Towards a framework for multi class statistical modelling of shape, intensity, and kinematics in medical images

Statistical modelling has become a ubiquitous tool for analysing of morphological variation of bone structures in medical images. For radiological images, the shape, relative pose between the bone structures and the intensity distribution are key features often modelled separately. A wide range of research has reported methods that incorporate these features as priors for machine learning purposes. Statistical shape, appearance (intensity profile in images) and pose models are popular priors to explain variability across a sample population of rigid structures. However, a principled and robust way to combine shape, pose and intensity features has been elusive for four main reasons: 1) heterogeneity of the data (data with linear and non-linear natural variation across features); 2) sub-optimal representation of three-dimensional Euclidean motion; 3) artificial discretization of the models; and 4) lack of an efficient transfer learning process to project observations into the latent space. This work proposes a novel statistical modelling framework for multiple bone structures. The framework provides a latent space embedding shape, pose and intensity in a continuous domain allowing for new approaches to skeletal joint analysis from medical images. First, a robust registration method for multi-volumetric shapes is described. Both sampling and parametric based registration algorithms are proposed, which allow the establishment of dense correspondence across volumetric shapes (such as tetrahedral meshes) while preserving the spatial relationship between them. Next, the framework for developing statistical shape-kinematics models from in-correspondence multi-volumetric shapes embedding image intensity distribution, is presented. The framework incorporates principal geodesic analysis and a non-linear metric for modelling the spatial orientation of the structures. More importantly, as all the features are in a joint statistical space and in a continuous domain; this permits on-demand marginalisation to a region or feature of interest without training separate models. Thereafter, an automated prediction of the structures in images is facilitated by a model-fitting method leveraging the models as priors in a Markov chain Monte Carlo approach. The framework is validated using controlled experimental data and the results demonstrate superior performance in comparison with state-of-the-art methods. Finally, the application of the framework for analysing computed tomography images is presented. The analyses include estimation of shape, kinematic and intensity profiles of bone structures in the shoulder and hip joints. For both these datasets, the framework is demonstrated for segmentation, registration and reconstruction, including the recovery of patient-specific intensity profile. The presented framework realises a new paradigm in modelling multi-object shape structures, allowing for probabilistic modelling of not only shape, but also relative pose and intensity as well as the correlations that exist between them. Future work will aim to optimise the framework for clinical use in medical image analysis

Utilisation des ontologies dans le contexte de l'Imagerie par Résonance Magnétique

L imagerie médicale et en particulier l Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) occupe une place de choix dans les décisions médicales. Malgré des techniques et des pratiques d examens comparables les industriels du secteur utilisent un vocabulaire différent pour décrire les événements de l expérience IRM. Les ontologies permettent de résoudre cette problématique. En les intégrant dans un système informatique nous avons choisi de proposer des solutions innovantes pour trois situations quotidiennes: l annotation d examen, la reconnaissance et la correction d artéfact et l aide à la prescription d examen. Les connaissances du domaine IRM sont issues de la littérature et de la pratique quotidienne. DICOM, élément incontournable à l échange de données en imagerie médicale, a été le point de départ de l élaboration de l ontologie. Les connaissances sur les artéfacts en IRM sont en partie issues d une collaboration avec l université de Texas A&M Temple. Pour l aide à la prescription d examen nous avons choisi une situation clinique représentative la demande d IRM dans le cadre des traumatismes du genou. Les statistiques proviennent d une étude réalisée dans le service de médecine du sport du CHU de Rennes. Les systèmes élaborés permettent aux utilisateurs d utiliser les ontologies sans y être confronté et permettent l analyse de l entête DICOM d une image, l annotation de l image, la comparaison d une image IRM pour la correction d artéfact et l aide à la prescription d IRM est sous la forme d un serveur web permettant à l utilisateur de connaître en fonction des signes cliniques présents, la probabilité d avoir une lésion lors de la réalisation de l IRM. Nous avons démontré la possibilité d utilisation des ontologies pour améliorer l exercice quotidien des praticiens. Les techniques utilisées montre la possibilité d utiliser les ontologies en les associant aux images et aux probabilités. Le système choisi, interface permettra l évolution vers une technologie de type webservice.Magnetic resonance imaging (MRI) is a key examination in medical decision making. Despite MRI technics are slightly similar, each industrial has developed his own vocabulary to describe the MRI experience. Ontologies have been developed to help in such situations. We have decided to create IT solutions using ontology for three daily radiological situations: exams annotation, MRI artifacts recognition and correction and exam appropriateness. The domain knowledge is extracted from literature and everyday practice. DICOM, as key element for data exchange in radiology, has been used to create the ontology. Concerning MRI artifacts, a part of the knowledge comes from a collaborative work with the university of Texas A&M Temple. Concerning exam appropriateness, we have chosen a representative clinical situation: interest of knee MRI in case of knee trauma. The statistical data are coming from a clinical study done in the CHU of Rennes. Our systems allow users to take benefits of ontology without facing it. They give a DICOM header analysis, proposed an image annotation, compare image to correct MRI artifacts and help physicians to judge MRI appropriateness in case of knee trauma. We have demonstrated that ontologies could be used to improve daily practice in radiology and that ontologies could be associated to image and statistical data. Future of this work could be a system transformation into a web service.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF

