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Segmentation d'images IRM anatomiques et ... - Uuu.enseirb.fr

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Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

<strong>Segmentation</strong> d’images <strong>IRM</strong> <strong>anatomiques</strong> <strong>et</strong><br />

détection de lésions par inférence bayésienne<br />

multimodale<br />

Stéphanie Bricq 1,2 , Christophe Coll<strong>et</strong> 1 , Jean-Paul Armspach 2<br />

Laboratoires :<br />

[1] LSIIT Laboratoire des Sciences de l’Image, de l’Informatique <strong>et</strong> de la Télédétection<br />

[2] LINC Laboratoire d’Imagerie <strong>et</strong> de Neurosciences Cognitives<br />

4 mars 2009<br />

1


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Introduction<br />

Contexte<br />

<strong>IRM</strong> cérébrales 3D multimodales<br />

Données pathologiques ou non<br />

Nombre important de données<br />

<strong>Segmentation</strong> manuelle coûteuse en temps<br />

variabilité intra- <strong>et</strong> inter-expert<br />

2


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Introduction<br />

Contexte<br />

Objectifs<br />

<strong>IRM</strong> cérébrales 3D multimodales<br />

Données pathologiques ou non<br />

Nombre important de données<br />

<strong>Segmentation</strong> manuelle coûteuse en temps<br />

variabilité intra- <strong>et</strong> inter-expert<br />

Développement de méthodes automatiques<br />

<strong>Segmentation</strong> des tissus cérébraux (MB, MG, LCR)<br />

Détection de lésions SEP : information sur la localisation<br />

<strong>et</strong> le volume des lésions<br />

2


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Contributions<br />

Modélisation HMC<br />

multimodalité<br />

principaux artefacts : biais, PV, . . .<br />

atlas probabiliste<br />

Lésions SEP détectées comme des outliers par rapport à un<br />

modèle statistique d’images cérébrales non pathologiques<br />

Modélisation par CAS 3D ⇒ information + précise sur la forme<br />

des lésions<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

3


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Contributions<br />

Modélisation HMC<br />

multimodalité<br />

principaux artefacts : biais, PV, . . .<br />

atlas probabiliste<br />

Lésions SEP détectées comme des outliers par rapport à un<br />

modèle statistique d’images cérébrales non pathologiques<br />

Modélisation par CAS 3D ⇒ information + précise sur la forme<br />

des lésions<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

<br />

3


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Plan<br />

1 <strong>Segmentation</strong> en tissus<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

2 Détection de lésions SEP<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

3 Contours actifs statistiques 3D<br />

Motivations<br />

Modélisation<br />

Résultats<br />

4 Conclusion <strong>et</strong> Perspectives<br />

4


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Plan<br />

1 <strong>Segmentation</strong> en tissus<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

2 Détection de lésions SEP<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

3 Contours actifs statistiques 3D<br />

Motivations<br />

Modélisation<br />

Résultats<br />

4 Conclusion <strong>et</strong> Perspectives<br />

4


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

1 <strong>Segmentation</strong> en tissus<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

2 Détection de lésions SEP<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

3 Contours actifs statistiques 3D<br />

Motivations<br />

Modélisation<br />

Résultats<br />

4 Conclusion <strong>et</strong> Perspectives<br />

6


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Modélisation HMC<br />

HMC vs. MRF<br />

coûts calculatoires plus faibles<br />

information partielle sur le voisinage<br />

meilleure segmentation des structures fines<br />

vectorisation de l’image : parcours d’Hilbert-Peano 3D<br />

7


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Modélisation HMC<br />

HMC vs. MRF<br />

coûts calculatoires plus faibles<br />

information partielle sur le voisinage<br />

meilleure segmentation des structures fines<br />

vectorisation de l’image : parcours d’Hilbert-Peano 3D<br />

HMC<br />

Observations multimodales : T1/T2/Flair<br />

modélisation gaussienne<br />

y n<br />

y n+1<br />

y n−1<br />

7<br />

ˆx n = arg max ωk ∈Ω P(X n = ω k |Y = y)<br />

x<br />

n−1<br />

x<br />

n<br />

x<br />

n+1


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Atlas probabiliste<br />

Atlas<br />

Atlas B provient de 31 cerveaux non pathologiques<br />

recalés[Nobl<strong>et</strong> 05], segmentés puis moyennés<br />

information a priori sur la localisation de MB, MG, <strong>et</strong> LCR<br />

