Recalage déformable a l'aide de graphes de coupes 2D et de volumes 3D

Deformable image registration plays a fundamental role in many clinical applications. In this paper we investigate the use of graphical models in the context of a particular type of image registration problem, known as slice-to-volume registration. We introduce a scalable, modular and flexible formulation that can accommodate low-rank and high order terms, that simultaneously selects the plane and estimates the in-plane deformation through a single shot optimization approach. The proposed framework is instantiated into different variants seeking either a compromise between computational efficiency (soft plane selection constraints and approximate definition of the data similarity terms through pair-wise components) or exact definition of the data terms and the constraints on the plane selection. Simulated and real-data in the context of ultrasound and magnetic resonance registration (where both framework instantiations as well as different optimization strategies are considered) demonstrate the potentials of our method.Le recalage d'images déformable est un élément essentiel dans de nombreuses applications cliniques. Dans ce rapport, nous nous intéressons aux modèles graphiques utilisés dans un type de recalage particulier : volume 3D et coupe 2D. Nous établissons un modèle modulaire, flexible et de taille variable qui intègre les potentiels d'ordres supérieurs et résoud simultanément la sélection de plan et l'estimation des transformations intra-plan, en une seule et même optimisation. Le cadre proposé peut être modifié selon plusieurs variantes cherchant soit un compromis entre l'efficacité de calcul (contraintes douces de sélection du plan et calcul approché du terme d'attache aux données par un potentiel à deux nœuds) ou une définition exacte du terme d'attache aux données et des contraintes de la sélection de plan. Nos expériences sur des données simulées et réelles pour des images ultrasons et des IRM (où différentes instanciations et méthodes d'optimisation ont été considérées) prouvent le potentiel de notre méthode

Recalage déformable à base de graphes : mise en correspondance coupe-vers-volume et méthodes contextuelles

Image registration methods, which aim at aligning two or more images into one coordinate system, are among the oldest and most widely used algorithms in computer vision. Registration methods serve to establish correspondence relationships among images (captured at different times, from different sensors or from different viewpoints) which are not obvious for the human eye. A particular type of registration algorithm, known as graph-based deformable registration methods, has become popular during the last decade given its robustness, scalability, efficiency and theoretical simplicity. The range of problems to which it can be adapted is particularly broad. In this thesis, we propose several extensions to the graph-based deformable registration theory, by exploring new application scenarios and developing novel methodological contributions.Our first contribution is an extension of the graph-based deformable registration framework, dealing with the challenging slice-to-volume registration problem. Slice-to-volume registration aims at registering a 2D image within a 3D volume, i.e. we seek a mapping function which optimally maps a tomographic slice to the 3D coordinate space of a given volume. We introduce a scalable, modular and flexible formulation accommodating low-rank and high order terms, which simultaneously selects the plane and estimates the in-plane deformation through a single shot optimization approach. The proposed framework is instantiated into different variants based on different graph topology, label space definition and energy construction. Simulated and real-data in the context of ultrasound and magnetic resonance registration (where both framework instantiations as well as different optimization strategies are considered) demonstrate the potentials of our method.The other two contributions included in this thesis are related to how semantic information can be encompassed within the registration process (independently of the dimensionality of the images). Currently, most of the methods rely on a single metric function explaining the similarity between the source and target images. We argue that incorporating semantic information to guide the registration process will further improve the accuracy of the results, particularly in the presence of semantic labels making the registration a domain specific problem.We consider a first scenario where we are given a classifier inferring probability maps for different anatomical structures in the input images. Our method seeks to simultaneously register and segment a set of input images, incorporating this information within the energy formulation. The main idea is to use these estimated maps of semantic labels (provided by an arbitrary classifier) as a surrogate for unlabeled data, and combine them with population deformable registration to improve both alignment and segmentation.Our last contribution also aims at incorporating semantic information to the registration process, but in a different scenario. In this case, instead of supposing that we have pre-trained arbitrary classifiers at our disposal, we are given a set of accurate ground truth annotations for a variety of anatomical structures. We present a methodological contribution that aims at learning context specific matching criteria as an aggregation of standard similarity measures from the aforementioned annotated data, using an adapted version of the latent structured support vector machine (LSSVM) framework.Les méthodes de recalage d’images, qui ont pour but l’alignement de deux ou plusieurs images dans un même système de coordonnées, sont parmi les algorithmes les plus anciens et les plus utilisés en vision par ordinateur. Les méthodes de recalage servent à établir des correspondances entre des images (prises à des moments différents, par différents senseurs ou avec différentes perspectives), lesquelles ne sont pas évidentes pour l’œil humain. Un type particulier d’algorithme de recalage, connu comme « les méthodes de recalage déformables à l’aide de modèles graphiques » est devenu de plus en plus populaire ces dernières années, grâce à sa robustesse, sa scalabilité, son efficacité et sa simplicité théorique. La gamme des problèmes auxquels ce type d’algorithme peut être adapté est particulièrement vaste. Dans ce travail de thèse, nous proposons plusieurs extensions à la théorie de recalage déformable à l’aide de modèles graphiques, en explorant de nouvelles applications et en développant des contributions méthodologiques originales.Notre première contribution est une extension du cadre du recalage à l’aide de graphes, en abordant le problème très complexe du recalage d’une tranche avec un volume. Le recalage d’une tranche avec un volume est le recalage 2D dans un volume 3D, comme par exemple le mapping d’une tranche tomographique dans un système de coordonnées 3D d’un volume en particulier. Nos avons proposé une formulation scalable, modulaire et flexible pour accommoder des termes d'ordre élevé et de rang bas, qui peut sélectionner le plan et estimer la déformation dans le plan de manière simultanée par une seule approche d'optimisation. Le cadre proposé est instancié en différentes variantes, basés sur différentes topologies du graph, définitions de l'espace des étiquettes et constructions de l'énergie. Le potentiel de notre méthode a été démontré sur des données réelles ainsi que des données simulées dans le cadre d’une résonance magnétique d’ultrason (où le cadre d’installation et les stratégies d’optimisation ont été considérés).Les deux autres contributions inclues dans ce travail de thèse, sont liées au problème de l’intégration de l’information sémantique dans la procédure de recalage (indépendamment de la dimensionnalité des images). Actuellement, la plupart des méthodes comprennent une seule fonction métrique pour expliquer la similarité entre l’image source et l’image cible. Nous soutenons que l'intégration des informations sémantiques pour guider la procédure de recalage pourra encore améliorer la précision des résultats, en particulier en présence d'étiquettes sémantiques faisant du recalage un problème spécifique adapté à chaque domaine.Nous considérons un premier scénario en proposant un classificateur pour inférer des cartes de probabilité pour les différentes structures anatomiques dans les images d'entrée. Notre méthode vise à recaler et segmenter un ensemble d'images d'entrée simultanément, en intégrant cette information dans la formulation de l'énergie. L'idée principale est d'utiliser ces cartes estimées des étiquettes sémantiques (fournie par un classificateur arbitraire) comme un substitut pour les données non-étiquettées, et les combiner avec le recalage déformable pour améliorer l'alignement ainsi que la segmentation.Notre dernière contribution vise également à intégrer l'information sémantique pour la procédure de recalage, mais dans un scénario différent. Dans ce cas, au lieu de supposer que nous avons des classificateurs arbitraires pré-entraînés à notre disposition, nous considérons un ensemble d’annotations précis (vérité terrain) pour une variété de structures anatomiques. Nous présentons une contribution méthodologique qui vise à l'apprentissage des critères correspondants au contexte spécifique comme une agrégation des mesures de similarité standard à partir des données annotées, en utilisant une adaptation de l’algorithme « Latent Structured Support Vector Machine »