Communicating vessels : an ethnography of cross-border reproductive care in Canada

Les services reproductifs transfrontaliers (SRT) réfèrent au déplacement d'une juridiction à une autre, de personnes ou de matériel reproductif dans le cadre d'un projet de procréation assistée (PA). Ce phénomène a été observé dans de nombreux pays, mais le système de PA mondialisé canadien, ou reproscape, demeure sous-étudié. Ce manque de connaissances nuit au développement normatif en matière de PA. En adoptant un cadre conceptuel issu de l'anthropologie médicale, l'objectif général de cette thèse était de décrire et comprendre le reproscape canadien. Pour alimenter la réflexion éthique et juridique et la prestation des services de PA, nous avons réalisé une enquête ethnographique clinique multisite combinant : (1) une revue de la littérature, (2) l'observation participante et non participante de deux cliniques de fertilité (Québec et Ontario), d'une agence d'importation de gamètes et d'une dizaine de congrès scientifiques, ainsi que (3) des entrevues semi-dirigées avec 45 actrices et acteurs des SRT : personnes utilisatrices, personnel médical et intermédiaires. Les données ont fait l'objet d'une analyse qualitative inductive, assistée du logiciel NVivo 11. Trois dimensions émergent de nos résultats. (1) Le Canada se caractérise par une mosaïque de lois et de règlements locaux, fédéraux et provinciaux qui influencent de façon paradoxale les SRT. L'obligation de don altruiste, établie par la Loi sur la procréation assistée (LPA), joue un rôle prédominant sur le reproscape canadien. (2) Au niveau de l'expérience des SRT, la simplicité de certains SRT intégrés à la pratique clinique, comme l'importation de sperme ou d'ovocytes, contraste avec la complexité des voyages vers l'étranger auxquels les personnes utilisatrices se sentent souvent contraintes. (3) Interrogées sur leurs perspectives éthiques, quatre positions principales ressortent des entrevues: (a) le respect de leur autonomie reproductive, (b) les risques individuels et (c) sociaux des SRT, dont celui d'exploitation des gestatrices et des donneuses d'ovules, ainsi que (d) les incohérences de la LPA quant à sa capacité d'atténuer ces risques. En conclusion, le reproscape canadien se caractérise, entre autres, par une situation de " sous-traitance reproductive " : une reconnaissance institutionnelle des SRT, combinée à une délocalisation des risques moraux et médicaux hors des frontières nationales. Les conclusions de notre étude mettent en évidence le caractère inextricable du local et du global en PA et comment le reproscape mondial fonctionne par vases communicants.Abstract : Cross-border reproductive care (CBRC) refers to the movement from one jurisdiction to another of persons or reproductive material as part of assisted reproductive technology (ART) treatment. This phenomenon has been observed in many countries, but the Canadian globalized ART system (or "reproscape") remains understudied empirically. This lack of data undermines the normative development in terms of ART. The aim of this dissertation is to describe and understand the Canadian reproscape in order to support ethical and legal reflection. To achieve this goal, we conducted a multi-site clinical ethnography combining (1) literature reviews, (2) participant and non-participant observation in two fertility clinics (Quebec and Ontario), a gamete importation and distribution agency and a dozen scientific congresses, (3) as well as semi-directed interviews with 45 actors of CBRC: users, medical professionals and intermediaries. The data were analyzed by inductive qualitative analysis assisted by NVivo 11 software. Three dimensions emerge from our results. (1) Regarding the legal and clinical contexts of ART, Canada is characterized by a local mosaic of laws and regulations that paradoxically influence CBRC. The altruistic obligation established by the Assisted Human Reproduction Act (AHRA) plays a predominant role on the reproscape. (2) In terms of the experience of the main actors, the simplicity of CBRC integrated to the clinic, such as the import of semen or oocytes, contrasts with the complexity of journeys abroad for which users often feel constrained. (3) When asked about their ethical perspectives, the actors mentioned four main positions: (a) the respect for their reproductive autonomy, (b) the individual and (c) social risks of CBRC, including the exploitation of egg donors as well as gestational surrogates, and (d) AHRA inconsistencies in its ability to mitigate these risks. Our conclusion is that the Canadian reproscape is characterized, inter alia, by a situation of "reproductive outsourcing." This concept is characterized by an institutional recognition of CBRC combined with a relocation of moral and medical risks outside national borders. The results of our study underline the inextricable local and global nature of ART and how CBRC works as communicating vessels

