Tomographie
La tomographie est une technique d’imagerie, très utilisée dans l’imagerie médicale, ainsi qu’en géophysique et en astrophysique. Cette technique permet de reconstruire le volume d’un objet à partir d’une série de mesures effectuées par tranche depuis l’extérieur de cet objet. Dans une version haute résolution, on l’utilise aussi de plus en plus en sciences des matériaux.
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[modifier] Principe
La tomographie (racine grecque tomê, coupe, et ainsi représentation en coupes) est une technique qui consiste à reconstruire le volume d’un objet (le corps humain dans le cas de l’imagerie médicale, une structure géologique dans le cas de la géophysique) à partir d’une série de mesures déportées à l’extérieur de l’objet. Ces mesures peuvent être effectuées à la surface même ou à une certaine distance. Le résultat est une reconstruction de certaines propriétés de l’intérieur de l’objet, selon le type d’information que fournissent les capteurs (capture d’une particule, pression acoustique, atténuation d’un faisceau lumineux, différence de vitesse ou de polarisation d’ondes sismique…).
L’IRM, par exemple, peut fournir des données anatomiques qui, bien que similaires à ce que l’on obtiendrait en découpant l’objet en fines lamelles et en photographiant ces lamelles, sont en fait une cartographie due à la relaxation (retour à l’état d’équilibre) différentielle des spins de l’atome d’hydrogène dans l’eau - constituant principal des tissus organiques.
La tomographie, d’un point de vue mathématique, se décompose en deux étapes. Tout d’abord elle nécessite l'élaboration d'un modèle direct, décrivant suffisamment fidèlement les phénomènes physiques tels qu'ils sont mesurés. Ensuite, on détermine le modèle inverse ou reconstruction servant à retrouver la distribution tridimensionnelle en se fondant sur le modèle direct. Un exemple simple serait un dérivé du carré magique, où l’on dispose dans un carré trois lignes de trois chiffres, avec la seule condition que les chiffres de 1 à 9 n’apparaissent qu’une fois. Le modèle direct consisterait à calculer la somme de chaque ligne et de chaque colonne d’un carré déjà rempli. Le modèle inverse consiste, connaissant les sommes, à remplir le carré.
Les algorithmes de reconstruction peuvent être très variés mais on les classe souvent en deux catégories :
- les algorithmes analytiques, basés sur une représentation continue du problème par formule mathématique (par exemple la transformée de Radon) ; souvent simples et rapides, ils ne prennent généralement pas en compte de la nature statistique de la mesure (bruit) ;
- les algorithmes algébriques, basés sur une représentation discrète (matricielle) du problème ; souvent plus élaborés, ils permettent l'utilisation d'un modèle direct obtenu par simulation numérique et utilisent une modélisation statistique de la mesure (modèle direct) pour inverser le problème grâce à des méthodes probabilistes (à partir de critères tels que le maximum de vraisemblance ou le maximum a posteriori et selon des méthodes itératives telles que l'algorithme espérance-maximisation).
La tomographie est appliquée dans les domaines de la médecine, des géosciences, de la thermique…
[modifier] Technique
Les principales techniques tomographiques sont :
- l’imagerie par résonance magnétique nucléaire (IRM)
- la tomographie axiale calculée aux rayons X (scanner ou CT)
- la tomographie en cohérence optique (OCT)
- la tomographie à émission de positon (TEP)
- la tomographie à émission mono-photonique (SPECT, pour single photon emission computed tomography)
- le microscope à effet de champ est parfois appelé sonde tomographique atomique ;
- la tomographie électronique et la cryotomographie électronique permettent d’obtenir une représentation tridimensionnelle d’un objet à la résolution de quelques nanomètres (milliardième de mètre) à l’aide d’un microscope électronique en transmission spécialement équipé ; qui a pu par exemple permettre au Pr Rubén Fernández-Busnadiego et à son équipe reconstruire le modèle d’une synapse en fonctionnement ; en 3D[1] ;
- la tomographie sismique, qui permet d’imager des structures géologiques grâce à des séismes.
- l’imagerie Zeeman-Doppler, utilisée en astrophysique pour cartographier le champ magnétique de surface des étoiles.
- La tomographie et l’imagerie 3D appliquées à la paléoanthropologie, permettent d’étudier les structures internes des hominidés fossiles et de compenser les altérations subies au cours de la fossilisation (fossile d’homo erectus de Yunxian en Chine).
[modifier] Pionniers
[modifier] Notes et références
- Rubén Fernández-Busnadiego, Benoît Zuber, Ulrike Elisabeth Maurer, Marek Cyrklaff, Wolfgang Baumeister, Vladan Lucic ; Quantitative analysis of the native presynaptic cytomatrix by cryoelectron tomography ; The Journal of Cell Biology, 2010; 188 (1): 145 DOI:10.1083/jcb.200908082.
