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Imagerie médicale pour le dépistage du cancer du sein
L‟imagerie médicale fait référence aux techniques et processus utilisés pour créer des images de diverses parties du corps humain à des fins de diagnostics et de traitement précis.Le moyen le plus efficace pour réduire le taux de mortalité par cancer du sein est la détection des tumeurs à un stade précoce [Tavassolian_2006]. Lorsque le cancer du sein est détecté tôt, le pourcentage de survie des cinq ans à venir est d’environ 96%.Dans ce qui suit, nous allons décrire les techniques d’imagerie actuellement utilisées en tant qu’alternatives potentielles d’imagerie des tumeurs mammaires.
Mammographie De nos jours, la mammographie par rayons X est la méthode de dépistage la plus courante pour détecter le cancer du sein chez les femmes. Au cours d’une mammographie, la poitrine est comprimée entre deux surfaces pour aplatir les seins afin de répandre le tissu mammaire ce qui facilite la visualisation des structures du sein et la réduction de la dose des rayons X délivrée. Une impulsion de rayons X est ensuite produite par un tube radiogène générateur de rayons X à faible énergie (entre 20 et 50 keV) (figure 1.1) [Cheikhrouhou_2012], qui passe à travers le sein à un détecteur situé du côté opposé. Le détecteur peut être soit une feuille de film photographique, qui capture l’image radiographique sur un film, soit un détecteur à l’état solide, qui transmet des signaux électroniques à un ordinateur pour former une image numérique. Les images produites sont appelées mammographies. L’ensemble de la procédure prend environ 20 minutes. En raison de son rôle important dans la détection précoce des tumeurs, la mammographie a joué un rôle crucial dans la réduction du taux de mortalité de 20% au cours de la dernière décennie [Smith AP-2004]. Cependant, la mammographie aux rayons X a plusieurs limitations telles que :
L’exposition aux radiations, comme pour tous les examens radiographiques, il y a une certaine exposition aux rayonnements, bien que la mammographie utilise des rayons X à faible énergie pour produire une image, des radiographies répétées fréquemment peuvent causer le cancer.
l’évaluation des tissus glandulaires denses et des régions situées à proximité de la paroi thoracique ou sous-jacente, ainsi que l’imagerie des tumeurs très précoces qui ne présentent pas encore de micro-calcifications provoque un taux élevé de faux négatifs (lorsque la tumeur n’apparaît pas sur une mammographie) et de faux positifs (lorsque la mammographie identifie une anomalie qui ressemble à une tumeur, mais qui est normale) [Hagness_1999]. Environ 15% des tumeurs de poitrine sont manquées en mammographie. Près de 75% des tumeurs détectées comme malignes se révèlent bénignes [Bond_2003]. Le diagnostic implique souvent d’attendre d’autres examens d’imagerie ou des biopsies.
les sur-diagnostiques et les sur-traitements représentent une partie des patients diagnostiqués comme ayant le cancer du sein, et donc bénéficieront des lourds
traitements de cette maladie alors que la présence de la tumeur n’aurais pas eu d’impact sur la vie de la patiente car son évolution est très lente s’il elle n’avait pas été dépistée, et donc le traitement causera plus de mal que le cancer lui-même. Jusqu’à l’heure actuelle nous ne connaissons pas le temps de progression du cancer.
Pendant la procédure de mammographie, la poitrine est comprimée afin d’uniformiser le tissu, d’améliorer la qualité de l’image et de maintenir le sein immobile (afin d’éviter le flou de mouvement). Par conséquent, de nombreuses patientes trouvent la mammographie inconfortable ou douloureuse. Toutes ces limitations et leur potentiel de nuisance, ainsi que les risques supplémentaires pour la santé associés aux rayonnements ionisants des rayons X, donnent une motivation au développement de techniques alternatives de détection du cancer du sein.
