ça dépend. voilà ce que j'ai pu te récupérer :
Par:Chloé GossiouxLaura Lascar André NegropontesLycée Jean de la FontaineT.P.E. 2003L?image de synthèse dans le domaine médicalEn collaboration avec Mme Guy, Professeur de S.V.T., et Mme Hubermann, Professeur de mathématiques
Première partie:Généralités sur les images de synthèseHistoriqueInterview : savez-vous ce qu?est une image de synthèse?Qu?est ce qu?une image de synthèse ?DéfinitionDifférence entre images 3D, images numériques et images de synthèse.Deuxième partie:Concevoir l?image de synthèsePourquoi une image de synthèseInstructions techniques pour la formation d?une image de synthèseRôle du scientifiqueRôle de l?informaticienRôle du logicielLa place de l?image de synthèse dans l?avenirTroisième partie:Pourquoi les images de synthèse sont un progrès pour la médecineLe rôle et les techniques des images de synthèse dans le secteur médicalCas pratiquesSéquence vidéo
INTRODUCTIONDepuis le milieu des années 1990, l?image de synthèse occupe une place de plus en plus importante dans des domaines d?activités très variés. Ainsi dans les esprits les images de synthèse sont souvent associées aux jeux vidéo, aux films, aux simulateurs de vol. Cependant, les images de synthèses sont utilisées chaque jours sans que nous en ayant vraiment conscience: pour nos loisirs, l?urbanisme, l?agriculture, la météo et pour notre santé. C?est un outil indispensable à notre société qui permet de visualiser des domaines dont nous n?avions pas accès ou de simuler et de prévoir des situations à venir. Dans le domaine de la santé l?utilisation des images de synthèse est omniprésente: formation des étudiants, expositions des cas cliniques, anatomie et entraînement aux techniques opératoires. Nous verrons successivement ce qu?est une image synthèse, comment elle est créée, puis son application dans le domaine médical.Site internet: HYPERLINK "http://tpe2003.mon-email.com" http://tpe2003.mon-email.com
Première Partie:Généralités sur
les images de synthèse
HistoriqueL?homme a toujours eu besoin de s?exprimer par l?image et cela était déjà présent à l?époque de la préhistoire avec les peintures dans les grottes de Lascaux. Pendant des milliers d?années c?est donc la peinture qui a permis de créer des images grâce à des pigments naturels. Ensuite, l?avancement des connaissances scientifiques a radicalement changé tant le contenu de l?image que son mode de fabrication.Avec la photographie (1822, première photographie avec Nicéphore Niepce) et la télévision (vers 1930 avec Logie Baird et Barthélemy), l?image n?est plus une représentation, mais une restitution du réel.L?image de synthèse constitue une nouvelle génération d?image, née de la synthèse entre l?ordinateur et le tube cathodique (écran):le premier va«calculer» l?imagele second va permettre de la visualiser.
L?histoire de l?image de synthèse est indissociable de l?informatique. Elle a débuté dans le début des années 50, aux Etats- Unis, où elle était réservée, à la recherche, surtout universitaire. On construisit un système composé d?un tube cathodique et d?un crayon optique.Puis en 1961 on ajouta sur l?écran une croix pour indiquer la position du crayon optique. Mais on ne se servait que de l?image 2D, l?image 3D étant moins rapide et plus coûteuse. A partir de 1967, l?Université de l?Utah se spécialise dans les images 3D et, en 1970, Xerox crée le Palo Alto Research Center d?ou proviennent de nombreuses découvertes qui ne seront pas exploitées car ce centre travaille sans objectifs commerciaux. Puis en 1975 fut créée une des images les plus célèbres dans l?infographie et qui sert maintenant de test 3D: la théière.Jusqu?aux années 1980, peu de personnes abordaient ce domaine à cause des coûts en matériel que cela impliquait; grâce à l?apparition de nouveaux ordinateurs personnels (IBM-PC ou Mac Apple) l?étude de la 3D s?étend et se démocratise. On est alors capable de créer des simulations de navettes ou des fusées pour la NASA.Mais il faut attendre les années 1990 pour que l?image de synthèse et la 3D se développent vraiment grâce aux consoles de jeux vidéo et à des ordinateurs plus puissants et plus performants. Ainsi les images de synthèses se sont répandues grâce à des machines et des consoles moins chères et plus performantes. De nos jours, on observe des applications dans la plupart des métiers de l?industrie, de l?art, de la culture et des sciences en général.
