Conception, simulation et Conception, simulation et réalisation d’un processeur réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction optique pour la reconstruction d’images médicales d’images médicales Morgan MADEC Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006 Vendredi 10 novembre 2006 Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de docteur de l’ULP Spécialité : Électronique, Électrotechnique et Automatique Jury Jury Pr. Olivier BONNAUD Pr. Olivier BONNAUD Rapporteur externe Rapporteur externe Pr. Pierre AMBS Pr. Pierre AMBS Rapporteur externe Rapporteur externe Pr. Fabrice HEITZ Pr. Fabrice HEITZ Rapporteur interne Rapporteur interne Dr. HDR Yannick HERVE Dr. HDR Yannick HERVE Directeur de Directeur de thèse thèse Dr. Wilfried UHRING Dr. Wilfried UHRING Examinateur Examinateur
Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de docteur de l’ULP Spécialité : Électronique, Électrotechnique et Automatique. Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales. Morgan MADEC Vendredi 10 novembre 2006. Jury - PowerPoint PPT Presentation
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Conception, simulation et Conception, simulation et réalisation d’un processeur réalisation d’un processeur
optique pour la reconstruction optique pour la reconstruction d’images médicalesd’images médicales
Morgan MADECMorgan MADEC
Vendredi 10 novembre 2006Vendredi 10 novembre 2006
Soutenance de thèse pour l’obtention du grade de docteur de l’ULP
Spécialité : Électronique, Électrotechnique et Automatique
JuryJury Pr. Olivier BONNAUDPr. Olivier BONNAUD Rapporteur externeRapporteur externe
Pr. Pierre AMBSPr. Pierre AMBS Rapporteur externeRapporteur externe
Pr. Fabrice HEITZPr. Fabrice HEITZ Rapporteur interneRapporteur interne
Dr. HDR Yannick HERVEDr. HDR Yannick HERVE Directeur de thèseDirecteur de thèse
Dr. Wilfried UHRINGDr. Wilfried UHRING ExaminateurExaminateur
Dr. Jean-Baptiste FASQUELDr. Jean-Baptiste FASQUEL ExaminateurExaminateur
Dr. Pascal JOFFREDr. Pascal JOFFRE Membre invitéMembre invité
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
SommaireSommaire
Contexte du projet et motivationsContexte du projet et motivations Les processeurs optiquesLes processeurs optiques Aspect matérielAspect matériel ApplicationsApplications ConclusionsConclusions
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Pr. Russel H. Taylor (2003 – John Hopkins U)Pr. Russel H. Taylor (2003 – John Hopkins U)
Prospective vers des solutions alternativesProspective vers des solutions alternativesTraitement optique de l’informationTraitement optique de l’information
« La robotique chirurgicale est à « La robotique chirurgicale est à l’heure actuelle au même point l’heure actuelle au même point
que la robotique industrielle en 1972 »que la robotique industrielle en 1972 »
Potentiel d’évolution de Potentiel d’évolution de la robotique chirurgicalela robotique chirurgicale
Potentiel d’évolution de Potentiel d’évolution de l’électronique classiquel’électronique classique
>>
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
SommaireSommaire
Contexte du projet et motivationsContexte du projet et motivations Les processeurs optiquesLes processeurs optiques Aspect matérielAspect matériel ApplicationsApplications ConclusionsConclusions
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
Traitement optique de l’informationTraitement optique de l’information
==
Tirer partie des avantagesTirer partie des avantages
des propriétés de l’optiquedes propriétés de l’optique
Vitesse de calcul
Parallélismemassif
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
SOURCE
SYSTEME D’AFFICHAGE
SYSTEME OPTIQUE DE
TRAITEMENTSYSTEME
D’ACQUISITION
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
CONTRÔLEUR
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Un exempleUn exemple
Corrélateur optique de Vander LugtCorrélateur optique de Vander Lugt
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
Morgan MADEC10/11/2006 10 / 60
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Un exempleUn exemple
Corrélateur optique de Vander LugtCorrélateur optique de Vander Lugt
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
Morgan MADEC10/11/2006 11 / 60
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Un exempleUn exemple
Corrélateur optique de Vander LugtCorrélateur optique de Vander Lugt
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
Morgan MADEC10/11/2006 12 / 60
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Un exempleUn exemple
Corrélateur optique de Vander LugtCorrélateur optique de Vander Lugt
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Un exempleUn exemple
Corrélateur optique de Vander LugtCorrélateur optique de Vander Lugt
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
Morgan MADEC10/11/2006 14 / 60
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Un exempleUn exemple
Corrélateur optique de Vander LugtCorrélateur optique de Vander Lugt
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
Principe de fonctionnementPrincipe de fonctionnement
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
AvantageAvantage Gain apporté en temps de calculGain apporté en temps de calculExemple : Processeur optique de filtrage d’images 1024² Exemple : Processeur optique de filtrage d’images 1024²
@ 1 khZ (pour des filtrages nécessitant le passage à la TF).@ 1 khZ (pour des filtrages nécessitant le passage à la TF).
