Méthodes multi-organes rapides avec a priori de forme pour la localisation et la segmentation en imagerie médicale 3D

With the ubiquity of imaging in medical applications (diagnostic, treatment follow-up, surgery planning. . . ), image processing algorithms have become of primary importance. Algorithms help clinicians extract critical information more quickly and more reliably from increasingly large and complex acquisitions. In this context, anatomy localization and segmentation is a crucial component in modern clinical workflows. Due to particularly high requirements in terms of robustness, accuracy and speed, designing such tools remains a challengingtask.In this work, we propose a complete pipeline for the segmentation of multiple organs in medical images. The method is generic, it can be applied to varying numbers of organs, on different imaging modalities. Our approach consists of three components: (i) an automatic localization algorithm, (ii) an automatic segmentation algorithm, (iii) a framework for interactive corrections. We present these components as a coherent processing chain, although each block could easily be used independently of the others. To fulfill clinical requirements, we focus on robust and efficient solutions. Our anatomy localization method is based on a cascade of Random Regression Forests (Cuingnet et al., 2012). One key originality of our work is the use of shape priors for each organ (thanks to probabilistic atlases). Combined with the evaluation of the trained regression forests, they result in shape-consistent confidence maps for each organ instead of simple bounding boxes. Our segmentation method extends the implicit template deformation framework of Mory et al. (2012) to multiple organs. The proposed formulation builds on the versatility of the original approach and introduces new non-overlapping constraintsand contrast-invariant forces. This makes our approach a fully automatic, robust and efficient method for the coherent segmentation of multiple structures. In the case of imperfect segmentation results, it is crucial to enable clinicians to correct them easily. We show that our automatic segmentation framework can be extended with simple user-driven constraints to allow for intuitive interactive corrections. We believe that this final component is key towards the applicability of our pipeline in actual clinical routine.Each of our algorithmic components has been evaluated on large clinical databases. We illustrate their use on CT, MRI and US data and present a user study gathering the feedback of medical imaging experts. The results demonstrate the interest in our method and its potential for clinical use.Avec l’utilisation de plus en plus répandue de l’imagerie dans la pratique médicale (diagnostic, suivi, planification d’intervention, etc.), le développement d’algorithmes d’analyse d’images est devenu primordial. Ces algorithmes permettent aux cliniciens d’analyser et d’interpréter plus facilement et plus rapidement des données de plus en plus complexes. Dans ce contexte, la localisation et la segmentation de structures anatomiques sont devenues des composants critiques dans les processus cliniques modernes. La conception de tels outils pour répondre aux exigences de robustesse, précision et rapidité demeure cependant un réel défi technique.Ce travail propose une méthode complète pour la segmentation de plusieurs organes dans des images médicales. Cette méthode, générique et pouvant être appliquée à un nombre varié de structures et dans différentes modalités d’imagerie, est constituée de trois composants : (i) un algorithme de localisation automatique, (ii) un algorithme de segmentation, (iii) un outil de correction interactive. Ces différentes parties peuvent s’enchaîner aisément pour former un outil complet et cohérent, mais peuvent aussi bien être utilisées indépendemment. L’accent a été mis sur des méthodes robustes et efficaces afin de répondre aux exigences cliniques. Notre méthode de localisation s’appuie sur une cascade de régression par forêts aléatoires (Cuingnet et al., 2012). Elle introduit l’utilisation d’informations a priori de forme, spécifiques à chaque organe (grâce à des atlas probabilistes) pour des résultats plus cohérents avec la réalité anatomique. Notre méthode de segmentation étend la méthode de segmentation par modèle implicite (Mory et al., 2012) à plusieurs modèles. La formulation proposée permet d’obtenir des déformations cohérentes, notamment en introduisant des contraintes de non recouvrement entre les modèles déformés. En s’appuyant sur des forces images polyvalentes, l’approche proposée se montre robuste et performante pour la segmentation de multiples structures. Toute méthode automatique n’est cependant jamais parfaite. Afin que le clinicien garde la main sur le résultat final, nous proposons d’enrichir la formulation précédente avec des contraintes fournies par l’utilisateur. Une optimisation localisée permet d’obtenir un outil facile à utiliser et au comportement intuitif. Ce dernier composant est crucial pour que notre outil soit réellement utilisable en pratique. Chacun de ces trois composants a été évalué sur plusieurs grandes bases de données cliniques (en tomodensitométrie, imagerie par résonance magnétique et ultrasons). Une étude avec des utilisateurs nous a aussi permis de recueillir des retours positifs de plusieurs experts en imagerie médicale. Les différents résultats présentés dans ce manuscrit montrent l’intérêt de notre méthode et son potentiel pour une utilisation clinique

Multidimensional image analysis of cardiac function in MRI

Cardiac morphology is a key indicator of cardiac health. Important metrics that are currently in clinical use are left-ventricle cardiac ejection fraction, cardiac muscle (myocardium) mass, myocardium thickness and myocardium thickening over the cardiac cycle. Advances in imaging technologies have led to an increase in temporal and spatial resolution. Such an increase in data presents a laborious task for medical practitioners to analyse. In this thesis, measurement of the cardiac left-ventricle function is achieved by developing novel methods for the automatic segmentation of the left-ventricle blood-pool and the left ventricle myocardium boundaries. A preliminary challenge faced in this task is the removal of noise from Magnetic Resonance Imaging (MRI) data, which is addressed by using advanced data filtering procedures. Two mechanisms for left-ventricle segmentation are employed. Firstly segmentation of the left ventricle blood-pool for the measurement of ejection fraction is undertaken in the signal intensity domain. Utilising the high discrimination between blood and tissue, a novel methodology based on a statistical partitioning method offers success in localising and segmenting the blood pool of the left ventricle. From this initialisation, the estimation of the outer wall (epi-cardium) of the left ventricle can be achieved using gradient information and prior knowledge. Secondly, a more involved method for extracting the myocardium of the leftventricle is developed, that can better perform segmentation in higher dimensions. Spatial information is incorporated in the segmentation by employing a gradient-based boundary evolution. A level-set scheme is implemented and a novel formulation for the extraction of the cardiac muscle is introduced. Two surfaces, representing the inner and the outer boundaries of the left-ventricle, are simultaneously evolved using a coupling function and supervised with a probabilistic model of expertly assisted manual segmentations