8


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Atlas probabiliste<br />

Atlas<br />

Atlas B provient de 31 cerveaux non pathologiques<br />

recalés[Nobl<strong>et</strong> 05], segmentés puis moyennés<br />

information a priori sur la localisation de MB, MG, <strong>et</strong> LCR<br />

Modélisation<br />

ˆx n = arg max ωk ∈Ω P(X n = ω k |Y, B)<br />

Y n-1 Yn Yn+1<br />

X n-1 X X<br />

n n+1<br />

B n-1 B n B n+1<br />

Graphe de dépendance d’une chaîne de Markov cachée avec l’information donnée par l’atlas<br />

8


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Hétérogénéités d’intensité<br />

(a) (b) (c)<br />

Illustration de l’artefact d’inhomogénéité. (a) correspond à l’image affectée par une hétérogénéité RF. (b) correspond<br />

à l’artefact isolé <strong>et</strong> (c) à l’image corrigée.<br />

Modélisation<br />

biais multiplicatif ⇒ transformation logarithmique des intensités :<br />

Z n = log Y n<br />

p(z n |x n = ω i ) = 1<br />

σ i<br />

√<br />

2π<br />

exp (zn−µ i − ∑ k c kφ k (x n)) 2<br />

2σ 2 i<br />

9


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Eff<strong>et</strong>s de volume partiel<br />

Tissu 1<br />

Frontière réelle entre<br />

les tissus 1 <strong>et</strong> 2<br />

1<br />

Y n<br />

Yn−1<br />

Yn<br />

Y n+1<br />

.<br />

Y n<br />

L<br />

Tissu 2<br />

Voxels avec eff<strong>et</strong>s de volume partiel<br />

1<br />

A n−1<br />

A a n<br />

A<br />

. n n+1<br />

a K−1<br />

n<br />

(a)<br />

(a) Eff<strong>et</strong> de volume partiel d’après [Jaggi 98]. (b) Chaîne de Markov Cachée multimodale avec prise en compte de<br />

