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Etat de l’art sur l’imagerie micro-ondes
L’imagerie micro-ondes est très importante par rapport à la mammographie par rayon X pour la détection du cancer du sein. Les tumeurs ont en effet des propriétés électriques différentes des tissus biologiques sains et les micro-ondes peuvent être utilisées pour mettre en évidence ces différences. En pratique, des antennes placées autour du sein sont utilisées pour transmettre et collecter des signaux micro-ondes de faibles puissances. Le problème consiste à utiliser ces signaux micro-ondes pour reconstruire une image représentant les propriétés électriques des tissus biologiques. C’est dans ce contexte que nous avons essayé d’évoquer dans ce chapitre le concept général de l’imagerie micro-ondes et son concept physique, nous décrirons aussi les particularités radiatives des objets et la possibilité d’exploitation des particularités dans l’imagerie passive ou active en bande millimétrique. Nous introduisons, dans un premier temps, une brève définition de l’imagerie microondes et ses domaines d’applications. Dans un second temps, nous présentons les différents concepts et principes des systèmes d’images micro-ondes. Cette partie est axée principalement autour des systèmes d’imageries micro-ondes dédiés à des applications pour lesquelles le corps humain est en jeu pour la détection de cancer du sein et second pour des applications dans le domaine militaire (vision à travers le mur). Pour ce type d’application, seules les solutions millimétriques (micro-ondes) ont été envisagées dans notre étude.
Imagerie micro-ondes
L’imagerie micro-ondes a suscité un intérêt considérable au cours de la dernière décennie en vue d’applications dans différents domaines tels que l’exploration géophysique [1], le contrôle de la teneur en eau du sol, le radar à pénétration de sol et l’imagerie d’objets enfouis [2, 3, 4], le radar de détection à travers les murs, l’évaluation ou le contrôle non destructif et l’imagerie biomédicale [5, 6, 7]. En ce qui concerne l’imagerie biomédicale, une part importante de ce succès provient de l’innocuité et de la sensibilité à l’égard de facteurs physiques ou physiologiques d’intérêt clinique (comme la teneur en eau, le flux sanguin et la température) des micro-ondes comparées aux techniques classiques comme l’imagerie à rayons X qui émet des rayons ionisants nocifs pour le corps humain. En revanche l’imagerie micro-onde présente également quelques inconvénient et notamment l’atténuation importante des micro-ondes dans les tissus à forte teneur en eau, qui peut compromettre la propagation des ondes à travers des volumes importants et donc l’imagerie d’organes enfouis profondément dans le corps, et une résolution relativement médiocre du fait des longueurs d’ondes relativement importantes (de l’ordre du centimètre) contrairement à celles rencontrées en tomographie à rayon X (de l’ordre du nanomètre).
Ceci peut provoquer une dégradation de la résolution de l’image obtenue par rapport à l’imagerie X, mais cela n’empêche pas que la tomographie micro-onde permet d’obtenir une résolution suffisante pour le diagnostic précoce de tumeurs du sein [8, 9] La figure I.1 présente une configuration géométrique en imagerie micro-onde bidirectionnelle. L’imagerie micro-ondes a été considérée comme ayant un fort potentiel pour différentes applications. Récemment, l’imagerie micro-ondes a reçu un intérêt considérable par rapport à d’autres techniques d’imagerie. Un grand nombre d’études s’appuyé sur les micro-ondes comme un outil puissant électromagnétiques pour récupérer les propriétés physiques et électriques des objets pénétrables et impénétrables. Les systèmes d’imagerie micro-ondes sont généralement des systèmes actifs, qui signifient que le signal d’éclairage est généré par le système de mesure. Les systèmes passifs ne sont pas largement utilisés car il n’y a qu’un faible rayonnement dans la gamme de fréquence micro-ondes de la plupart des objets. Les fréquences utilisées dans l’imagerie micro-ondes actives sont comprises entre moins de 1 GHz à 40 GHz, On sait que les basses fréquences réduit l’effet du problème de la non-linéarité et la stabilisation de l’algorithme, tandis que les hautes fréquences augmente la résolution de l’image. La plupart des applications fonctionnent dans la gamme de 2 GHz à 8 GHz. Cette gamme est prévue pour donner un bon compromis entre la résolution spatiale (des fréquences plus élevées) et la pénétration (basses fréquences).