Interview : savez-vous ce qu?est une
image de synthèse?Avant de nous renseigner sur les images de synthèse, nous-même n?étions pas capables d?en avoir une définition exacte; alors nous avons jugé intéressant et important de savoir si les images de synthèse ont réussi à sensibiliser le public. Pour cela, nous sommes allés dans la rue interviewer quinze personnes sur ce sujet. Voila les réponses de ces personnes à la question: «savez-vous ce qu?est une image de synthèse?».Cinq personnes non pas étaient capables de nous répondre.Quatre personnes savent quelles sont souvent utilisées dans le domaine du cinéma ou encore dans la conception de jeux vidéos.Quatre autres nous ont dit que les images de synthèses étaient des images 3D, c?est-à-dire des mises en perspectives d?images.Enfin deux personnes sur les quinze savent que ce sont des images modélisées par ordinateurs.Après avoir fait cet interview nous en avons tiré la conclusion suivante: tout d?abord, l?infographie est très peu ou mal connue du public et surtout bien que les images de synthèse soient présentes maintenant un peu partout, on peut même dire que nous ne passons pas une journée sans être confronté à cette nouvelle génération d?images. Alors nous avons jugé utile de donner une définition claire de ce qu?elles sont, de ce qu?elles représentent mais aussi de les différentier des autres images.
Qu?est ce qu?une image de synthèse ?DéfinitionL?image peut être caractérisée à partir de quatre critères: son contenu, son processus de fabrication, son support et la part de l?homme dans sa création. Sur la base de ces critères, quatre générations d?images peuvent être distinguées. Les trois premières forment les images que l?on peut qualifier de traditionnelles, par opposition à l?image numérique ou «image informatique». Une image de synthèse est une image générée par ordinateur, soit directement, soit par manipulation d?une image produite par tout autre moyen. Elle sert à créer l?image d?un monde qui semble parfaitement réaliste. L?image n?est plus une représentation, mais une restitution du visible. L?homme crée le concept de l?image et l?ordinateur va la réaliser. Elle sera numérisée puis reconstituée à l?écran grâce au couplage entre l?ordinateur et le tube cathodique, car le premier va «calculer» l?image et le second va permettre de la visualiser. Elle nécessite donc énormément de calculs. L?élaboration d?une image de synthèse passe alors par deux états la modélisation et le rendu. L?image de synthèse va se diviser en deux familles bien distinctes: les images de synthèse dites non interactives, ou la priorité va à la recherche du réalisme et de la qualité de l?image et celles pour lesquelles l?essentiel est la recherche d?une réponse des données constituant le monde virtuel, réagissant à la commande de l?opération aussi rapidement que possible: ce sont les images de synthèse que l?on appelle interactives. Le but recherché à travers l'image de synthèse non interactive est principalement visuel. La première application possible est la visualisation scientifique. Il s'agit alors de donner une représentation, sous forme d'image, d'un objet mais à l'aide des techniques d'images traditionnelles. Les images de synthèse interactives sont utilisées principalement pour la simulation ou, plus exactement, la formation sur simulateurs. Mais il ne faut pas confondre le monde virtuel, de la 3D, du numérique ou de l?image de synthèse.
Différence entre images 3D, images numériques et images de synthèsesL?image de numérique est une image sous forme de tableau de chiffres qui peuvent être traduits par la suite sous forme d?image classique.Il existe deux grandes classes permettant de créer des images de synthèse directement sur ordinateur: «les programmes de dessins», qui donnent lieu à des images 2D (à deux dimensions) et les logiciels 3D impliquent une modélisation en 3D de tous les éléments qui la compose.Contrairement à ça, l?image de synthèse se sert d?une maquette numérique en 3D. Elle a des applications très variées et surtout débouche sur quelque chose de beaucoup plus ambitieux: la réalité virtuelle; et celle-ci peuvent être retravaillées à la volonté, sans que cela apparaisse sur l??uvre finalisée. En quelque sorte, bien que les images assistées par ordinateur soient liées entre elles il existe quelques différences. Après cela nous pouvons dire que dans le grand ensemble de l?infographie se trouvent les images de synthèses, les images numériques et les images 3D. L?image de synthèse alors rassemble les numériques et les 3D, à la fois dans la création avec le numérique et dans la réalisation avec la 3D.