l’eff<strong>et</strong> de volume partiel.<br />

(b)<br />

Modélisation<br />

Estimation de la proportion de chaque tissu en chaque voxel<br />

y = ∑ K<br />

i=1 ai y p<br />

i<br />

10


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Algorithme<br />

1 Recalage non-rigide des images avec l’atlas [Nobl<strong>et</strong> 05]<br />

2 Extraction du cerveau : BET [Smith 02]<br />

3 Vectorisation de l’image : parcours d’Hilbert-Peano 3D<br />

4 Initialisation des paramètres par les K-Moyennes<br />

5 Algorithme HMC avec correction du biais, avec atlas.<br />

6 Algorithme HMC avec estimation de l’eff<strong>et</strong> de volume partiel<br />

sans atlas <strong>et</strong> en gardant les paramètres du biais fixés<br />

7 <strong>Segmentation</strong> MPM<br />

8 Transformation d’Hilbert-Peano inverse ⇒ image segmentée<br />

Donn es segmenter<br />

Recalage de Donn es normalis es Extraction<br />

l atlas<br />

du cerveau<br />

Cerveau<br />

K-Moyennes<br />

K cartes contenant la proportion<br />

de chaque tissu pur en chaque voxel<br />

<strong>Segmentation</strong><br />

avec eff<strong>et</strong>s de<br />

volume partiel<br />

Images sans biais<br />

µ <strong>et</strong> σ<br />

pour les classes pures<br />

HMC<br />

avec correction<br />

du biais<br />

µ <strong>et</strong> σ<br />

pour les classes pures<br />

11


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Validation<br />

Comparaison avec des méthodes existantes<br />

SPM5 [Ashburner 05] :<br />

modélisation d’un mélange de gaussiennes<br />

classification des tissus, correction du biais<br />

recalage des images avec les cartes de probabilités<br />

EMS [Van Leemput 99] :<br />

correction du biais<br />

la classification des tissus dans un modèle MRF<br />

12


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Validation<br />

Comparaison avec des méthodes existantes<br />

SPM5 [Ashburner 05] :<br />

modélisation d’un mélange de gaussiennes<br />

classification des tissus, correction du biais<br />

recalage des images avec les cartes de probabilités<br />

EMS [Van Leemput 99] :<br />

correction du biais<br />

la classification des tissus dans un modèle MRF<br />

Données<br />

Base Brainweb : images synthétiques<br />

différentes modalités : T1/T2/DP<br />

différents niveaux de bruit <strong>et</strong> d’inhomogénéité<br />

vérité terrain : "dure" classes MB/MG/LCR + "floue"<br />

proportions MB/MG/LCR<br />

12


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Validation<br />

Comparaison avec des méthodes existantes<br />

SPM5 [Ashburner 05] :<br />

modélisation d’un mélange de gaussiennes<br />

classification des tissus, correction du biais<br />

recalage des images avec les cartes de probabilités<br />

EMS [Van Leemput 99] :<br />

correction du biais<br />

la classification des tissus dans un modèle MRF<br />

Données<br />

Base Brainweb : images synthétiques<br />

Base IBSR : 18 images réelles<br />

modalité T1<br />

segmentations manuelles MB/MG/LCR interne<br />

12


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Base Brainweb<br />

Index Kappa (MB)<br />

98<br />

96<br />

94<br />

92<br />

90<br />

88<br />

86<br />

84<br />

82<br />

0 1 3 5 7 9<br />

Niveau de bruit (%)<br />

SPM5<br />

EMS<br />

HMC<br />

Index Kappa (MG)<br />

98<br />

96<br />

94<br />

92<br />

90<br />

88<br />

86<br />

84<br />

82<br />

0 1 3 5 7 9<br />

Niveau de bruit (%)<br />

SPM5<br />

EMS<br />

HMC<br />

(a)<br />

Résultats obtenus sur la base Brainweb pour 20% d’inhomogénéité : (a) MB, (b) MG.<br />

(b)<br />

13


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Base IBSR<br />

Index Kappa (MB)<br />

100<br />

98<br />

96<br />

94<br />

92<br />

SPM5<br />

EMS<br />

HMC<br />

90<br />

88<br />

86<br />

84<br />

82<br />

80<br />

78<br />

76<br />

74<br />

72<br />

70<br />

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />

IBSR Datas<strong>et</strong> #<br />

Index Kappa (MG)<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

SPM5<br />

EMS<br />

HMC<br />

2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />

IBSR Datas<strong>et</strong> #<br />

(a)<br />

Résultats obtenus sur la base IBSR : (a) MB, (b) MG.<br />

(b)<br />

14


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Base IBSR<br />

Index Kappa (MB)<br />

100<br />

98<br />

96<br />

94<br />

92<br />

SPM5<br />

EMS<br />

HMC<br />

90<br />

88<br />

86<br />

84<br />

82<br />

80<br />

78<br />

76<br />

74<br />

72<br />

70<br />

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />

IBSR Datas<strong>et</strong> #<br />

Index Kappa (MG)<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

SPM5<br />

EMS<br />

HMC<br />

2 4 6 8 10 12 14 16 18<br />

IBSR Datas<strong>et</strong> #<br />

(a)<br />

Résultats obtenus sur la base IBSR : (a) MB, (b) MG.<br />

(b)<br />

14


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

1 <strong>Segmentation</strong> en tissus<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

2 Détection de lésions SEP<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

3 Contours actifs statistiques 3D<br />

Motivations<br />

Modélisation<br />

Résultats<br />

4 Conclusion <strong>et</strong> Perspectives<br />

16


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Modélisation<br />

Données multimodales : T1, T2, Flair<br />

Information sur le voisinage : modèle HMC<br />

Information apportée par l’atlas<br />

Estimation robuste des paramètres pour détecter les<br />

outliers<br />

Post-traitement pour garder seulement les lésions SEP<br />

17


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Estimateur de vraisemblance tamisée (TLE)<br />

TLE<br />

introduit in [Neykov 90]<br />

développé pour l’estimation robuste de mélanges de lois<br />

normales multivariées <strong>et</strong> de modèles linéaires généralisés<br />

[Vandev 93]<br />

recherche des h observations parmi un échantillon de taille n<br />

pour lesquelles la vraisemblance est maximale.<br />

utilisé pour la segmentation robuste d’<strong>IRM</strong> cérébrales<br />

par [Aït-ali 05]<br />

Définition : TLE<br />

ˆθ TLE = arg θ∈Θ max<br />

h∏<br />

f(y ν(i) , θ) (1)<br />

i=1<br />

18


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Détection des outliers<br />