Le rôle principal de l’imagerie micro-ondes est qu’il permet de reconstruire d’un objet ou plus précisément, déduire les paramètres physiques d’un objet à partir de mesures des champs électromagnétiques dispersés ou réfléchis qui se produit lorsque l’objet est éclairé par une incidence micro-ondes connue. Un système typique de l’imagerie active à micro-ondes est représenté sur la figure I. 2. L’émetteur génère un signal micro-ondes (la génération du champ d’éclairage) qui sera diffusé par l’objet, le champ diffracté ou réfléchie est mesuré par les récepteurs. Parmi les méthodes actives d’imagerie micro-ondes signalées dans la littérature, On peut distinguer deux types de méthodes : la tomographie à micro-ondes et les techniques radars UWB, qui cherchent à exploiter le contraste diélectrique. La reconstruction de l’image tomographique vise principalement à récupérer les propriétés diélectriques ou voir le profil d’objet à partir des signaux micro-ondes diffusés, en résolvant un problème non linéaire de diffusion inverse [10]. D’autre part, les techniques radars à ultra large bande (UWB) ne tentent pas de reconstruire le profil complet diélectrique, au contraire elles cherchent à localiser et de détecter les objets par leurs signaux rétrodiffusés.
L’application visée
L’imagerie médicale est le premier geste intuitif pour confirmer ou infirmer un diagnostic supposé. Elle englobe différentes techniques comme la radiographie X, la résonance magnétique nucléaire, l’échographie ultrasonore ou la tomographie par émission de positons auxquelles on associe parfois l’endoscopie, l’imagerie optique et l’imagerie micro onde. Ces techniques trouvent aussi des applications de plus en plus nombreuses dans différents domaines telles que la détection des cancers. Ici, nous nous intéressons plus particulièrement à l’imagerie micro-onde qui, au cours des dernières décennies, a reçu un intérêt croissant pour des applications médicales telles que l’imagerie du cerveau ou la détection du cancer du sein [11, 12, 13]. Le cancer du sein est un problème de santé majeur, car il est l’une des formes de cancer les plus courantes chez la femme. Chaque année, un million de nouveaux cas sont enregistrés dans le monde, ce qui fait de ce cancer le plus diagnostiqué au monde. En France également, il constitue le premier type de cancer chez la femme. Par exemple, selon un sondage réalisé en 2010, 52500 nouveaux cas de cancer du sein ont été estimés, soit plus d’un tiers (34%) de l’ensemble des nouveaux cas de cancers féminins. Cette tumeur maligne prend naissance dans les cellules du sein. Elle se développe le plus souvent dans les cellules qui couvrent les canaux, ou tubes, qui transportent le lait des glandes au mamelon. Elle peut se former aussi dans les lobules.
Ces deux types de cancer peuvent rester localisés, ou bien ils peuvent se propager dans les tissus voisins du sein et endommager d’autres organes. Toutes ces raisons font que le diagnostic de cette maladie à un stade précoce est un véritable défi. Actuellement, la méthode de dépistage la plus utilisée est la mammographie par rayons X. Cependant, cette technique présente plusieurs inconvénients dont les principaux sont le caractère ionisant des rayons X et le coût élevé des dispositifs d’imagerie. En outre, selon l’âge de la patiente et la densité des tissus rencontrés, elle conduit souvent à un taux de fausses alarmes non négligeable. En revanche, l’imagerie micro-onde, qui donne des résultats encourageants dans d’autres domaines d’application, fournit une alternative à la mammographie par rayons X moins coûteuse et moins risquée que cette dernière. L’imagerie micro-onde est exploitée à des fins biomédicales depuis plusieurs décennies. C’est à la fin des années 1970 que Larsen et Jacobi ont réussi à obtenir des images de la structure interne de reins canins à partir des coefficients de transmission entre deux antennes déplacées en parallèle, en garantissant ainsi la première pénétration suffisante de micro-ondes dans un objet biologique [14]. L’imagerie micro-onde est utilisée essentiellement au travers de trois approches, c’est à dire passive, duale et active.
Avec les méthodes passives [15, 16] et duales (micro-ondes – acoustiques ou encore thermo-acoustiques [17]) on cherche à bénéficier d’un échauffement sélectif des tumeurs par micro-ondes, échauffement facilité par une conductivité plus élevée des tissus malins, comparés au tissus sains ; les premières visent à mesurer, à l’aide de radiomètres, l’augmentation de la température des tumeurs par rapport aux tissus normaux, tandis que les secondes détectent, à l’aide de transducteurs ultrasonores, les ondes de pression émises par les tumeurs, suite à leur échauffement. Enfin, l’imagerie micro-onde active, à laquelle nous nous intéressons ici, cherche à construire une image de l’organe sous test à partir de la mesure du champ diffracté résultant de son interaction avec une onde interrogatrice (dite onde incidente) connue, cette image étant, en fait, une cartographie des paramètres électromagnétiques (permittivité diélectrique et conductivité) de l’organe. Notons que ces derniers sont très variables selon les tissus et la fréquence d’illumination [18] et que les propriétés diélectriques des tumeurs présentent un contraste non négligeable par rapport à celles des tissus biologiques sains dans la bande de fréquence micro-onde.
Introduction générale |
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