3D reconstruction of coronary arteries from angiographic sequences for interventional assistance

Introduction -- Review of literature -- Research hypothesis and objectives -- Methodology -- Results and discussion -- Conclusion and future perspectives

Coronary Artery Segmentation and Motion Modelling

Conventional coronary artery bypass surgery requires invasive sternotomy and the use of a cardiopulmonary bypass, which leads to long recovery period and has high infectious potential. Totally endoscopic coronary artery bypass (TECAB) surgery based on image guided robotic surgical approaches have been developed to allow the clinicians to conduct the bypass surgery off-pump with only three pin holes incisions in the chest cavity, through which two robotic arms and one stereo endoscopic camera are inserted. However, the restricted field of view of the stereo endoscopic images leads to possible vessel misidentification and coronary artery mis-localization. This results in 20-30% conversion rates from TECAB surgery to the conventional approach. We have constructed patient-specific 3D + time coronary artery and left ventricle motion models from preoperative 4D Computed Tomography Angiography (CTA) scans. Through temporally and spatially aligning this model with the intraoperative endoscopic views of the patient's beating heart, this work assists the surgeon to identify and locate the correct coronaries during the TECAB precedures. Thus this work has the prospect of reducing the conversion rate from TECAB to conventional coronary bypass procedures. This thesis mainly focus on designing segmentation and motion tracking methods of the coronary arteries in order to build pre-operative patient-specific motion models. Various vessel centreline extraction and lumen segmentation algorithms are presented, including intensity based approaches, geometric model matching method and morphology-based method. A probabilistic atlas of the coronary arteries is formed from a group of subjects to facilitate the vascular segmentation and registration procedures. Non-rigid registration framework based on a free-form deformation model and multi-level multi-channel large deformation diffeomorphic metric mapping are proposed to track the coronary motion. The methods are applied to 4D CTA images acquired from various groups of patients and quantitatively evaluated

Object Tracking

Object tracking consists in estimation of trajectory of moving objects in the sequence of images. Automation of the computer object tracking is a difficult task. Dynamics of multiple parameters changes representing features and motion of the objects, and temporary partial or full occlusion of the tracked objects have to be considered. This monograph presents the development of object tracking algorithms, methods and systems. Both, state of the art of object tracking methods and also the new trends in research are described in this book. Fourteen chapters are split into two sections. Section 1 presents new theoretical ideas whereas Section 2 presents real-life applications. Despite the variety of topics contained in this monograph it constitutes a consisted knowledge in the field of computer object tracking. The intention of editor was to follow up the very quick progress in the developing of methods as well as extension of the application

Detecção e agrupamento de contornos

A detecção de contornos a partir de imagens digitais é um procedimento do qual resulta informação essencial para muitos algoritmos de visão por computador. A natureza das imagens digitais bidimensionais: a sua relativamente baixa resolução; a amostragem espacial e em amplitude; a presença de ruído; a falta de informação em profundidade; as oclusões, etc., e a importância dos contornos como informação básica para muitos outros algoritmos a montante, fazem com que a detecção de contornos seja um problema apenas parcialmente resolvido, com múltiplas abordagens e dando origem desde há algumas décadas a larga quantidade de publicações. Continua a ser um tema actual de investigação como se comprova pela quantidade e qualidade das publicações científicas mais actuais nesta área. A tese discute a detecção de contornos nas suas fases clássicas: a estimação da amplitude do sinal que aponta a presença de um ponto de contorno; a pré-classificação dos pontos da imagem com base nos sinais estimados e o posterior agrupamento dos pontos de contorno individuais em segmentos de curvas de contorno. Propõe-se, nesta tese: um método de projecto de estimadores de presença de pontos de contorno baseado na utilização de equações integrais de Fredholm; um classificador não-linear que utiliza informação de pontos vizinhos para a tomada de decisão, e uma metodologia de agrupamento de pontos de contorno com crescimento iterativo com uma função de custo com suporte local. A metodologia de extracção das propriedades baseada na equação integral de Fredholm de primeira ordem permite uma análise unificadora de vários métodos previamente propostos na literatura sobre o assunto. O procedimento de classificação dos pontos de contorno baseia-se na análise das sequências ordenadas das amplitudes do gradiente na vizinhança do ponto de contorno. O procedimento é estudado com base nas funções densidade de distribuição das estatísticas ordenadas dos pontos de contorno vizinhos e na assunção de que os pontos de um mesmo contorno possuem distribuições ordenadas similares. A fase final da detecção de contornos é realizada com um procedimento de agrupamento de contornos em que se constrói uma hipótese de vizinhança para eventual crescimento do contorno e em que se estima o melhor ponto para agregação ao contorno. Os resultados experimentais para os métodos propostos são apresentados e analisados com imagens reais e sintéticas