Numéro d'ordre

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Niveau: Supérieur, Doctorat, Bac+8
Numéro d'ordre : THÈSE présentée à l'Université Strasbourg I – Louis Pasteur – École doctorale MSII Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection UMR 7005 CNRS/ULP par M. Julien LAMY pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITÉ LOUIS PASTEUR DISCIPLINE : INFORMATIQUE CALCUL DU CHEMIN CENTRAL DU CÔLON POUR UNE ANALYSE LOCALE DES PATHOLOGIES soutenue publiquement le 18 novembre 2005 devant le jury composé de : M. Michel COUPRIE , rapporteur externe M. Olivier MONGA, rapporteur externe M. Christian RONSE, directeur de thèse M. Pascal SCHRECK , rapporteur interne M. Luc SOLER, examinateur

  • calcul du chemin central du côlon

  • analyse locale des pathologies

  • segmentation

  • imagerie du côlon

  • stéphane pour la relecture d'articles

  • base de contours

  • ligne de partage des eaux

  • traitement de signal

  • rapporteur externe


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Publié le 01 novembre 2005
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Numérod’ordre:
THÈSE
présentéeà
l’UniversitéStrasbourgI–LouisPasteur–ÉcoledoctoraleMSII
LaboratoiredesSciencesdel’Image,del’InformatiqueetdelaTélédétection
UMR7005CNRS/ULP
par
M.JulienLAMY
pourobtenirlegradede
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉLOUIS PASTEUR
DISCIPLINE: INFORMATIQUE
CALCULDU CHEMIN CENTRALDU CÔLON
POUR UNE ANALYSELOCALEDES PATHOLOGIES
soutenuepubliquementle18novembre2005
devantlejurycomposéde:
M.MichelCOUPRIE,rapporteurexterne
M.OlivierMONGA,rapporteurexterne
M.ChristianRONSE,directeurdethèse
M.PascalSCHRECK,rapporteurinterne
M.LucSOLER,examinateurRemerciements
E TIENS À REMERCIER Christian Ronse, mon directeur de thèse, et Luc Soler,
J monco-encadrant,pourleurencadrement,leurssuggestionsetleurdispo-
nibilité.Merciégalementàmesrapporteurs,MichelCouprie,OlivierMongaet
Pascal Schreck, d’avoir accepté de relire et de juger ce travail de thèse. Merci
à Jacques Marescaux, président de l’Ircad, pour m’avoir accueilli pendant ces
quatreannées.
NE THÈSEnesefaisantpasdanslasolitude,jeremercieégalementmescol-
U lègues de travail pour l’ambiance qui règne au sein de l’équipe Virtuals.
MerciàJBetVincepourITK++etàStéphanepourlarelectured’articles.Àceux
dontlathèseestencours,boncouragepourlasuite!
ERCI AUSSI àtoutceuxquim’ontécoutéetsoutenuaucoursdecesquatreM ans,ycomprisendehorsdutravail.Dansledésordreleplustotal,jetiens
donc à remercier Laura, Mathieu, Anaïs, Kath, Guillaume, Ghis, Valérie, Nico,
mes parents, Alex, Sylvain, Céline, Anne-Blandine, Fabien, JP, Johan, Marie-
Claire,Arnaud,Yvan,Jean.Cettethèsen’auraitpasétélamêmesansvous.
iiiTabledesmatières
Introduction 1
1 Traitementd’imagesmédicales 5
1.1 Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 RayonsX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Résonancemagnétiquenucléaire . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.3 Imagerienucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.4 Échographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Restaurationetamélioration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.1 Traitementdusignal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.3 Espaced’échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.4 Morphologiemathématique . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Segmentation:étiquetagedel’image . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1 Seuillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.2 Segmentationàbasederégions . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3.3 Segmentationàbasedecontours . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.4 Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.5 Lignedepartagedeseaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.6 Modèlesdéformables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2 Anatomie,pathologiesetimagerieducôlon 27
2.1 Anatomieducôlon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Pathologiesducôlon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Imagerieducôlon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3 Segmentationdelalumièreducôlon 33
3.1 Travauxexistants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Segmentationparseuillageglobal . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.2.1 CasdesimagesIRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
iiiTabledesmatières iv
3.2.2 CasdesimagesTDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.2.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3 Segmentationparpropagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.1 Choixducritère . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.3.2 Placementdesgraines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.3 RésultatssurlesimagesTDM . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.4 RésultatssurlesimagesIRM . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.4 Segmentationparlignesdeniveau . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4 Élémentsdetopologiediscrète 45
4.1 Voisinageetconnexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.2 Formalisationenn dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2.1 Cellulesetdécompositioncellulaire . . . . . . . . . . . . 48
4.2.2 Choixdescouplesdeconnexitéenn dimensions . . . . 48
4.3 Cheminsetcomposantesconnexes . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Cavité,trouetnombredeconnexité . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.1 Cavité,trouettunnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4.2 Nombredeconnexitéetgenre . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Simplificationdelagéométrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.1 Simplicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.6 Squelettisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.1 Pointterminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.2 Algorithmesdesquelettisation . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.7 Simplificationdusquelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.7.1 Branchesindésirables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.7.2 Correctiondelatopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5 Calculduchemincentralducôlon 67