Avantage augmente avec la taille des imagesAvantage augmente avec la taille des images
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
DéfautsDéfauts Qualité de traitementQualité de traitement
Bruit propre au traitementBruit propre au traitement Quantification des donnéesQuantification des données Acquisition quadratiqueAcquisition quadratique Bruits optiquesBruits optiques
Analyse en simulationAnalyse en simulation
Manque de souplesseManque de souplesse
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
PotentielPotentiel
PERTE DE QUALITE
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Facteur de mériteFacteur de mérite
Les processeurs Les processeurs optiquesoptiques
PotentielPotentiel
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
SommaireSommaire
Contexte du projet et motivationsContexte du projet et motivations Les processeurs optiquesLes processeurs optiques Aspect matérielAspect matériel ApplicationsApplications ConclusionsConclusions
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Polychrom.Laser Diode Laser
Aspect MatérielAspect MatérielSources de lumièreSources de lumière
Sources cohérentes
Sources non-cohérentes
LEDMonochrom.
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Travaux sur les systèmes d’affichage à FLCTravaux sur les systèmes d’affichage à FLC Caractérisation d’un FLC-A commercialCaractérisation d’un FLC-A commercial
Mise en évidence de limitations importantes (non-Mise en évidence de limitations importantes (non-uniformité, non-linéarité, rémanence, …)uniformité, non-linéarité, rémanence, …)
Etude des techniques d’augmentation de Etude des techniques d’augmentation de dynamiquedynamique
Problèmes en lumière cohérenteProblèmes en lumière cohérente Fortes limitationsFortes limitations
Prototypage virtuel d’un modulateur analogique Prototypage virtuel d’un modulateur analogique rapide à base de FLC-Brapide à base de FLC-B
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Géométrie d’une cellule FLC stabilisée en Géométrie d’une cellule FLC stabilisée en surfacesurface
Position des molécules contrôlées par EPosition des molécules contrôlées par E
Aspect MatérielAspect MatérielModèle de FLC-BModèle de FLC-B
sin sin 2EPt d
Axe rapide
Axe lent
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Modèle du SSFLC-B en VHDL-AMSModèle du SSFLC-B en VHDL-AMS Basé sur le modèle physiqueBasé sur le modèle physique Complété par des modèles Complété par des modèles comportementauxcomportementaux
Comportement optiqueComportement optique TempératureTempérature Comportement électroniqueComportement électronique Transport d’ionsTransport d’ions
Validation Validation « expérimentalement » : littérature« expérimentalement » : littérature Modèles descriptifs valides par natureModèles descriptifs valides par nature
Aspect MatérielAspect MatérielModèle de FLC-BModèle de FLC-B
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Résultats de simulationsRésultats de simulations
Aspect MatérielAspect MatérielModèle de FLC-BModèle de FLC-B
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Aspect MatérielAspect MatérielPrototypage virtuel d’une Prototypage virtuel d’une
commandecommandePrincipe de la commandePrincipe de la commande
Temps
Temps
Tension
Angle azimutal
FLCCellule
Tb
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Temps
Aspect MatérielAspect MatérielPrototypage virtuel d’une Prototypage virtuel d’une
commandecommande Signal de positionnement : 10 V - 500 à 600 µs.Signal de positionnement : 10 V - 500 à 600 µs. Signal de maintien : ± 1 V à 1 MHz.Signal de maintien : ± 1 V à 1 MHz.