Echographie L’imagerie par ultrasons (également appelée échographie) repose sur des ondes sonores à haute fréquence qui se réfléchissent avec une intensité variable à partir de différents tissus. Dans le sein, l’échographie est capable de différencier la peau, la graisse, les tissus glandulaires et les muscles[Stang_2008].Même si l’échographie est une méthode valable et peu coûteuse pour l’imagerie du sein et que cet examen n’est pas douloureux et n’expose pas aux radiations , elle reste néanmoins un moyen de diagnostic complémentaire, l’utilisation de l’échographie au lieu de la mammographie pour le dépistage du cancer du sein n’est pas recommandée. Sa principale limitation est que la graisse du sein et la plupart des cellules cancéreuses ont des propriétés acoustiques similaires, ce qui réduit l’efficacité de la détection. De plus, ses résultats d’imagerie dépendent fortement de l’opérateur, étant donné que la grande majorité des procédures d’échographie sont exécutées à l’aide de dispositifs portatifs.
Imagerie par résonance magnétique L’imagerie par résonance magnétique utilise des ondes radio et magnétiques au lieu des rayons X pour produire des images du sein en profondeur. Une procédure d’IRM mammaire typique consiste à injecter un agent de contraste dans les veines du bras du patient sous dépistage. Pour l’IRM du sein, vous aurez besoin d’exposer vos seins et de vous allonger en décubitus dorsal sur une plateforme rembourrée avec des ouvertures rembourrées pour vos seins. Chaque ouverture du sein est encerclée par une spirale, qui reçoit un signal faisant partie de l’unité d’IRM pour créer des images. La plate-forme glisse ensuite au centre de la machine IRM qui est en forme de tube.Un champ magnétique est créé et des impulsions d’ondes radio sont envoyées par l’unité d’IRM. Les ondes radio poussent les noyaux des atomes de votre corps hors de leur position normale. Lorsque les noyaux se réalignent dans la bonne position, ils envoient des signaux radio. Les signaux sont reçus par un ordinateur qui les analyse et les convertit en une image en noir et blanc des seins examinés (figure 1.2). Cette image apparaît sur un moniteur de visualisation. L’agent de contraste distingue la zone affectée par la tumeur du sein (blanc) du reste du sein (noir).Bien que l’IRM puisse détecter des tumeurs indétectables par la mammographie, cependant, l’IRM a également souffert d’un taux de faux positifs plus élevé que toutes les autres méthodes de dépistage. Dans une étude [Kopans_2007], l’IRM avait une spécificité de seulement 95,4% par rapport à 96, 99,3 et 99,8% pour l’échographie, l’examen clinique des seins et la mammographie, respectivement. Cette faible spécificité, ainsi que les coûts élevés associés à l’IRM et le besoin de contraste intraveineux en plus du fait qu‟elle est appliquée uniquement au patient non porteur d‟implant métallique, limitent considérablement l’utilité de l’IRM en tant qu’alternative ou complément à la mammographie comme une méthode de dépistage répondue.
Imagerie micro-onde
Les limitations de ces techniques ont motivé la recherche vers de meilleures alternatives. L’approche de l’imagerie micro-ondes a le potentiel d’une sensibilité beaucoup plus élevée dans la détection des tumeurs et d’une spécificité plus importante dans la différenciation des tumeurs malignes et bénignes, car elle provient du contraste diélectrique significatif entre les tissus malins et sains, alors que pour les rayons X, le contraste n’est que de quelques pourcents[Fear_2003],[Smith_2004]. L’imagerie micro-onde est définie comme voir la structure interne d’un objet aux moyens de champs électromagnétiques a des fréquences micro-ondes (300MHz-30GHz) [Fear_2003b]. Un émetteur est utilisé pour éclairer le sein avec des impulsions micro-onde qui traversent la poitrine,le champ total peut être mesuré par des récepteurs situés du côté opposé du sein. Lors de la présence de tumeurs, les ondes qui traversent la poitrine subissent un changement dans les propriétés diélectriques, provoquant la dispersion de l’onde incidente. A partir de ce changement dans le champ mesuré, des informations sur l’emplacement et / ou les paramètres constitutifs de la tumeur, peuvent être obtenus. D’un point de vue du patient, les rayonnements non ionisants, la nature non invasive ainsi que son coté relativement confortable sans compression mammaire de cette technique font d’elle un moyen performant pour la détection du cancer du sein. D’un point de vue technique, la détection par micro-onde des tumeurs mammaires a le potentiel de détecter les petites tumeurs. Il devrait également être moins cher que les méthodes citées auparavant telles que l’IRM. C’est parce que l’équipement à micro-ondes coûte moins cher que l’équipement nécessaire pour les installations d’IRM (des centaines de milliers contre des millions) [Tavassolian_2006]. Le processus d’imagerie devrait également être rapide, sensible (détecter la plupart des tumeurs dans le sein) et spécifique (détecter uniquement les tumeurs cancéreuses). La clé de la sensibilité, la spécificité et la capacité à détecter les petites tumeurs est le contraste des propriétés diélectriques entre les tumeurs malignes et les tissus normaux.