Computer-Assisted Liver Surgery: from preoperative 3D patient modelling to peroperative guidance

La chirurgie représente le meilleur taux de survie pour les cancers hépatiques. Le traitement d’images médicales peut apporter une importante amélioration dans la prise en charge en guidant le geste chirurgical. Nous présentons ici une nouvelle procédure chirurgicale assistée par ordinateur incluant la modélisation 3D préopératoire du patient, suivie par une planification chirurgicale virtuelle et finalisée par un guidage peropératoire réalisé par réalité augmentée (RA). Les premières évaluations incluant des applications cliniques valident le bénéfice attendu. La prochaine étape consistera à automatiser le système de réalité augmentée peropératoire par le développement d’une salle d’opération hybride.Surgery has the best survival rate in hepatic cancer. However, such interventions cannot be undertaken for all patients as the eligibility rules for liver surgery lack accuracy and may include many exceptions. Medical image processing can lead to a major improvement of patient care by guiding the surgical gesture. We present here a new computer-assisted surgical procedure including preoperative 3D patient modelling, followed by virtual surgical planning and finalized by intraoperative computer guidance through the use of augmented reality. First evaluations including the clinical application validate the awaited benefit. The next step will consist in automating the intraoperative augmented reality system thanks to the development of a Hybrid surgical OP-room

Interface électronique et logicielle pour la surveillance de la respiration en temps réel en utilisant des vêtements intelligents sans fils

Dans ce mémoire, on présente une nouvelle architecture d’un chandail intelligent pour surveiller la respiration en temps réel. Ce vêtement intelligent comporte une architecture qui offre une méthode de détection innovante assurant une suivie de l’activité respiratoire en continue. Tout d’abord le chandail détecte la déformation du haut du thorax pendant la respiration à l’aide d’une antenne intégrée dans le chandail. L’antenne a été conçue dans les laboratoires du centre d’optique, photonique et laser de l’université Laval. Un capteur Bluetooth intégré dans le même chandail détecte par la suite la variation du signal RSSI (indicateur d’intensité du signal reçu) et l’envoie à une unité de traitement et d’analyse de données sans fils (un ordinateur ou une tablette). Une interface d’analyse des données a été crée pour permettre la détermination du rythme respiratoire et le caractériser selon le signal de respiration reçu. En plus, le chandail intelligent est alimenté par une source d’énergie sans fils et hybride fonctionnant avec une batterie rechargeable ou par un lien inductif. Deux versions de chandail ont été testées. La première contient un seul capteur alors que la deuxième possède six capteurs positionnés sur la partie frontal du vêtement. En plus, différents paramètres ont été pris en considération durant les tests citant entre autres la morphologie, l’âge et le sexe des utilisateurs. Des tests ont démontré une détection réussie de plusieurs informations pertinentes comme les cycles de respiration (inspiration, expiration), la fréquence respiratoire et d’autres mesures statistiques pour les diagnostics.In this thesis, we present a new architecture of a smart T-shirt to monitor breathing in real time. This smart garment has an architecture that offers an innovative detection method ensuring continuous monitoring of respiratory activity. First the T-shirt detects deformation of the upper chest during breathing using an antenna built into the T-shirt. The antenna was designed in the laboratories of the optics, photonics and laser center of Laval University. A Bluetooth sensor integrated in the same T-shirt subsequently detects the variation of the RSSI signal (indicator of received signal strength) and sends it to a wireless data processing and analysis unit (a computer or tablet). A data analysis interface has been created to allow determination of the respiratory rate and characterization according to the received breathing signal. In addition, the smart T-shirt is powered by a wireless, hybrid power source powered by a rechargeable battery or by an inductive link. Two versions of the T-shirt were tested. The first contains a single sensor while the second has six sensors positioned on the front of the garment. In addition, different parameters were taken into account during the tests, citing among others the morphology, age and sex of the users. Tests have demonstrated successful detection of several relevant information such as breathing cycles (inspiration, expiration),respiratory rate and other statistical measures for diagnosis