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Même signal de commandeMême signal de commande Température varie de 20° à 25°Température varie de 20° à 25°
La sortie varie du noir au blancLa sortie varie du noir au blanc Calibration ou asservissementCalibration ou asservissement
Aspect MatérielAspect MatérielPrototypage virtuel d’une Prototypage virtuel d’une
commandecommande
20°
25°
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
SommaireSommaire
Contexte du projet et motivationsContexte du projet et motivations Les processeurs optiquesLes processeurs optiques Aspect matérielAspect matériel ApplicationsApplications ConclusionsConclusions
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Système d’acquisition (2D)Système d’acquisition (2D)
Données acquisesDonnées acquises Atténuation du faisceau par l’objetAtténuation du faisceau par l’objet Exp de la transformée de Radon de l’objetExp de la transformée de Radon de l’objet
ApplicationApplicationPrincipe de la tomographiePrincipe de la tomographie
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Inversion de la transformée Inversion de la transformée de Radon de Radon Rétroprojections filtrées Rétroprojections filtrées (FBP)(FBP) Complexité de calculComplexité de calcul
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ApplicationApplicationFiltrage optique des projectionsFiltrage optique des projections
Montage de type Vander LugtMontage de type Vander Lugt
Problèmes liés à l’acquisition quadratiqueProblèmes liés à l’acquisition quadratique Filtre passe-bas pour la dérivationFiltre passe-bas pour la dérivation Calcul d’une racine carrée Calcul d’une racine carrée non-linéarité non-linéarité
Problèmes liés à la quantificationProblèmes liés à la quantification
Problèmes liés à la lumière cohérenteProblèmes liés à la lumière cohérente Résultat expérimental de reconstructionRésultat expérimental de reconstruction
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Résultats de simulationsRésultats de simulations Effets premier ordre pour tous les bruits.Effets premier ordre pour tous les bruits. Pour avoir un SNR de 30 dBPour avoir un SNR de 30 dB
Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ApplicationApplicationCas pratique – Implémentation Cas pratique – Implémentation
hybridehybride
MémoireScanner
Mémoire Locale
Acquisitions utiles
Unité de recombinaison
TamponSinogrammes //
Unité de filtrage
Unité de rétroprojection
TamponCoupes obliques
Unité d’interpolation
TamponCoupes
transversales
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ApplicationApplicationCas pratique – Implémentation Cas pratique – Implémentation
hybridehybride Coprocesseur de recombinaison (FSM)Coprocesseur de recombinaison (FSM)
Mémoire locale contenant les acquisitions utiles
Mémoire tampon contenant les sinogrammes parallèles
Unité de contrôle
Mémoire adresse
Mémoire correct.
X
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ApplicationApplicationCas pratique – Implémentation Cas pratique – Implémentation
hybridehybride Coprocesseur de reconstruction planaireCoprocesseur de reconstruction planaire
Système 100% optiqueSystème 100% optique Processeur optique de filtrageProcesseur optique de filtrage Processeur optique de rétroprojectionProcesseur optique de rétroprojection
Système hybrideSystème hybride Processeur numérique de filtrage (DSP)Processeur numérique de filtrage (DSP) Processeur optique de rétroprojectionProcesseur optique de rétroprojection
ApplicationApplicationCas pratique – Implémentation Cas pratique – Implémentation
hybridehybride
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ConclusionsConclusions
Bilan sur l’aspect matérielBilan sur l’aspect matériel Interfaces optoélectroniques critiquesInterfaces optoélectroniques critiques
Cadence Cadence Vitesse de traitement Vitesse de traitement Qualité Qualité Qualité de traitement Qualité de traitement
Caméra rapide OKCaméra rapide OK Afficheur rapideAfficheur rapide
Non-cohérent Non-cohérent Matrices à LEDS Matrices à LEDS Cohérent Cohérent SLM à développer SLM à développer
Performances actuelles confirment le potentielPerformances actuelles confirment le potentiel Profiter du développement de l’électronique Profiter du développement de l’électronique
pour évoluerpour évoluer
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ConclusionsConclusions
Bilan sur l’aspect applicatifBilan sur l’aspect applicatif Filtrage par voie optique : incompatible avec Filtrage par voie optique : incompatible avec
Résultats très encourageants Résultats très encourageants Conditions expérimentales à améliorerConditions expérimentales à améliorer
Système hybride Système hybride Réduction du temps de calculRéduction du temps de calcul Brevet n° 06/08361 du 22/09/2006Brevet n° 06/08361 du 22/09/2006 Matériel standardMatériel standard Perspectives médicales intéressantesPerspectives médicales intéressantes
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
ConclusionsConclusions
PerspectivesPerspectives PrototypePrototype
Affichage adapté à nos besoinsAffichage adapté à nos besoins Système optique dans des conditions optimales Système optique dans des conditions optimales
(solid state optic, intégration, …)(solid state optic, intégration, …) Validation : système d’assistance peropératoireValidation : système d’assistance peropératoire Veille technologique : optique vs numériqueVeille technologique : optique vs numérique Transfert technologiqueTransfert technologique
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Conception, simulation et réalisation d’un processeur optique pour la reconstruction d’images médicales
Merci pour votre attention …Merci pour votre attention …