Deuxième Partie:Concevoir l?image de synthèseDe l?idée à la réalisation
Nous avons vu en première partie les bases de la création d?une image de synthèse. Dans cette seconde partie, nous nous intéresserons à l?aspect purement technique et technologique de l?invention à la concrétisation de notre objectif: matérialiser un objet inexistant ou quasi impossible à décrire avec de simples termes.La langue française a beau contenir des millions de mots, une image permet enmédecine, ou dans tout autre domaine d?ailleurs, d?expliquer le mécanisme d?une cellule, d?un organe, voire d?un être vivant.Mais comment arrive-t-on à partir de simples données fabriquer une image de synthèse et ainsi donner un support plus concret qu?un simple dessin?Nous utiliserons comme support le logiciel Rasmol* qui permet d?afficher une molécule en 3D* (3 dimensions). Nous avons choisi de baser notre étude sur la Lactate déhydrogénase*.Peut-être cette molécule ne vous dit rien, mais nous vous assurons qu?à la fin de notre démonstration vous saurez tout de sa composition.
Pourquoi une image de synthèse?Auparavant les chercheurs, médecins, ou de façon plus général les scientifiques conservaient les résultats de leur travail sur des notes en papier, qui se fragilisaient par le temps. Mais surtout, leur enseignement ne se faisait que par déductions, hypothèses, ou encore simple croquis.Avec l?arrivée du numérique, cette tendance a tendance à disparaître!Tout d?abord car tout fichier informatique n?est composé que de «0» et de «1» et est immuable. C?est-à-dire inaltérable avec le temps. L?avantage est que toute découverte qui sera informatisée et archivée ne sera pas abîmée avec le temps, même après 10 ans, 20 ans, 100 ans?Ensuite, l?imagerie de synthèse a créé une avancée dans l?enseignement pédagogique inégalé. Imaginez une mitose par exemple. Hier, tout était abstrait: «les chromosomes se séparent en leur centromère et migrent à deux pôles opposés, la cellule se divise en deux formant deux cellules identiques à n chromosomes». Si vous ne compreniez pas, le professeur baissait les bras. Aujourd?hui, il peut vous montrer «visuellement» ce que représente une mitose, et vous permettre ainsi de mieux comprendre ce phénomène.D?un point de vu plus médical, il est dorénavant possible de concevoir des animations du fonctionnement de chaque partie du corps humain.Et au niveau de l?infiniment petit, nous sommes capables de synthétiser une molécule et d?afficher toutes les liaisons, les atomes, et leurs dispositions dans l?espace à l?aide d?un simple logiciel et d?un fichier source contenant les informations utiles à la concrétisation de notre objet.Nous allons tout de suite nous pencher sur le fonctionnement d?un tel logiciel.
Instructions techniques pour la formation d?une image de synthèseRôle du scientifiqueLe chercheur découvre cette nouvelle molécule. A l?aide de matériel de pointe et de haute technologie, il va différencier chaque atome en leur donnant à chacun des coordonnées qui leur sont propres. Chacun ayant un code selon leurs compostions (oxygène, carbone, hydrogène, etc?). Il va aussi récolter tout renseignement permettant à l?identification et à la classification de notre molécule.Dans le cas de notre Lactate déhydrogénase*, le chercheur va pouvoir regrouper ces propriétés supplémentaires:Nombre de chaînes:2Nombre de groupes:329 (248)Nombre d?atomes:2542 (301)Nombre de liens:2647Classification:OxidoréductaseSon travail est désormais terminé. Précisons que ces recherches ont monopolisées toute une équipe dont le temps de traitement est loin d?être négligeable. Il n?existe à ce jour aucune technologie capable d?automatiser cette reconnaissance, tout se fait par l?intermédiaire du biologiste.
