Projet : EPIDAURE

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Sous-sections

• Segmentation anatomique du foie.
• Utilisation de modèles déformables pour la segmentation et la modélisation géométrique d'organes
• Segmentation de vaisseaux dans les angiographies 3D
  • Présentation de la méthode
  • Résultats
• Segmentation des anévrismes dans des angiographies 3D
• Topologie discrète

   
Segmentation d'images

Résumé :

Ce module est principalement lié à deux applications médicales : la segmentation d'organes à partir d'images, en particulier du foie, et la segmentation des vaisseaux et des anévrismes dans les angiographies 3D du cerveau. Cette dernière application fait l'objet d'un contrat avec General Electric Medical Systems. Par ailleurs, l'action incitative AISIM a favorisé une rencontre avec Marc Thiriet, du projet M3N. Celui-ci a pu utiliser des premiers résultats de segmentation pour des calculs d'écoulement [[51],[50]].

Mots clés : modèles déformables, segmentation, diffusion anisotrope, analyse multiéchelle .

Segmentation anatomique du foie.

Participants : Luc Soler, Grégoire Malandain, Hervé Delingette, Olivier Dourthe.

  Dans le cadre du projet Européen MASTER (section 8.3.4), nous souhaitons développer un outil d'aide à la planification chirurgicale du foie. Dans la pratique, les chirurgiens se basent sur une délimitation du foie en 8 régions appelées « segments anatomiques » [Cou57] qui sont utilisés pour guider les résections chirurgicales. Ces segments sont définis à partir de la veine porte que l'on peut visualiser sur des angio-scanners 3D de l'abdomen, après injection d'un produit de contraste dans le réseau veineux. Le but de nos travaux est de segmenter automatiquement le foie, la veine porte et les éventuelles lésions hépatiques de façon à déterminer les segments anatomiques envahis par les lésions et nécessitant une résection. Dans une première étape, notre méthode réalise une segmentation des structures anatomiques et pathologiques, fondée sur un seuillage initial suivi de corrections locales à partir de contraintes topologiques et géométriques qui traduisent les connaissances anatomiques que l'on possède de la veine porte et des lésions. Cette étape permet ainsi de segmenter le réseau porte et les éventuelles lésions du foie. Dans une seconde étape, on donne à chaque branche du réseau porte le numéro du segment anatomique auquel elle appartient, par une méthode originale combinant une mise en correspondance d'un atlas et des connaissances a priori sur la topologie et la géométrie de l'arbre portal et des segments hépatiques. On peut alors reconstruire les 8 segments anatomiques de Couinaud dans une dernière étape, en calculant les régions d'influence de chaque branche (voir Fig. 1).

  

Figure 1: Résultats de la segmentation anatomique du foie et de ses lésions sur deux patients différents. À gauche, de multiples lésions (masses sombres) sont repérées dans les segments 4 et 8 (transparents dans cette image). À droite, détection d'un kyste dans le segment 8.

        

Plusieurs articles relatifs à ces travaux sont parus ou ont été présentés lors de conférences [[72],[63]].

Utilisation de modèles déformables pour la segmentation et la modélisation géométrique d'organes

Participants : Johan Montagnat, Hervé Delingette.

  Nous nous sommes attachés à automatiser le processus de segmentation à partir de modèles déformables. Nous avons pour cela développé un schéma de segmentation contrôlant l'évolution du nombre de degrés de liberté laissés au modèle. À l'initialisation, le nombre de degrés de libertés est très réduit pour rendre le modèle peu sensible aux minima locaux. Au cours du processus de déformation, le nombre de degrés de liberté s'accroît pour permettre une meilleure segmentation.

Ce travail nous a conduit au transfert de notre bibliothèque de modèles déformables chez notre partenaire médical, l'IRCAD de Strasbourg (Institut de Recherche contre le Cancer de l'Appareil Digestif).

Des études de faisabilité nous ont conduit à utiliser les modèles déformables pour la segmentation de modalités plus difficiles à traiter que les images scanners, comme des IRM à fort champ (segmentation de la rate de rat et du coeur de souris dans le cadre d'une collaboration avec Sanofi) et des images ultrasonores 3D (segmentation du ventricule gauche du coeur dans une séquence temporelle).