An image segmentation and registration approach to cardiac function analysis using MRI

Cardiovascular diseases (CVDs) are one of the major causes of death in the world. In recent years, significant progress has been made in the care and treatment of patients with such diseases. A crucial factor for this progress has been the development of magnetic resonance (MR) imaging which makes it possible to diagnose and assess the cardiovascular function of the patient. The ability to obtain high-resolution, cine volume images easily and safely has made it the preferred method for diagnosis of CVDs. MRI is also unique in its ability to introduce noninvasive markers directly into the tissue being imaged(MR tagging) during the image acquisition process. With the development of advanced MR imaging acquisition technologies, 3D MR imaging is more and more clinically feasible. This recent development has allowed new potentially 3D image analysis technologies to be deployed. However, quantitative analysis of cardiovascular system from the images remains a challenging topic. The work presented in this thesis describes the development of segmentation and motion analysis techniques for the study of the cardiac anatomy and function in cardiac magnetic resonance (CMR) images. The first main contribution of the thesis is the development of a fully automatic cardiac segmentation technique that integrates and combines a series of state-of-the-art techniques. The proposed segmentation technique is capable of generating an accurate 3D segmentation from multiple image sequences. The proposed segmentation technique is robust even in the presence of pathological changes, large anatomical shape variations and locally varying contrast in the images. Another main contribution of this thesis is the development of motion tracking techniques that can integrate motion information from different sources. For example, the radial motion of the myocardium can be tracked easily in untagged MR imaging since the epi- and endocardial surfaces are clearly visible. On the other hand, tagged MR imaging allows easy tracking of both longitudinal and circumferential motion. We propose a novel technique based on non-rigid image registration for the myocardial motion estimation using both untagged and 3D tagged MR images. The novel aspect of our technique is its simultaneous use of complementary information from both untagged and 3D tagged MR imaging. The similarity measure is spatially weighted to maximise the utility of information from both images. The thesis also proposes a sparse representation for free-form deformations (FFDs) using the principles of compressed sensing. The sparse free-form deformation (SFFD) model can capture fine local details such as motion discontinuities without sacrificing robustness. We demonstrate the capabilities of the proposed framework to accurately estimate smooth as well as discontinuous deformations in 2D and 3D CMR image sequences. Compared to the standard FFD approach, a significant increase in registration accuracy can be observed in datasets with discontinuous motion patterns. Both the segmentation and motion tracking techniques presented in this thesis have been applied to clinical studies. We focus on two important clinical applications that can be addressed by the techniques proposed in this thesis. The first clinical application aims at measuring longitudinal changes in cardiac morphology and function during the cardiac remodelling process. The second clinical application aims at selecting patients that positively respond to cardiac resynchronization therapy (CRT). The final chapter of this thesis summarises the main conclusions that can be drawn from the work presented here and also discusses possible avenues for future research