Propriétés diélectriques des tissus mammaires
Les tissus mammaires sont caractérisés par deux propriétés diélectriques clés, la permittivité relative, et la conductivité . Des recherches approfondies ont déterminé qu‟il y a un contraste important entre les propriétés diélectriques des tissus mammaires malins et sain, en particulier dans la gamme des fréquences micro-ondes. Les différences dans les propriétés diélectriques affectent la propagation du signal micro-ondes à travers le tissu mammaire en modifiant son amplitude ou sa phase et entraîne des altérations du signal micro ondes. En général, la conductivité est définie par la longueur du trajet libre et la vitesse des électrons à l’intérieur du matériau tandis que la valeur de la permittivité est associée au moment moléculaire du dipôle par volume. La perméabilité est similaire à celle de l’espace libre puisque les tissus mammaires sont de nature non magnétique. Il est difficile d’identifier la permittivité relative ou la conductivité relative d’un type de tissu particulier à une certaine fréquence, car les variations intrinsèques du tissu peuvent être élevées. Cette section passera en revue les articles qui ont contribué aux mesures les plus significatives des propriétés diélectriques de divers tissus mammaires aux fréquences micro-ondes.Une étude a été réalisée par Lazebnik et al, dans [Lazebnik_2007], qui visait à caractériser les propriétés diélectriques des seins normaux (sains) de 0,5 à 20 GHz. C’était la première fois que des mesures étaient effectuées sur un si grand nombre d’échantillons, soit un total de 354 sur 93 patients. Le tissu à mesurer a été prélevé sur du tissu nouvellement excisé au cours de chirurgies de réduction. Les mesures ont été effectuées entre cinq minutes et cinq heures après le retrait du tissu du corps. Les échantillons ont été classés en trois groupes en fonction du contenu tissulaire:
le groupe 1 contenait des échantillons avec 0-30% de tissu adipeux
le groupe 2 avec 31-84% d’adipose
le groupe 3 avec 85% et plus de contenu adipeux.
La figure 1.4 illustre les résultats du modèle cole-cole de la primitivité relative et la conductivité,en plus des barres de variance représentant le 25th et le 75th centile des mesures pour chaque groupe [Lazebnik_2007]. A partir de ces graphes deux choses peuvent être notés : Premièrement, plus la teneur des tissus adipeux est élevée, plus sa permittivité relative et sa conductivité sont faibles. Deuxièmement, la variation (comme on le voit par les barres d’erreur), est assez grande, en particulier pour le tissu avec un pourcentage plus faible de tissu adipeux. Il est également noté que la permittivité relative et la conductivité diminuent légèrement en valeur au fur et à mesure que l’excision s’allonge [Lazebnik_2007]. Cependant, dans l’ensemble, le temps écoulé depuis l’excision est considéré comme un facteur relativement négligeable; il en va de même avec l’âge du patient et la température des tissus au moment de la mesure [Lazebnik_2007]. Dans une autre étude, Lazebnik et al, effectuent des mesures diélectriques sur les tissus mammaires prélevés lors des chirurgies du cancer [Lazebnik_2007b]. Pour cet ensemble d’échantillons, les mesures ont été prises dans les quatre heures suivant l’excision du tissu. Les chirurgies du cancer comprenaient des mastectomies, des lumpectomies et des biopsies. Ainsi, 85 échantillons sains, 60 malins et 10 bénins ont été prélevés, pour un total de 155 échantillons provenant de 119 patients. La figure 1.5 illustre les résultats du modèle cole-cole de la permittivité relative et de la conductivité pour trois pourcentages différents des tissus malins [Lazebnik-2007b]. Des échantillons contenant au moins 30%, 50% et 70% de tissu cancéreux ont été mesurés, et il est noté que pour les trois les résultats de mesure sont similaires. Les graphes montrent également les 25thet 75th centiles pour chacune des trois concentrations de tissu malin. Il a étais remarqué que les variations dans les propriétés tissulaires du tissu malin sont relativement faibles, en particulier par rapport aux grandes variations dans les propriétés du tissu sain observées dans [Lazebnik_2007].