Rôle de l?informaticienMaintenant que nous avons toutes les informations définissant parfaitement notre molécule, reste à pouvoir interpréter nos résultats!Dans le cas de Rasmol*, toutes ces données sont à conserver dans un fichier avec l?extension .pdb, appelé aussi fichier archive ou encore librairie.Chaque particularité est codée selon un algorithme propre au logiciel. Le fichier ainsi constitué permettra la modélisation 3D* de notre molécule.Nous n?insisterons pas sur le codage à proprement parlé afin de ne pas vous embrouiller inutilement mais il faut comprendre au moins la base du concept: le document .pdb contient tous les éléments permettant la synthèse de la molécule sous la forme d?un simple fichier texte.Extrait du contenu du fichier .pdb de notre molécule:ATOM 1 N ALA 1 -36.171 3.648 20.619 1.00 33.47 1LDM 309ATOM 2 CA ALA 1 -36.407 4.166 19.295 1.00 33.65 1LDM 310ATOM 3 C ALA 1 -36.059 5.668 19.186 1.00 33.66 1LDM 311ATOM 4 O ALA 1 -36.687 6.584 19.752 1.00 34.21 1LDM 312ATOM 5 CB ALA 1 -37.830 3.944 18.826 1.00 33.51 1LDM 313ATOM 6 N THR 2 -35.108 5.869 18.351 1.00 32.81 1LDM 314ATOM 7 CA THR 2 -34.410 7.042 17.837 1.00 32.38 1LDM 315ATOM 8 C THR 2 -33.818 6.455 16.550 1.00 31.51 1LDM 316ATOM 9 O THR 2 -34.114 5.229 16.362 1.00 31.55 1LDM 317ATOM 10 CB THR 2 -33.401 7.609 18.899 1.00 32.75 1LDM 318ATOM 11 OG1 THR 2 -33.714 9.041 19.109 1.00 33.41 1LDM 319ATOM 12 CG2 THR 2 -31.915 7.438 18.591 1.00 32.50 1LDM 320ATOM 13 N LEU 3 -33.125 7.160 15.662 1.00 30.10 1LDM 321ATOM 14 CA LEU 3 -32.653 6.427 14.463 1.00 27.91 1LDM 322??
Rôle du logicielRasmol* connaît l?algorithme qui a permis de coder le fichier .pdb. Il va donc pouvoir l?interpréter.Il n?a le rôle que d?«afficheur».Les fonctions supplémentaires qu?il va pouvoir nous proposer sont:Identifications des atomes selon une règle des couleurs. Il permet aussi de changer les options d?affichage des atomes selon ce que l?on tente de visualiser en particulier.Modélisation 3D* de la molécule dans l?espace, et permet de déplacer la molécule à notre guise. La place de l?image de synthèse dans l?avenirActuellement, nos ressources numériques sont très limitées. Tout d?abord parce que l?informatique est une science relativement jeune. On estime le premier ordinateur dit «moderne» puisqu?il fonctionne grâce à des calculs binaires à 1945. Tout d?abord créé pour l?armée américaine, internet ne se démocratisera qu?à partir 1970.33 ans dans l?histoire de l?humanité ne représente qu?une brindille dans un champ de blé, mais dans le domaine informatique, cela représente la création d?une nouvelle civilisation cyber-connectée.En 2002, le Téléthon a lancé un appel aux internautes pour une opération baptisée le Décrypthon*. Partenaire officiel: IBMLe but: décoder le génome humain en ENTIERMoyens mis en ?uvre: la générosité des internautes offrant les ressources de leur ordinateur lorsqu?il n?est pas utilisé afin qu?il puisse effectuer des calculsRésultat: génome entièrement décrypté et les résultats de cette opération est disponible sur le web, en libre consultation.Peut être dans quelques années, nous pourrons visualiser ce code et identifier un gène responsable d?une maladie génétique. Et le support restera l?informatique.Plus tard, nous pourrons simuler de façon totalement virtuelle un organe en parfait état et le comparer au notre, effectuer un % d?écart, et si ce dernier dépasse 5%, on greffera un nouveau préalablement modélisé par un infographiste* et non un médecin?