Estimation robuste des paramètres HMC en utilisant le TLE<br />

1 Calcul de ˆθ (p−1) basé sur l’algorithme EM, à partir des données<br />

complètes ;<br />

2 Tri des résidus r n = − log P(Y n = y n , B n , ˆθ (p−1) ) pour<br />

n = 1, . . . , N avec :<br />

P(Y n = y n , B n , ˆθ (p−1) ) = ∑ ω k<br />

P(X n = ω k )b n (k)f k (y n ; ˆθ (p−1) )<br />

3 Définition H (p) = {y ν(1) , ..., y ν(h) } sous-ensemble contenant les h<br />

vecteurs ayant les résidus les plus faibles pour ˆθ (p−1) ;<br />

4 Calcul de ˆθ (p) en utilisant l’EM, basé sur H (p)<br />

5 R<strong>et</strong>our à l’étape 2 jusqu’à convergence de H (p) .<br />

19


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Post-Traitements<br />

les outliers pour lesquels la probabilité de MB donnée par l’atlas<br />

est supérieure à 0.5 sont gardés<br />

Exclusion des lésions de faible volume (3mm 3 )<br />

20


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation proposée<br />

Algorithme<br />

1 Recalage non-rigide des images avec l’atlas [Nobl<strong>et</strong> 05]<br />

2 Extraction du cerveau (BET [Smith 02])<br />

3 Vectorisation de l’image : parcours d’Hilbert-Peano 3D<br />

4 Initialisation par les KMeans<br />

5 Algorithme HMC robuste<br />

6 <strong>Segmentation</strong> basée MPM<br />

7 Parcours d’Hilbert-Peano inverse pour obtenir l’image<br />

segmentée<br />

8 Post-traitement<br />

1 outliers situés dans la MB<br />

2 volume minimal<br />

21


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Base Strasbourg<br />

Données<br />

8 cas, modalités T1/Flair<br />

segmentation manuelle de chaque cas par 2 experts<br />

Outils de validation<br />

Taux de vrais positifs TPF<br />

Taux de faux positifs FPF<br />

Index Kappa<br />

KI = 2 SEG ⋂ GT<br />

SEG + GT<br />

où GT correspond à la vérité terrain <strong>et</strong> SEG à la segmentation<br />

obtenue<br />

(2)<br />

22


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Base Strasbourg<br />

TPF<br />

1,0<br />

0,9<br />

0,8<br />

0,7<br />

0,6<br />

0,5<br />

0,4<br />

0,3<br />

0,2<br />

0,1<br />

0,0<br />

Expert 2 / Expert 1<br />

HMC / Expert 1<br />

HMC / Expert 2<br />

1 2 3 4 5 6 7 8<br />

Cas de la base Quick_Strasbourg<br />

FPF<br />

1,0<br />

0,9<br />

0,8<br />

0,7<br />

0,6<br />

0,5<br />

0,4<br />

0,3<br />

0,2<br />

0,1<br />

0,0<br />

Expert 2 / Expert 1<br />

HMC / Expert 1<br />

HMC / Expert 2<br />

1 2 3 4 5 6 7 8<br />

Cas de la base Quick_Strasbourg<br />

(a)<br />

Résultats obtenus sur la base de Strasbourg : (a) TPF, (b) FPF.<br />

(b)<br />

23


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

(a)<br />

(b)<br />

(c) (d) (e)<br />

Exemple de résultats obtenus sur le cas 06 de la base de Strasbourg. (a) <strong>et</strong> (b) correspondent respectivement aux<br />

images Flair <strong>et</strong> T1. (c), (d) <strong>et</strong> (e) correspondent respectivement aux segmentations obtenues par l’expert 1, l’expert<br />

2 <strong>et</strong> la méthode proposée.<br />

24


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Résultats<br />

(a) (b) (c)<br />

Représentation 3D des résultats obtenus sur le cas 06 de la base de Strasbourg. (a), (b) <strong>et</strong> (c) correspondent<br />

respectivement aux segmentations obtenues par l’expert 1, l’expert 2 <strong>et</strong> la méthode proposée.<br />