Analyse de l'implémentation d'un service d'impression 3D médicale

Projet dirigé présenté à la Faculté de médecine en vue de l'obtention du grade de Maîtrise en génie biomédicalLe génie biomédical du CHU Ste-Justine utilise l’impression 3D pour économiser pour des composants simples d’appareils biomédicaux. En 2017, un stage avait pour but d’explorer les applications cliniques. L’utilisation d’intérêt ciblée est la planification chirurgicale. Ce rapport présente un aperçu des technologies d’impression 3D, un aperçu des implications de ces technologies, une revue de littérature et un portrait de l’impression 3D médicale dans quelques centres hospitaliers par un balisage. Le déploiement d’un service d’impression 3D soulève plusieurs enjeux légaux, réglementaires et organisationnels. Ceux-ci ont été identifiés et analysés. De plus, ce rapport présente un plan d’affaires préliminaire avec des recommandations pour la mise en place d’un service au court-, moyen- et long-terme.The biomedical engineering department at the CHU Sainte-Justine currently uses 3D printing in order to save on simple parts for biomedical devices by creating in-house alternatives. During the summer of 2017, an intern had the mandate to explore the potential clinical applications of 3D printing at CHU Sainte-Justine. The primary use targeted was surgical planning. This report presents an overview of existing 3D printing technologies, a glimpse of the implications of 3D printing technologies, literary review and a portrait of medical 3D printing in a few hospitals around the world. The implementation of a 3D printing service raises legal, regulatory and organisational concerns. These have been identified and analysed. A preliminary business plan with recommendations for the establishment of a service divided in short, mid and long term

Anesthésie robotique : insertion automatique d'un cathéter veineux guidée par ultrasons

RÉSUMÉ: But: L’automation est un concept qui a révolutionné plusieurs domaines, allant de l’industrie automobile aux télécommunications, en passant par la médecine. Cependant, ce concept est quasi-inexistant en anesthésie. Ce projet vise à développer un système automatique pour une insertion intraveineuse d’un cathéter, et donc à déclencher l’automatisme dans le domaine de l’anesthésie. Méthodologie: Un bras robotique effectue un balayage d’une sonde ultrasonique sur un bras fantôme (contenant une veine artificielle). Cette vidéo est transférée à un ordinateur et des images fixes en sont analysées par des algorithmes Matlab. La veine est détectée et ses coordonnées sont envoyées à un second bras robotique qui positionne une aiguille et un cathéter au-dessus du point d’insertion. Résultats: Deux bras robotiques sont construits: Le premier, guidé par 6 servomoteurs, effectue un balayage d’une sonde ultrasonique sur le site veineux; et le second, guidé par 7 servomoteurs, positionne le cathéter et l’aiguille au point d’insertion, puis y insère l’aiguille en premier et le cathéter en second. L’analyse vidéo et la détection de veine sont faites à travers une interface graphique Matlab, qui utilise la transformée de Hough.----------Abstract: Purpose: Automation is a common concept that revolutionized multiple domains, from automobile industry to telecommunications, passing by medicine. Little automation has been introduced to the anesthesia domain. The purpose of this project is to develop an automated system for intravenous catheter insertion, and thus trigger automation use in the anesthesia domain. Methods: A robotic arm performs ultrasound scans on the venous site (a phantom arm), real-time snapshots are analyzed by Matlab algorithms, the vein is detected, and corresponding coordinates are sent to a second robotic arm that will position the catheter and needle bundle at the correct insertion point. Results: Two robotic arms were built: the first one, guided by 6 servomotors, performs automatic ultrasound scans on the venous site, and the second one, guided by 7 servomotors, positions the catheter and needle at insertion point, then inserts the needle in the vein. Analysis is performed on a Matlab graphical user interface (GUI), using Hough transform