5.1 Travauxexistants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.1 Cartedesdistances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.2 Amincissement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 Pré-traitement:suppressiondescavités . . . . . . . . . . . . . 68
5.3 Algorithmedesquelettisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3.1 Simplicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3.2 Centrage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.3.3 Choixdelaconnexité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.3.4 Efficacité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.4 Suppressiondesbranchesindésirables . . . . . . . . . . . . . . 72
5.5 Suppressiondescycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.5.1 Casdesboucles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74v Tabledesmatières
5.5.2 Casdescheminsdemêmesextrémités . . . . . . . . . . 74
5.5.3 Algorithmestopologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.5.4 Algorithmestopologiquesetgéométriques . . . . . . . . 76
5.5.5 Approchemulti-échelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 Sectionsorthogonales 83
6.1 Expressioncontinueduchemincentral . . . . . . . . . . . . . . 84
6.1.1 Courbesparamétrées . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.1.2 CourbesB-spline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.1.3 Approximationd’unensembledepoints . . . . . . . . . 86
6.1.4 Paramètresutilisés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2 Calculd’unesection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.2.1 Casdudébordement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3 Recouvrementducôlonpardessections . . . . . . . . . . . . . 91
6.3.1 Problèmedelavitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3.2 Notiondeplacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3.3 Algorithmederecouvrement . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3.4 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7 Détectiondepathologies 95
7.1 Détectiondepolypes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.1 Caractérisationpartop-hat . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.1.2 Caractérisationpardemi-boules . . . . . . . . . . . . . . 97
7.2 Détectiondetumeurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2.1 Évolutiondel’épaisseurducôlon . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.2 Parcoursdubordd’unesection . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.2.3 Momentsd’ordre2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
7.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Conclusion 103Tabledesmatières viTabledesfigures
1.1 Changementdetopologied’unfront . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Anatomiedugrosintestin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Coupehistologiquedelaparoiducôlon . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Carcinomeulcéro-bourgeonnant,enformedequartierd’orange 30
2.4 Carcinomecirconférentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1 Histogrammetypiqued’uneimageIRM . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 SegmentationducôlonsuruneimageIRMparseuillageglobal 37
3.3 Histogrammetypiqued’uneimageTDM . . . . . . . . . . . . . 38
3.4 Zoned’acquisitiondansuneimageTDM . . . . . . . . . . . . . 42
4.1 Grillehexagonale:unseultypedevoisin . . . . . . . . . . . . . 45
4.2 Adjacencedansunegrillecarrée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.3 ThéorèmedeJordandansunespacediscret2D . . . . . . . . . 47
4.4 Adjacencedansunegrillecubique . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5 Exemplesd’objetstroués . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.6 Suppressiond’untunneletcréationd’unautre . . . . . . . . . 54
4.7 Jonctionsentrecourbesetsurfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.8 Instabilitédelasquelettisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.9 Unobjet3Detsonsquelette . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.10 Unobjet3Detsonenveloppetopologiquedécalée . . . . . . . 65
5.1 Figuretouchantlebord . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Centragedusqueletteenfonctiondubalayageutilisé . . . . . 70
5.3 Squelettesselonlescouplesdeconnexités . . . . . . . . . . . . 70
5.4 Jonctiondetroiscourbesdétectéecommeunesurface . . . . . 71
5.5 Squeletteavantetaprèssuppressiondesbranchesindésirables 73
5.6 Cycledanslecôlon,avantl’effetdevolumepartieletaprès . . 73
5.7 Cheminsdemêmesextrémités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.8 Étapesdel’appariementdessommets . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.9 Arêteàapparieràunchemin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.10 Résultatdel’algorithmedesuividansuncassimple . . . . . . 81
viiTabledesfigures viii
5.11 Résultatdel’algorithmedesuividansuncascomplexe . . . . 82
6.1 ApproximationduchemincentralparuneB-spline . . . . . . . 88
6.2 Sectionorthogonaleducôlon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.3 Débordementd’unesectionorthogonale . . . . . . . . . . . . . 90
6.4 Résolutiond’undébordement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.5 Sectionplacéetroploin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7.1 Polypeprèsd’unpli,etfermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.2 Polypesurunpli,etfermeture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.3 Demi-boulepointantversl’intérieur. . . . . . . . . . . . . . . . 98
7.4 Intersectionentreunedemi-bouleetunestructureplusgrande 99
7.5 Intersectionentreunedemi-bouleetunestructurepluspetite 99