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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC

THÈSE PRÉSENTÉE À

L"ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

COMME EXIGENCE PARTIELLE

À L"OBTENTION DU

DOCTORAT EN GÉNIE

Ph.D. PAR

Gabriel CHARTRAND

SEGMENTATION 3D DU FOIE

MONTRÉAL, LE 7 FÉVRIER 2017

Gabriel Chartrand, 2017

Cette licence Creative Commons signifie qu"il est permis de diffuser, d"imprimer ou de sauvegarder sur un autre

support une partie ou la totalité de cette oeuvre à condition de mentionner l"auteur, que ces utilisations soient

faites à des fins non commerciales et que le contenu de l"oeuvre n"ait pas été modifié.

PRÉSENTATION DU JURY

CETTE THÈSE A ÉTÉ ÉVALUÉE

PAR UN JURY COMPOSÉ DE:

M. Jacques de Guise, directeur de thèse

Génie de la production automatisée, École de technologie supérieure

M. An Tang, codirecteur

Département de radiologie, radio-oncologie et médecine nucléaire, Université de Montréal

M. Carlos Vázquez, président du jury

Génie de la production automatisée, École de technologie supérieure

M. Frédéric Leblond, examinateur externe

Génie physique, École Polytechnique de Montréal

M. Souheil-Antoine Tahan, membre du jury

Génie mécanique, École de technologie supérieure ELLE A FAIT L"OBJET D"UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC

LE 15 NOVEMBRE 2016

À L"ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE

REMERCIEMENTS

J"aimerais remercier tout d"abord mon superviseur, Prof. Jacques de Guise, pour m"avoir ac-

cueilli au sein de son équipe du Laboratoire de recherche en Imagerie et Orthopédie. Grâce à

son support continu, j"ai eu l"opportunité de travailler sur un projet porteur et passionnant puis

de m"impliquer dans nombres d"études reliées à l"ingénierie biomédicale, enrichissant ainsi ma

formation à plusieurs niveaux.

Je souhaite également remercier le D

r An Tang de m"avoir proposé une thématique de re-

cherche fascinante puis de m"avoir aidé à mieux comprendre la réalité clinique et les défis

auxquels feront face les ingénieurs de demain.

Je tiens à remercier mes collègues de laboratoire, particulièrement Thierry, Ramnada, Steeve

et Akshat, avec qui j"ai eu non seulement de nombreux échanges fructueux, mais avec qui

j"ai passé des moments mémorables à imaginer la prochaine génération d"outils d"imagerie

médicale.

Finalement je souhaite remercier ma famille, particulièrement mon père Marc et ma mère Fran-

cine de m"avoir supporté durant toutes ces années, surtout pendant les moments difficiles. Cette

réussite n"aurait pas été possible sans vous. V

SEGMENTATION 3D DU FOIE

Gabriel CHARTRAND

RÉSUMÉ

Le domaine de l"imagerie médicale a connu ces dernières années des progrès fulgurants no-

tamment grâce au perfectionnement continu des imageurs médicaux et de l"explosion de la puissance de calcul des ordinateurs modernes. Ces développements ont eu une influence ma-

jeure sur plusieurs disciplines de la médecine, entre autres la chirurgie hépatique qui a évolué

en une spécialisation distincte faisant intervenir des équipes multidisciplinaires composées de

chirurgiens hépato-biliaires, hépatologues, oncologues, radiologues et ingénieurs en vision nu-

mérique. La rencontre de ces spécialistes favorise le développement de solutions innovantes qui permettent de réaliser des chirurgies toujours plus ambitieuses en minimisant les risques

opératoires. Ces exploits sont rendus possibles entre autres grâce à de meilleurs outils de vi-

sualisation et de planification préopératoire. En modélisant avec précision les structures ana-

tomiques d"un patient puis en dressant son bilan hépatique, il est possible de pratiquer des simulations chirurgicales et d"évaluer méticuleusement l"issue d"une procédure. Une étape fondamentale dans l"utilisation de ces outils de planification est la modélisation telles que la tomodensitométrie (TDM) et l"imagerie par résonance magnétique (IRM). Cette

des modèles géométriques 3D. Ces modèles sont essentiels pour évaluer nombre de paramètres

cliniques pertinents comme le volume de l"organe ou encore la proximité entre une lésion et les zones vasculaires sensibles de l"organe.

Les travaux rapportés dans cette thèse portent sur ce sujet, qui même après plusieurs années de

recherche demeure une problématique ouverte. Un premier volet propose un outil de segmen-

tation interactif et présente les possibilités qu"il offre en terme de modélisation interactive de

divers structures anatomiques. Dans un deuxième temps, un outil dédié à la modélisation du

parenchyme hépatique est décrit et évalué pour la segmentation d"images TDM et IRM. Fina-

lement, un outil de modélisation des arbres vasculaires est présenté, permettant de définir les

zones de perfusion et de drainage du foie. Une attention particulière est portée à l"application

des méthodes proposées aux examens IRM, à l"efficience et au potentiel d"adoption clinique.