  

Figure 2: Les trois colonnes représentent le ventricule gauche à trois instants différents. Sur la ligne du haut apparaît le modèle reconstruit tandis qu'en bas est représentée la trace de ce modèle dans l'un des plans de l'image ultrasonore originale au même instant.

Segmentation de vaisseaux dans les angiographies 3D

Participants : Karl Krissian, Grégoire Malandain, Nicholas Ayache.

Présentation de la méthode

La segmentation de vaisseaux dans des images cérébrales tridimensionnelles peut fournir une information précieuse au médecin lors de l'opération d'un anévrisme. Nous introduisons trois modèles de vaisseaux : circulaire cylindrique, circulaire torique et elliptique cylindrique. Leur étude permet de sélectionner un ensemble de points situés au voisinage des axes des vaisseaux. Elle permet aussi de mieux comprendre la sensibilité des valeurs propres de la matrice Hessienne de l'image en fonction de la courbure et de la section elliptique des vaisseaux [SNA⁺97].
Nous introduisons aussi une nouvelle approche permettant de segmenter et de reconstruire les vaisseaux dans des images tridimensionnelles. La réponse à une échelle donnée est obtenue par intégration de la dérivée première de l'intensité dans la direction radiale le long d'un cercle situé dans le plan d'une section du vaisseau. Cette fonction est une extension 3D de la fonction proposée par Koller et al. [KGSD95]. L'utilisation d'un modèle permet aussi de choisir un bon paramètre $\gamma$ de normalisation [Lin96]. Une fois le paramètre $\gamma$ fixé, nous en déduisons la relation entre le rayon d'un vaisseau et l'échelle à laquelle il est détecté. La réponse multiéchelle nous permet alors d'obtenir un squelette des vaisseaux et de reconstruire le réseau vasculaire à partir des axes et des rayons associés.

Résultats

La méthode a été testée sur une dizaine d'images tridimensionnelles de vaisseaux du cerveau. La figure 3 présente un résultat obtenu sur une des images. Les vaisseaux de différentes tailles et de différentes intensités sont détectés avec une bonne robustesse, même lorsqu'ils sont proches ou tangents. La plupart des jonctions sont préservées. Le temps de calcul est de quelques minutes sur une station DEC-Alpha, pour une image 128 x 128 x 128. Ce travail a été réalisé en collaboration avec General Electric Medical Systems (GEMS) (section 7.2).

  

Figure 3: En haut, de gauche à droite, Projection d'Intensité Maximale (MIP) de l'image initiale, superposition des lignes centrales détectées et d'une MIP de l'image initiale, superposition des lignes centrales détectées et d'une isosurface. En bas, de gauche à droite, deux isosurfaces de l'image initiale obtenues avec des seuils différents et une isosurface de l'image reconstruite.

Segmentation des anévrismes dans des angiographies 3D

Participants : Grégoire Malandain, Béatrice Frison.

En modélisant un anévrisme comme étant un ballon se gonflant à partir d'un vaisseau, il est possible d'utiliser des outils de topologie discrète pour reconnaître et segmenter un anévrisme dans une image binaire (figure 4).

  

Figure 4: Vue 3D de la segmentation d'un anévrisme. L'anévrisme (en sombre) a été reconnu comme une excroissance topologique du réseau vasculaire (en clair).

Cependant, cette modélisation peut être prise en défaut dans certaines images, en particulier à cause de la binarisation. En s'inspirant de  [BEC97], Béatrice Frison a développé, au cours d'un stage de 2^e année d'école d'ingénieur, un outil de conditionnement topologique permettant de traiter directement les images en niveaux de gris [[67]].

Topologie discrète

Participants : Grégoire Malandain, Sara Fernández-Vidal, Luc Robert.

Les travaux menés lors des années précédentes, d'une part sur la squelettisation avec Sara Fernández-Vidal, et, d'autre part, sur l'utilisation des diagrammes de décision binaire avec Luc Robert, ont conduit à de nouvelles publications [[26],[32]].

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