Segmentation of anatomical structures of the lower abdomen using 3D deformable models
Segmentation de structures anatomiques du bas abdomen à l'aide de surfaces déformables 3D
Résumé
The main objective of this thesis is to provide radio--oncology specialists with automatic tools for delineating organs at risk of a patient undergoing a radiotherapy treatment of prostate tumors. In order to achieve this goal, we work with CT Scan images. The images are first put in a common frame of reference by means of locally--affine registration based on the pelvic bone structures. A progressive approach consisting of three stages is then applied: the bladder is first delineated, the prostate is later included, and the rectum segmentation is finally integrated. Given the highly heterogenous nature of the images in our database, our contribution for the segmentation process is centered on emph{flexibility}. The bladder is a highly variable structure, both in terms of shape (fillings, compression by surrounding organs) and of intensity levels, the latter due to inhomogeneities caused by the presence or absence (to various levels) of a contrast agent. We propose a segmentation approach that is able to automatically adapt both to the shape and, most remarkably, to the intensity variability. The prostate shows no distinct "edge" in the image itself; its interface with the bladder is often very difficult (if not impossible) to discern, even for the trained eye of medical experts. We have incorporated anatomical information and taken the intensity similarities into account in our approach to contour this structure. An original non--overlapping constraint optimizes the result in terms of image and shape prior information, in order to avoid ambiguities in the delineation of the common boundaries. Finally, the rectum is incorporated in the segmentation. Different acquisition protocols for the CT scans result in images containing rectums with very different characteristics in terms of shape and intensity (due to filling level and nature, air insufflation, contrast agent, etc.). A flexible method that makes no assumptions about the interior of the structure has been developped and thoroughly tested. The developments that resulted from this thesis have been incorporated to the Isogray software by DOSIsoft, allowing further validation in clinical conditions.
Le principal objectif de cette thèse est la conception et la production d'outils à destination des radiologues pour la délinéation des organes à risque dans le cadre du traitement par radiothérapie du cancer de la prostate. Les images passées entrées sont des images CT. Elles sont d'abord placées dans un repère commun à l'aide d'un recalage log-euclidien concentré sur les structures osseuses du pubis. Une suite progressive de traitements est ensuite appliquée: dans un premier temps, la vessie est segmentée, puis la prostate est ensuite localisée paralellement à la vessie, pour finir avec l'intégration de la délinéation du rectum. Compte tenu de l'hétérogénéité des images de la base de données sur laquelle nous avons travaillé, notre contribution principale est la flexibilité. La vessie est une structure à forte variabilité en termes de forme et d'intensité, notamment à cause du degré de remplissage et la présence ou l'absence d'un produit de contraste. La méthode proposée s'adapte non seulement aux formes très différentes des vessies de notre base de donnée, mais aussi au degré de replissage donnant lieu, dans le cas ou un produit de contraste a été administré, une h'etérogénéité notable dans la structure à segmenter. Le contraste de la prostate avec les tissus environnants est quasi-nul; son interface avec la vessie est souvent très difficile à distinguer, même par les experts médicaux. L'incorporation d'informations anatomiques sur la forme et d'informations images, couplée à une nouvelle contrainte d'interaction entre deux maillages, permet d'obtenir une bonne segmentation de la prostate et d'éliminer les ambiguités au niveau de l'interface entre les deux structures. L'incorportation du rectum est l'étape la plus délicate: les différences entre les protocoles d'acquisition de la base de données utilisée interdisent toute modélisation de l'intérieur du rectum: présence de matières fécales, insuflation d'air, présence d'un produit de contraste, présence d'une sonde etc. Les hypotheses faites sur les tissus connexes au rectum ainsi qu'une nouvelle contrainte tubulaire couplée a une pré-segmentation du squelette du rectum permettent d'obtenir un résultat probant. La chaîne de traitement qui a conduit a l'élaboration de cette thèse est en cours d'incorporation dans le logiciel Isogray produit par DOSIsoft, ce qui permet une validation plus approfondie dans des conditions cliniques.
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