Troisième Partie:Pourquoi les images de synthèse sont un progrès pour la médecine
Le rôle et les techniques des images de synthèse dans le secteur médicalLes techniques: c'est certainement dans le domaine médical que les progrès des technologies liées à l'imagerie ont été les plus rapides (endoscopie) et que leurs utilisations ont été les plus spectaculaires (ce qui a permis la chirurgie endoscopique). L'image entraîne une meilleure exploitabilité du cliché par le médecin et donc une amélioration des connaissances et du diagnostic et par conséquent une plus grande efficacité des soins et des interventions.L?intérêt: l?utilisation des images de synthèse dans le secteur médical est à la fois classique et innovante, justifiant même l?appellation de «réalité augmentée». Au départ, le principe de l'utilisation des images de synthèse dans le médical est classique : l'organe sollicité est traité par IRM puis reconstitué en images de synthèse 3D. La reconstitution images 3D porte, en général, sur un organe ou une zone déterminée, sous surveillance médicale ou en préparation d'une phase opératoire. La spécificité de l'image de synthèse apparaît dans un second temps dans le couplage entre l'image réelle et l'image de synthèse. Dans le domaine médical, le couplage images réelles et images de synthèse permet d'accroître l'utilité d'une image réelle, par l'adjonction d'images de synthèse. Grâce a cette méthode, on s'éloigne du virtuel : le médecin est dans le réel, il soigne un patient réel et opère avec des instruments dans le réel. Entre les deux, le médecin et le malade, s'interpose la technique de l'image de synthèse. La réalité augmentée s'appuie sur le réel auquel on superpose une image de synthèse. L'idée est de doubler la vision du réel -vision réelle d'un organe opéré ou retransmise par la voie d'une caméra (endoscopie)- d'une image de l'organe opéré, reconstituée en images de synthèse. Dans le domaine scientifique, l?image de synthèse joue, en quelque sorte, un rôle «d?accélérateurde connaissances».La chirurgie endoscopique est remplacée par celle assistée par ordinateur.L?image de synthèse est devenue un outil indispensable pour les chercheurs et les médecins ou les chirurgiens. Elle permet de voir ce que l??il ne voit pas comme la face cachée d?un organe.
La caméra endoscopique, quant à elle, filme devant elle et l?image reste limitée, on ne voit ni à côté, ni derrière. L?image de synthèse permet de s?affranchir de ces obstacles en donnant une image de quelque chose qui, sans l?image resterait invisible. C?est-à-dire, la reconstitution 3D montre ce qui se passe derrière un organe, à l?intérieur des tissus impénétrables par la caméra. Finalement, la chirurgie assistée par ordinateur à deux avantages: la précision et la sûreté.Des modélisations permettent la reconstruction du corps humain et de détecter des malformations.Le rôle: les utilisations de l?image de synthèse en médecine et plus particulièrement en chirurgie sont nombreuses, mais la première d?entre elles a été la formation médicale avec deux fonctions différentes: - L?apprentissage de l?anatomie, comme par exemple la modélisation complète d?un corps humain en images de synthèse. - La simulation d?opérations chirurgicales. Le chirurgien ou l?étudiant, peuvent parfaitement s?exercer sur un patient virtuel avant de réaliser une véritable intervention. Cette technique est encore peu développée, mais dans un secteur comme la médecine, la simulation en vue de la formation est le point de départ des images de synthèse. Cette simulation mêle à la fois des images réelles, filmées par endoscopies, et des images de synthèse.Les autres fonctions remplies par l?utilisation des images de synthèse dans le milieu médical sont: Cette méthode présente bien des avantages comme celui de diminuer le temps d?hospitalisation des patients et donc de pouvoir accueillir d?autres patients. De plus cette technique s?adapte à tout type d?intervention.
