scanographie étant basée sur la méthode des projections, il convient à chaque mesure d'obtenir un grand nombre de valeurs, afin de permettre une reconstruction de l'image la plus rigoureuse possible. On distingue trois sortes de capteurs:

 les capteurs solides,

 les capteurs au gaz (chambre d'ionisation au Xénon),

 les capteurs type semi-conducteurs.

Les capteurs les plus utilisés actuellement ‚tant les chambres d'ionisation au Xénon, dont j'avais cité le principe de fonctionnement précédemment

 Le convertisseur "analogique-numérique"

Le convertisseur analogique-digital joue un rôle décisif dans la formation de l'image numérique. C'est grâce à lui que le signal, délivré par le capteur, après avoir été amplifié et filtré, sera transformé en signal numérique représentatif de l'image analogique.

Les signaux numériques ainsi délivrés sont constitués par une suite de 0 et de 1 (bits) dont le nombre définit la résolution du convertisseur (ex: 8 bits, 12 bits, ...). A une valeur donnée par le convertisseur correspond en général un niveau de gris de l'image numérique. Par exemple, un convertisseur travaillant sur 8 bits donnera 28 = 256 valeurs de niveau de gris.

Dans la majeure partie des cas, le convertisseur sera précédé d'un filtre éliminant les fréquences trop élevés, réalisant une troncature du signal. Ceci a pour effet d'éviter les repliements de spectre (anti-aliasing) qui sont néfastes à la reconstruction correcte de l'image à partir de son échantillonnage (théorème de Shannon).

 Le calculateur ou "processeur"

C'est l'élément essentiel de tout système de traitement numérique d'image. Son architecture, sa capacité en mémoire centrale, sa vitesse de travail, ... sont d'autant de paramètres qui seront déterminants dans le choix.

Le traitement numérique d'image nécessite une panoplie d'opérateurs:

 le filtrage spatial et temporel,

 l'égalisation du contraste,

 le rehaussement du contraste,

 l'analyse de Fourier,

 l'étude des régions d'intérêts (ROI)

 mesure de distances, périmètres, surfaces, volumes,

 zoom, ... 

 La visualisation de l'image

Elle est généralement dévolue à un processeur dit de visualisation qui se charge de reconvertir les informations numériques en image (reconstruction vidéo).

A ce processeur peuvent être associées une ou plusieurs mémoires tampons contenant la ou les images à visualiser. Cette solution permet de décharger la mémoire centrale et de la laisser libre pour d'autres données à traiter.

La visualisation proprement dite se fait à partir d'un moniteur vidéo. Les images représentées sont constituées par des matrices, en général des carrés, dont les valeurs courantes sont de 256 x 256 ou 512 x 512 plus rarement 1.024 x 1.024. Le manipulateur aura à sa disposition un ensemble de moyens (claviers, souris, track-ball ou calipers) pour effectuer tous les traitements qu'il désire sur l'image concernée.