Travaux réalisés sur la détection du cancer du sein
Aujourd’hui, l’imagerie micro-ondes prend une place importante dans la détection des tumeurs du sein. La principale raison en est le contraste diélectrique potentiellement élevé entre les tissus cancéreux et les tissus mammaires normaux.Plusieurs travaux concernant la détection du cancer du sein par imagerie micro-onde ont été proposés dans la littérature ces dernières années, parmi eux :La principale contribution vient des deux groupes Meaney et. Al. EtHagness et. Al, examinée dans [Fear_2002], [Fear_2003b]. Ils utilisent deux approches différentes, Meaney et. Al, utilisent la méthode de l’élément hybride (HE) dans une formulation de diffusion inverse non linéaire [Meaney_1995], [Paulsen_1995], alors que Hagness et. Al, utilisent une approche radar [Li_2004], [Li_2005]. Le premier système d’imagerie permettant d’effectuer des images quantitatives de fantômes mammaires [Li_2003], [Meaney_2001] a été développé par Meany et. Al. [Meaney_2000]. Ce système a été testé sur des patients et des images de sein réelle ont été obtenues [Meaney_2000]. Hagness et. Al. ont vérifié leur approche radar dans une configuration expérimentale en utilisant une antenne ultra large bande [Li_2004], [Bond_2003b], les résultats expérimentaux obtenus suggèrent que la méthode MIST (Microwave imaging via space–time) [Li_2004] utilisée a le potentiel pour détecter des petites tumeurs avec du matériel pointu disponible et des algorithmes de traitement du signal robustes. Cependant, dans une situation réaliste, il sera très difficile de diagnostiquer une tumeur alors que la méthode obtient simplement des images qualitatives. La solution consiste à utiliser des méthodes statistiques pour vérifier le résultat [Davis_2005]. Dans le cas contraire, une méthode quantitative doit être utilisée, comme celle utilisée par Meaney et. Al, sachant que la différence entre une image qualitative et quantitative est que l’image quantitative donne des informations directement corrélées aux propriétés diélectriques.
Etat de l’art sur l’application des réseaux de neurones dans l’imagerie micro-onde
Le cancer du sein est le cancer le plus souvent diagnostiqué chez les femmes, il présente la principale cause de décès. Dans le monde et selon l‟OMS, 1.6 millions nouveaux cas a été estimé en 2012, soit 25% de l‟ensemble des cancers de la femme. En Algérie, 11000 nouveaux cas détecté par année, il représente plus de 40% de l‟ensemble des cancers de la femme [ZITOUNI_2014].L‟augmentation rapide et importante du nombre de cancers du sein est un phénomène inquiétant qui mérite un développement particulier d‟où la nécessité d‟un diagnostic précoce de cette maladie. Il est admis qu‟un dépistage de qualité du cancer du sein entraine une baisse de la mortalité de 15 à 30% [BABA HAMED_2017]. Il est donc primordial, d‟arriver à détecter spécifiquement des tumeurs malignes à un stade très précoce, tout en étant pertinent et efficace en terme de rentabilité et de fabrication afin d‟offrir des résultats cohérents et concluants. Alors que la mammographie aux rayons X offre actuellement la meilleure combinaison possible de ces caractéristiques idéales [Chaouiti_2017], d’autres techniques d’imagerie établies, telles que l’échographie et l’imagerie par résonance magnétique (IRM), ont été utilisées avec un certain succès pour compléter la mammographie dans certains cas spécifiques. La méthode actuelle de dépistage du cancer du sein ne répond pas aux exigences idéales de l’institut américain de médecine rapporté dans [Huynh_1998]. L‟imagerie micro-onde semble être une bonne alternative aux méthodes classiques citées cidessus, dont nous distinguons trois approches : l’imagerie radar ULB [Xie_2006], [Kirshin_2011], la tomographie micro-ondes [Meaney_2000], [Meaney_2007], [Baran_2014] et les techniques d‟imagerie hybrides [Withington_2003], [Kruger_2000]. L‟inconvénient majeur de ces techniques est l‟utilisation des algorithmes d‟optimisation itérative (problème inverse) qui donnent des points optimaux locaux. Pour une convergence globale, il est nécessaire d‟utiliser les algorithmes stochastiques. Cependant, ces derniers se caractérisent par un temps de calcul largement disproportionnelle par rapport aux besoins. Ces limitations, ont poussé la recherche à explorer une nouvelle approche, qui est l‟utilisation des réseaux de neurones afin de détecter et de localiser le cancer du sein en utilisant un système d‟imagerie micro-onde.