25


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

Résultats<br />

(a) (b) (c)<br />

Représentation 3D des résultats obtenus sur le cas 06 de la base de Strasbourg. (a), (b) <strong>et</strong> (c) correspondent<br />

respectivement aux segmentations obtenues par l’expert 1, l’expert 2 <strong>et</strong> la méthode proposée.<br />

25


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

1 <strong>Segmentation</strong> en tissus<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

2 Détection de lésions SEP<br />

Modélisation proposée<br />

Résultats<br />

3 Contours actifs statistiques 3D<br />

Motivations<br />

Modélisation<br />

Résultats<br />

4 Conclusion <strong>et</strong> Perspectives<br />

27


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Motivations<br />

Objectifs<br />

Méthode<br />

<strong>Segmentation</strong> + précise des lésions<br />

Information sur le volume<br />

<strong>Segmentation</strong> 3D basée sur le principe de Minimisation de<br />

la Complexité Stochastique<br />

Extension au cas 3D des CAS développés par l’équipe de<br />

Ré<strong>fr</strong>égier<br />

28


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation<br />

Minimisation de la complexité stochastique<br />

estimation de la forme ω de la cible dans la scène<br />

approximation de la longueur minimale de code ∆<br />

nécessaire pour décrire l’image :<br />

∆(s,ω,θ)<br />

→ Vecteur paramètre des différentes régions<br />

image = fond, cible <strong>et</strong> contour<br />

∆(s,ω,θ) = ∆ a + ∆<br />

} {{ b + ∆<br />

} ω k<br />

}{{}<br />

→ partition<br />

→ image<br />

→ Maillage surfacique composé de k triangles<br />

→ niveaux de gris du fond <strong>et</strong> de la cible<br />

29


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation<br />

Modélisation de l’image<br />

Approximation de ∆ a ou ∆ b<br />

Shannon<br />

∆ a + ∆ b = 1 2 N a log ˆσ 2 a + 1 2 N b log ˆσ 2 b + K<br />

Approximation de ∆ ω k<br />

k triangles<br />

N voxels<br />

p segments<br />

∆ ω k = k log N+(3/2)∗log p+p(3+log(2 ˆm x )+log(2 ˆm y )+log(2 ˆm z ))<br />

But : trouver la partition ω MCS minimisant ∆<br />

ω MCS = arg min ∆(ω)<br />

ω<br />

30


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Modélisation<br />

Algorithme<br />

Stratégie multi-résolution<br />

1 Initialisation du contour<br />

2 Tant que la distance entre 2 nœuds d > d min , Faire<br />

Subdivision de triangles<br />

Déplacements de nœuds<br />

⇒ maillage avec un nombre sur-estimé de triangles k 0<br />

3 Tant que la CS diminue, Faire<br />

Suppression d’arêtes<br />

Déplacements de nœuds<br />

31


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Résultats<br />

32


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Conclusion<br />

<strong>Segmentation</strong> des tissus cérébraux (MB, MG, LCR) par une<br />

modélisation HMC prenant en compte<br />

la multimodalité<br />

les principaux artefacts : biais, PV<br />

l’information apportée par un atlas probabiliste<br />

Medical Image Analysis 2008, ISBI’06, ORASIS’07<br />

Lésions SEP détectées comme des outliers par rapport à un<br />

modèle statistique d’images cérébrales non pathologiques<br />

ICASSP’08, ISBI’08, ICIP’08, Challenge MICCAI 08<br />

Modélisation par CAS 3D ⇒ information + précise sur la forme<br />

des lésions<br />

33


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Perspectives<br />

tests sur différentes bases d’images<br />

2 bases d’images : 50 patients atteints de SEP, différentes<br />

modalités à 2 instants<br />

segmentation manuelle des médecins en cours<br />

autres modélisations du bruit<br />

initialisation des CAS à partir du résultat de la phase de<br />

détection des lésions<br />

extensions<br />

données multimodales<br />

cas multi-région<br />

3D + t<br />

34


Introduction <strong>Segmentation</strong> en tissus Détection de lésions SEP CAS 3D Conclusion<br />

