HYPOTHÈSES ET OBJECTIFS
La revue de littérature sur la segmentation du foie révèle la profondeur de cette problématique, qui demeure encore aujourd’hui non-résolue malgré les multiples travaux réalisés sur ce sujet depuis les vingt dernières années. Situé dans l’abdomen, le foie est en contact avec plusieurs autres organes mous ayant la même apparence sur TDM et IRM, rendant difficile la délimita- tion automatique. De plus, les patients nécessitant ces examens médicaux sont souvent atteints de cancers ou de maladies diffuses. L’historique chirurgical et la présence des lésions affectent la forme et la radio-apparence du foie sur les images médicales, ce qui complexifie encore plus la segmentation. Plusieurs des approches décrites reposent sur l’utilisation de base de données statistiques pour lesquelles il est difficile de couvrir la variabilité morphologique rencontrée en clinique. Lorsque ces méthodes ne parviennent pas à produire une segmentation satisfaisante, l’utilisateur est souvent laissé à lui-même pour corriger le masque résultant, souvent avec des outils de correction primitifs. D’un point de vue pratique, l’absence d’outil de correction effi- cace permettant de demeurer robuste face aux nombreuses difficultés de segmentation est l’une des limitations majeures observée dans la littérature. Cela est d’autant plus vrai pour la seg- mentation vasculaire qui demande souvent un travail de supervision minutieux pour produire des modélisations satisfaisantes. En plus de ces limitations techniques, la littérature actuelle ne s’intéresse peu ou pas à la modélisation du foie depuis les images IRM, alors que cette mo- dalité, qui comporte des défis techniques différents, est pressentie pour remplacer la TDM au cours des prochaines années.
L’hypothèse fondamentale de ce projet de recherche est que le foie est ses arborescences vas- culaires peuvent être modélisés efficacement et avec précision depuis des images IRM et TDM cliniques sans l’aide de données d’entraînement. À la genèse du projet, une série d’objectifs ont été établis pour guider le développement de prototypes. D’abord, les structures cibles à mo- déliser sont le parenchyme hépatique et les arbres vasculaires veineux sus-hépatique et portal, jusqu’au 3ièmeembranchement afin de pouvoir établir les segments vasculaires du foie définis
par Couinaud. L’outil développé sera destiné aux examens TDM et IRM 3D LAVA avec agent de contraste en phase portale tardive. La méthode de segmentation visée ne doit pas poser de contraintes fortes sur la forme globale de l’organe afin de pouvoir couvrir un spectre de mor- phologie très large et ainsi ne pas être limité par les patients préalablement opérés, cirrhotiques, ou ayant subi un embolisation portale. D’un point de vue pratique, l’outil proposé doit viser un minimum d’interaction, de l’ordre de 5 minutes et 10 clics de souris, puis atteindre une précision de 5% sur les mesures volumétriques. Les objectifs établis en terme d’interaction sont simplement des limites psychologiques qui favoriseraient l’acceptation d’un tel outil en pratique. L’objectif de précision volumétrique représente plutôt la marge d’errreur qui serait acceptable lors de la planification d’une résection étendue, où retirer plus de 20% du paren- chyme hépatique pourrait provoquer une insuffisance hépatique. L’outil de segmentation doit également permettre à l’utilisateur de corriger une segmentation erronée, et sera validé sur une base de données issue du Centre Hospitalier de l’Université de Montréal (CHUM), suite à l’approbation des comités éthiques de l’ÉTS et du Centre de recherche du CHUM.
Pour réaliser ce cahier des charges, le projet a été séparé en trois étapes, lesquelles contribuent une à une à progressivement modéliser la forme du foie et ses arborescences vasculaires. Les méthodes proposées se veulent interactives de manière à ce que l’utilisateur puisse guider et corriger le processus de segmentation. Cet objectif vise à pallier aux méthodes automatiques dont le résultat de segmentation est difficile à corriger en offrant des outils efficaces permettant d’intégrer des contraintes de haut niveau dans le procédé d’optimisation.
D’abord, le chapitre 5 aborde le sujet de la segmentation interactive 2D du foie, une tâche né- cessaire pour la création de références et l’initialisation de certains algorithmes automatiques. La méthode proposée s’appuie sur un algorithme de chemin minimum intégré dans outil inter- actif tirant avantage du tracé de l’utilisateur pour contraindre la délimitation du foie. Décliné en quelques variantes pour exposer le caractère générique de cette approche, cet outil pré- sente l’avantage d’être robuste face au tracé très approximatif de l’utilisateur et de pouvoir être facilement propagé dans une image volumique, deux caractéristiques absentes des outils traditionnels comme le Livewire et les Snakes.
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Le chapitre 6 décrit une méthode de segmentation 3D du foie initialisée depuis l’outil interactif 2D. Cette méthode appartient à la classe des modèles déformables, cependant elle repose sur un algorithme de déformation qui impose une régularisation de la surface tout en respectant la forme initialement générée par l’utilisateur. Cette formulation prévient les fuites dans les organes adjacents et outrepasse le besoin de données d’entraînement des méthodes statistiques tout en permettant à l’utilisateur de corriger la surface de la segmentation en 3D et d’imposer des contraintes supplémentaires.
Finalement le chapitre 7 décrit une méthode de segmentation vasculaire limitée à l’intérieur du masque du foie obtenu par l’outil de segmentation précédent. La stratégie proposée suit une série d’étapes où les structures tubulaires du parenchyme sont d’abord rehaussées puis extraites par suivi de crête avant d’être reconnectées entre elles pour former les arbres veineux et portal. Des améliorations sont apportées au niveau du filtre de rehaussement pour mitiger les difficultés reliées à l’anisotropie rencontrés sur les images IRM, une modalité d’imagerie qui n’a pas été abordée dans la littérature jusqu’à présent. Un nouvel algorithme de reconnexion est proposé pour améliorer la robustesse de la méthode face aux images bruitées et peu contrastées rencontrées en pratique, tandis que la stratégie de segmentation par chemin minimum présentée au chapitre 5 est réutilisée pour produire la segmentation surfacique finale des arborescences vasculaires du foie. À nouveau, divers outils de manipulations des segments vasculaires sont implémentés pour permettre à l’utilisateur de guider le processus de reconstruction vasculaire jusqu’à satisfaction.