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Table des matières
Dédicaces
Remerciements
RESUME
ABSTRACT
Sommaire
Tables des figures
Tables des tableaux
Tables des organigrammes
Introduction Générale
Chapitre 1: Imagerie micro-onde pour la détection du cancer du sein
1.1 Introduction
1.2 Imagerie médicale pour le dépistage du cancer du sein
1.2.1 Mammographie
1.2.2 Echographie
1.2.3 Imagerie par résonance magnétique
1.3 Imagerie micro-onde
1.3.1 Imagerie micro-onde passive
1.3.2 Imagerie micro-onde hybride
1.3.3 Imagerie micro-onde active
1.3.3.1 Tomographie
1.3.3.2 Technique d‟imagerie micro-onde radar ULB
1.4 Propriétés diélectriques des tissus mammaires
1.5 Imagerie micro-onde pour la détection du cancer du sein
1.5.1 Travaux réalisés sur la détection du cancer du sein
1.6 Conclusion
Chapitre 2: Application des réseaux de neurones dans l’imagerie micro onde (Détection et Localisation)
2.1 Introduction
2.2 Etat de l’art sur l’application des réseaux de neurones dans l‟imagerie micro-onde
2.3 Etude du système d‟imagerie micro-onde pour la détection du cancer du sein
2.3.1 Fantôme mammaire
2.3.2 Antenne micro-ruban rectangulaire
2.4 Détection et localisation de la tumeur par réseau de neurones
2.4.1 Perceptron multicouche
2.4.2 Algorithme d‟apprentissage
2.4.3 Construction et validation des réseaux de neurones pour différentes configurations du système d’imagerie micro-onde
2.4.3.1 Positionnement de l’antenne et création des bases de données
2.4.3.2 Génération du vecteur d’entrée du réseau de neurones
2.4.3.3 Dimensionnement et création du réseau de neurones
2.4.3.4 Phase d’apprentissage
2.5 Résultats et discussions
2.6 Conclusion
Chapitre 3:Détection du cancer du sein par imagerie micro-onde. Application de l’approche SVR
3.1 Introduction
3.2 Machine à vecteur de support
3.3 Régression à vecteur de support
3.4 Détection et localisation d’une tumeur mammaire par l’approche SVM
3.4.1 Construction et validation du SVM pour différentes configurations du système d’imagerie micro-onde
3.4.2 Positionnement de l’antenne et création des bases de données
3.4.3 Création du modèle par SVM
3.5 Résultats et discussions
3.6 Conclusion
Conclusion Générale et Perspectives
Annexe A: Interpolation Cubique d’Hermite
A.1 Introduction
A.2 Interpolation polynomiale d‟Hermite
Avantages
Inconvénients
Annexe B: Régression par les machines à vecteurs supports
B.1 Introduction
B.2 La régression par les machines a vecteur de support
B.3 Les avantages du SVR
Références
RESUME
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