Merci pour votre attention !<br />

35


Publications<br />

- Chapitres de livres<br />

[B1] Ch. Coll<strong>et</strong>, A. Jalobeanu, S. Bricq, F. Flitti, “Fusion <strong>et</strong> imagerie multimodale”, Chapitre 14 du livre<br />

“Problèmes Inverses en Imagerie <strong>et</strong> en Vision”, ouvrage collectif coordonné par Ali Mohammad-Djafari,<br />

Editor, Ed Hermes, Traité IC2, A paraître.<br />

- Revues internationales<br />

[R1] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “Unifying <strong>fr</strong>amework for Multimodal Brain MRI <strong>Segmentation</strong><br />

based on Hidden Markov Chains”, Medical Image Analysis, Ed. Elsevier, vol. 12(6), pp. 639–652, Déc 2008.<br />

- Conférences internationales avec actes <strong>et</strong> comité de sélection<br />

[C1] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “Tripl<strong>et</strong> Markov Chain for 3D MRI Brain <strong>Segmentation</strong> Using a<br />

Probabilistic Atlas”, IEEE 2006 International Symposium on Biomedical Imaging, April 6-9, ISBI’06, 2006.<br />

[C2] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “3D brain MRI segmentation based on robust Hidden Markov<br />

Chain”, IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, ICASSP’08, March 30<br />

- April 4, 2008, Las Vegas, Nevada, USA.<br />

[C3] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “Lesions d<strong>et</strong>ection on 3D brain MRI based on Robust Hidden<br />

Markov Chain”, ISMRM 2008 Annual Me<strong>et</strong>ing, Toronto, Canada.<br />

[C4] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “Lesions d<strong>et</strong>ection on 3D brain MRI using trimmed likelihood<br />

estimator and probabilistic atlas”, IEEE 2008 International Symposium on Biomedical Imaging, ISBI’08,<br />

Paris, France.<br />

[C5] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “Markovian <strong>Segmentation</strong> of 3D Brain MRI to d<strong>et</strong>ect Multiple<br />

Sclerosis Lesions”, IEEE 2008 International Conference on Image Processing, ICIP’08, October 12–15,<br />

2008, San Diego, California, U.S.A.<br />

- Conférences nationales avec actes <strong>et</strong> comité de sélection<br />

[C6] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “<strong>Segmentation</strong> multimodale d’<strong>IRM</strong> cérébrales avec eff<strong>et</strong> de<br />

volume partiel par Chaînes de Markov Cachées”, Onzième congrès <strong>fr</strong>ancophone des jeunes chercheurs en<br />

vision par ordinateur, Obernai, ORASIS’O7, France, 4-8 juin 2007.<br />

[C7] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “<strong>Segmentation</strong> de lésions de Sclérose en Plaques en <strong>IRM</strong><br />

cérébrale multimodale par Chaînes de Markov Cachées”, GRAMM, Lyon, 26-28 Mars 2008.<br />

- Autres communications<br />

[C8] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “<strong>Segmentation</strong> d’<strong>IRM</strong> <strong>anatomiques</strong> multimodales couplant<br />

inférence markovienne <strong>et</strong> atlas probabiliste”, journée du GDR–ISIS, Paris, 23 novembre 2006.<br />

[C9] S. Bricq, Ch. Coll<strong>et</strong>, J.-P. Armspach, “MS Lesion <strong>Segmentation</strong> based on Hidden Markov Chains”,<br />

MICCAI 2008 Workshop Proceedings : 3D <strong>Segmentation</strong> in the Clinic - A Grand Challenge. , New-York, 6<br />

septembre 2008.


Annexe<br />

Comparaison des méthodes de segmentation<br />

Seuil de détection<br />

Résultats du challenge MICCAI’08<br />

Références<br />

37


Comparaison des méthodes de segmentation<br />

SPM5 EMS Shattuck HMC<br />

Biais Oui Oui Oui Oui<br />

Eff<strong>et</strong>s de volume partiel Oui 1 Non 2 Oui Oui<br />

Voisinage Non Oui 3 (MRF) Oui (MRF) Oui (HMC)<br />

Non supervisé Oui Oui Partiellement 4 Oui<br />

Atlas Oui Oui Non Oui<br />

Multimodal Non Oui Non Oui<br />

Temps de calcul 20 à 35’ 20 à 35’ 5’ 20 à 40’<br />

1 : les proportions de chaque tissu en chaque voxel ne sont pas calculées.<br />

2 : pas implémenté dans EMS mais présenté dans [Van Leemput 03].<br />

3 : l’estimation des paramètres est basée seulement sur un nombre limité de voxels.<br />