Cas pratiquesCoupe du corps humain:à partir de coupes transversales du corps humain, on a obtenu un film qui permet , grâce à une technique d?interpolation , de parcourir un être humain en coupe de la tête aux pieds en assemblant toutes ces coupes entre elles. Ainsi on peut reconstituer l?anatomie interne et externe d?un corps humain dans toutes les positions à partir des données recueillies sur les coupesColoscopie: exemple de microchirurgieFracture de la hanche: la reconstitution en 3 D apporte une bien meilleure compréhension du problème que la radio traditionnelleAccouchement virtuel: on voit un accouchement sous un angle qu?on ne pourrait pas percevoir sans cette image. En effet, on voit, anatomiquement parlant, les différentes étapes qui mènent le nouveau né du ventre de sa mère jusqu?à son arrivée, ce qui présentaient les deux seules étapes visibles jusqu?alorsC?est dans le milieu médical que les progrès dans l?imagerie sont les plus rapides (endoscopie, images par résonance magnétique, scannérisation) et que les utilisation sont les plus spectaculaires. Grâce à cette imagerie on est arrivé à la microchirurgie (chirurgie endoscopique); on obtient un meilleur diagnostic et on obtient des interventions et des soins de grande efficacité. Ainsi, avec par exemple la reconstitution en 3D de la fracture de la hanche, on visualise une partie du corps non visualisable jusqu?alors.
Séquence vidéoA la suite d?un entretien avec les informaticiens de la Société Générale Multimédia, spécialisés dans les images de synthèse; nous avons pu disposer d?une animation de synthèse réalisée pour le corps médical par un laboratoire pharmaceutique spécialisé en cardiologie.Cette séquence présente le fonctionnement physiologique du rein pathologique. Cette représentation est réalisée en images de synthèse et permet un voyage dans l?infiniment petit de notre corps. On est capable de recréer des zones entières de notre corps au delà de la simple image de synthèse: c?est toute une région du corps qui est représentée avec son métabolisme dans différents cas de figure, allant du fonctionnement normal au pathologique. On peut également simuler sur l?organisme le mécanisme d?action thérapeutique de différents médicaments connus ou en développement. Ce modèle tient compte également des autres mécanismes biologiques et des organes liés. Ces nouveaux modes expérimentaux apportent un gain en temps et en coût considérable pour la recherche notamment dans tous les processus de screening, allant de la simulation moléculaire jusqu?aux premières étapes d?expérimentation du médicament sur l?organisme. Ainsi on est à même de comprendre, dans le cas précis, le fonctionnement du rein.
CONCLUSIONUne révolution est en marche. En effet, de nos jours, les images de synthèse prennent la place des images plus classiques avec le numérique (photo, télévision). Elles sont présentes dans de plus en plus de domaines (cinéma, sport, médecine, ?), son champ de rayonnement s?accroît, ainsi que les techniques permettant de les perfectionner.Grâce à une juxtaposition de l?image réelle et celle de synthèse, nous arrivons à rendre l?image plus esthétique, à améliorer le réalisme et, par conséquent, la force et la réalité de l?image de synthèse. Finalement leur importance est considérable mais la technique évolue trop vite et nous sommes contraints de ne considérer que l?image. Certes, la qualité même de l?image se rapproche sans cesse du réel, mais malgré cela, il faut tout de même les différentier de notre vision réelle des choses.
Bibliographie: HYPERLINK "http://www.ac-bordeaux.fr/Etablissement/LJay/imagerie/images.htm" www.ac-bordeaux.fr/Etablissement/L [...] images.htm HYPERLINK "http://www.ac-créteil.fr/svt/rasmol/rasmol.htm" www.ac-créteil.fr/svt/rasmol/rasmol.htm HYPERLINK "http://www.INRP.fr" www.INRP.fr Les images de synthèse: de la technologie à l?esthétique. Laurent JullierLa générale multimédia, société d?infographie*Lexique*: Image numérique: c?est la base de la création des images de synthèse. Le vocable «image numérique» se définit par ses deux termes.Image au sens commun du terme. Numérique parce qu?elle est conservée sous une forme codée dans une mémoire d?ordinateur sur une bande magnétique.Infographie: procédé de création d?images, assistée par ordinateur, image ainsi crée.Tube cathodique: écran.Image 3D: image définit sur 3 axes: hauteur, longueur et profondeur.Endoscope: instrument composé d?un tube optique muni d?un système d?éclairage, que l?on introduit dans les cavités naturelles du corps afin de les examiner. PAGE Plan de développement Air Azur 2 PAGE 2 PAGE XIX Accouchement virtueld)c)c)b)a).
