Mon rapport de stage recherche - Sophia Antipolis

Universit´e de Nice Sophia Antipolis
EPU - D´epartement Electronique
INRIA Sophia-Antipolis
Projet de recherche Asclepios
Construction d’un mod`ele anatomique du syst`eme
cardio-vasculaire par segmentation d’IRM
Pr´esent´e par : Romain FERNANDEZ
Encadr´e par : Maxime SERMESANT - Herv´e DELINGETTE
Soutenance du 11 septembre 2006
Stage de Fin d’´etudes : 3eme ann´ee d’EPU - ELEC
men´e `a l’INRIA Sophia Antipolis - Projet de Recherche ASCLEPIOS
2004, route des Lucioles - BP 93. 06902 Sophia Antipolis Cedex France

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Table des mati`eres
1 Introduction 1
2 Pr´esentation du sujet de stage 3
2.1 Pr´esentation de l’´etablissement d’accueil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1 L’INRIA : Institut National de Recherche en Informatique et en Auto-
matique................................... 3
2.1.2 Le projet ASCLEPIOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Contexte du stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.1 Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2.2 Descriptif de la chaˆıne de segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Imagerie cardiaque 9
3.1 Rˆole et anatomie du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.2 Modalit´es d’imagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.1 L’´echocardiographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.2 La scintigraphie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.3 L’angiographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.2.4 Le Scanner X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.2.5 L’IRM : Imagerie par R´esonance Magn´etique . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3 Plans de coupe utilis´es en imagerie du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.4 L’imagerie RM du cœur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.5 Segmentation d’images cardiaque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4 Pr´etraitement des images 17
4.1 Lissage par diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.1 Principe physique de la diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4.1.2 Diffusion non-lin´eaire anisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
4.1.3 Sch´ema de diff´erenciation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
5 Morphologie Math´ematique en Topologie discr`ete 3D 21
5.1 Morphologie math´ematique : rappels et usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1.1 Voisinage d’un voxel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5.1.2 Quelques op´erations simples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
5.1.3 El´ement structurant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
6 Segmentation par maillage 2-simplexe d´eformable 25
6.1 Maillages N-simplexes, 2-simplexes et triangulations . . . . . . . . . . . . . . 25
6.2 Maillages 2-simplexes d´eformables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
6.2.1 Param`etres d’´evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3

6.2.2 Exemple pratique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
7 Segmentation du syst`eme cardio-vasculaire 29
7.1 Diffusion anisotrope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
7.2 Extraction des ventricules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.2.1 Segmentation des cavit´es sanguines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
7.2.2 G´en´eration du mod`ele bi-ellipsoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
7.2.3 Adaptation anatomico-fonctionnelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.2.4 D´eformation des maillages des cavit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
7.3 Segmentation des oreillettes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.4 Maillage du myocarde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
7.4.1 Conjonction et disjonction des cavit´es dilat´ees . . . . . . . . . . . . . . 42
7.5 validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
8 Caract´erisation de crosses aortiques 45
8.1 Objectif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.2 M´ethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
8.3 Th´eorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.4 Impl´ementation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5 Extraction et caract´erisation des crosses aortiques . . . . . . . . . . . . . . . 46
8.5.1 Calcul de la courbure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
8.5.2 Calcul des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8.6 validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
9 Conclusion et perspectives 53
A Implementation 55
4

Chapitre 1
Introduction
Dans le cadre de ma formation de Master 2 IGMMV (Image et G´eom´etrie pour le Mul-
timedia et la Mod´elisation du Vivant), j’ai effectu´e du 13 Mars 2006 au 13 Septembre 2006
mon stage de fin d’´etudes `a l’INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et Au-
tomatique) de Sophia Antipolis au sein de l’´equipe ASCLEPIOS, dans le contexte de l’action
d’envergure nationale CardioSense3D1.
L’OMS chiffre `a environ un tiers des d´ec`es dans le monde ceux caus´es par les maladies
cardio-vasculaires 2. L’enjeu de la recherche sur le cœur est donc tr`es important.
Avant de vous pr´esenter le travail effectu´e au sein de l’´equipe ASCLEPIOS, je tiens `a
remercier Maxime Sermesant et Herv´e Delingette, mes encadrants, pour leur accueil et pour
avoir rendu disponible tous les outils n´ecessaires pour le bon d´eroulement de mon stage. Je
remercie aussi Gr´egoire Malandain pour m’avoir propos´e ce stage, et pour m’avoir soutenu
dans des probl`emes aussi bien informatiques que th´eoriques, et Nicholas Ayache pour m’avoir
accueilli au sein de sa prestigieuse ´equipe.
Merci `a Jean-Marc, Damien, Ouafaa, Ender, Heike, Nicolas, Johan, Pierre, Ender, Jimena,
Olivier, Jean-Christophe, et Isabelle, pour vos qualit´es humaines, aide et gentillesse, qui ont
rendu ce stage plus agr´eable encore.
1Site internet : www.inria.fr/CardioSense3D
2Source : http ://fr.wikipedia.org/wiki/Maladie cardio-vasculaire
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