4 : le terme β est fixé.<br />

38


Seuil de détection<br />

paramètre de tamisage h représentant le pourcentage de voxels<br />

utilisés pour l’estimation doit être fixé par l’utilisateur<br />

⇒ paramètre de tamisage adaptatif<br />

A chaque itération, les voxels pour lesquels<br />

P(Y n = y n , B n , θ) < s sont considérés comme outliers<br />

⇒ le paramètre de tamisage h peut changer à chaque itération<br />

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Challenge MICCAI’08<br />

100<br />

80<br />

Détection Outliers<br />

Classification basée<br />

sur intensité<br />

/ Expert UNC<br />

/ Expert CHB<br />

Modèle Classification sur<br />

contextuel histogramme joint<br />

60<br />

Score<br />

40<br />

20<br />

0<br />

HMC Visage Utah INRIA Utrecht JHU Twente UCLA MRN<br />

Scores obtenus par différentes méthodes lors du challenge MICCAI'08<br />

Scores moyens obtenus par rapport à chaque expert sur la base test du challenge MICCAI’08.<br />

40


Références I<br />

[Aït-ali 05]<br />

[Ashburner 05]<br />

[Jaggi 98]<br />

[Neykov 90]<br />

[Nobl<strong>et</strong> 05]<br />

[Smith 02]<br />

L.S. Aït-ali, S. Prima, P. Hellier, B. Carsin, G. Edan & C. Barillot.<br />

STREM : a robust multidimensional param<strong>et</strong>ric m<strong>et</strong>hod to segment MS lesions in MRI.<br />

In J. Duncan & G. Gerig, editeurs, 8th International Conference on Medical Image Computing<br />

and Computer-Assisted Intervention, MICCAI’2005, volume 3749 of Lecture Notes in Computer<br />

Science, pages 409–416, Palm Springs, USA, October 2005. Springer.<br />

J. Ashburner & K.J. Friston.<br />

Unified <strong>Segmentation</strong>.<br />

NeuroImage, vol. 26, pages 839–857, 2005.<br />

C. Jaggi.<br />

<strong>Segmentation</strong> par méthode markovienne de l’encéphale humain en imagerie par résonance<br />

magnétique : théorie, mise en oeuvre <strong>et</strong> évaluation.<br />

PhD thesis, Université de Caen/Basse-Normandie, 1998.<br />

N.M. Neykov & P.N. Neytchev.<br />

A robust alternative of the MLE.<br />

Compstat’90, pages 99–100, 1990.<br />

V. Nobl<strong>et</strong>, C. Heinrich, F. Heitz & J.-P. Armspach.<br />

3-D Deformable Image Registration : A Topology Preservation Scheme Based on Hierarchical<br />

Deformation Models and Interval Analysis Optimization.<br />

IEEE Transactions on Image Processing, vol. 14, no. 5, pages 553–566, 2005.<br />

S. Smith.<br />

Fast Robust Automated Brain Extraction.<br />

Human Brain Mapping, vol. 17, pages 143–155, 2002.<br />

41


Références II<br />

[Van Leemput 99]<br />

[Van Leemput 03]<br />

[Vandev 93]<br />

K. Van Leemput, F. Maes, D. Vandermeulen & P. Su<strong>et</strong>ens.<br />

Automated Model-Based Bias Field Correction of MR Images of the Brain.<br />

IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 18, no. 10, pages 885–896, Oct. 1999.<br />

K. Van Leemput, F. Maes, D. Vandermeulen & P. Su<strong>et</strong>ens.<br />

A Unifying Framework for Partial Volume <strong>Segmentation</strong> of Brain MR Images.<br />

IEEE Transactions On Medical Imaging, vol. 22, no. 1, pages 10–113, January 2003.<br />

D.L. Vandev & N.M. Neykov.<br />

Robust Maximum Likelihood in the Gaussian Case.<br />

In S. Morgenthaler <strong>et</strong> al., editeur, New Directions in Data Analysis and Robustness, pages<br />

259–264, Birkhäuser Verlag Basel, Switzerland, 1993.<br />

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