Keywords:Segmentation, Foie, TDM, IRM

3D SEGMENTATION OF THE LIVER

Gabriel CHARTRAND

ABSTRACT

The field of medical image processing has made tremendous progress in the past few years thanks to the continuous improvement of imaging technologies as well as the computing po- wer nowadays available on modern computers. These developments benefited various fields of medicine, notably liver surgery, which evolved into a distinct specialty involving multidiscipli- nary teams composed of hepato-biliary surgeons, oncologists, interventional radiologists and computer vision engineers. Collaboration between these specialists enables the development of innovating solutions which allow surgeons to perform ambitious surgeries while minimizing surgical risks. These procedures can be achieved in particular thanks to better visualization and surgery planning tools. By precisely modeling the anatomy of a patient and analyzing its hepatic profile, it possible to virtually simulate surgical procedures and evaluate their outcome. A fundamental step in using these virtual surgery planning tools is the precise modeling of the anatomical structures of the liver from radiological images such as CT-Scans and magnetic resonance images (MRI). This step, known as 3D segmentation, consists of delimiting the boundary of organs in medical images in order to produce an accurate 3D representation. These

3D models are essential to evaluate relevant clinical parameters required for surgical planning,

such as the volume of the liver or the proximity of malignant lesions to sensible vascular structures of the organ. The work reported in this thesis deal with the topic of liver segmentation, which even after many years of research remains an open problem. A first part proposes a generic interactive segmentation tool and presents its application to various 2D segmentation tasks. The second part proposes a whole liver segmentation tool which is thoroughly evaluated on CT-Scan and MRI. Finally, a hepatic vascular modeling methodology is presented, allowing to delimit the is given to MRI, to efficiency of the proposed tools and to the clinical adoption potential.

Keywords:Segmentation, Liver, CT-Scan, MRI

TABLE DES MATIÈRES

Page CHAPITRE 1 INTRODUCTION............................................................ 1

1.1 Génie biomédical......................................................................... 1

1.2 Imagerie médicale........................................................................ 1

1.3 Planification de chirurgie hépatique..................................................... 3

1.4 Structure et Objectifs..................................................................... 6

CHAPITRE 2 NOTIONS FONDAMENTALES............................................. 9

2.1 Anatomie................................................................................. 9

2.2 Fonction.................................................................................13

2.3 Pathologies..............................................................................14

2.4 Traitements..............................................................................16

2.5 Besoins cliniques........................................................................19

2.5.1 Diagnostic et stade............................................................20

2.5.2 Fonction hépatique............................................................22

2.5.3 Planification chirurgicale virtuelle...........................................23

CHAPITRE 3 REVUE DE LITTÉRATURE ................................................25

3.1 Segmentation par niveau de gris ........................................................25

3.1.1 Seuils et morphologie mathématique ........................................25

3.1.1.1 Segmentation du foie.............................................26

3.1.1.2 Segmentation vasculaire..........................................28

3.1.2 Croissance de régions .........................................................29

3.1.2.1 Segmentation interactive..........................................30

3.1.2.2 Segmentation du foie.............................................30

3.1.2.3 Segmentation vasculaire..........................................31

3.1.3 Transformée Watershed.......................................................33

3.1.3.1 Segmentation interactive..........................................33

3.1.3.2 Segmentation du foie.............................................34

3.1.4 Texture et apprentissage......................................................35

3.1.4.1 Segmentation du foie.............................................36

3.2 Segmentation par modèles..............................................................37

3.2.1 Contrainte de forme locale...................................................37

3.2.1.1 Segmentation interactive..........................................40

3.2.1.2 Segmentation du foie.............................................41

3.2.1.3 Segmentation vasculaire..........................................42

3.2.2 Contrainte de forme globale..................................................45

3.3 La segmentation par graphe............................................................47

3.3.1 Chemin minimal..............................................................48

3.3.1.1 Segmentation interactive..........................................48

3.3.1.2 Segmentation vasculaire..........................................50

XI XII

3.3.2 Graph-cut......................................................................51

3.3.2.1 Segmentation interactive..........................................53

3.3.2.2 Segmentation du foie.............................................54

3.3.2.3 Segmentation vasculaire..........................................55

3.4 La validation.............................................................................57

CHAPITRE 4 HYPOTHÈSES ET OBJECTIFS............................................61 CHAPITRE 5 SEGMENTATION INTERACTIVE ........................................65

5.1 Introduction..............................................................................65

5.2 Méthodologie ............................................................................67

5.2.1 Génération de la forme initiale ...............................................67

5.2.1.1 Outil à main levée .................................................68

5.2.1.2 Outil spline ........................................................69

5.2.1.3 Outils alternatifs...................................................70

5.2.2 Changement d"espace .........................................................71

5.2.3 Segmentation par chemin minimum.........................................72

5.2.4 Outils de correction...........................................................76

5.3 Résultats.................................................................................77

5.3.1 Segmentation du foie .........................................................77

5.3.2 Propagation 3D................................................................78

5.4 Discussion...............................................................................79

CHAPITRE 6 SEGMENTATION PAR MODÈLES DÉFORMABLES ...................85

6.1 Introduction..............................................................................85

6.2 Méthodologie ............................................................................86

6.2.1 Initialisation ...................................................................86

6.2.2 Optimisation laplacienne.....................................................91

6.2.2.1 Appariement.......................................................92

6.2.2.2 Optimisation laplacienne de maillage surfacique................93

6.2.3 Correction surfacique .........................................................97

6.3 Résultats.................................................................................98

6.4 Discussion..............................................................................101

6.4.1 Limites de l"étude de validation.............................................108

6.5 Conclusion..............................................................................108

CHAPITRE 7 SEGMENTATION VASCULAIRE........................................109

7.1 Introduction.............................................................................109

7.2 Méthodologie ...........................................................................111

7.2.1 Filtre de rehaussement vasculaire...........................................113

7.2.2 Extraction des lignes centrales ..............................................117

7.2.3 Algorithme de reconnexion..................................................118

7.2.3.1 Création du graphe ...............................................120

7.2.3.2 Résolution de l"arbre de chemins minimums ...................123

XIII

7.2.4 Segmentation surfacique.....................................................128

7.2.5 Subsegmentation du parenchyme...........................................131

7.3 Résultats................................................................................133

7.3.1 TDM ..........................................................................134

7.3.2 IRM ...........................................................................135

7.4 Discussion..............................................................................138

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