Segmentation de sujets sains dans un cadre multi-contraste

L’approche proposée dans le cadre de cette thèse permet l’utilisation de plusieurs contrastes. Nous avons testé cette méthode pour la segmentation des noyaux gris

centraux à partir d’images pondérées en T1 et de cartes de FA. La combinaison de

ces deux contrastes peut être d’un grand intérêt pour la segmentation. En effet, les noyaux gris ont un signal homogène dans les images pondérées en T1 mais certains

noyaux présentent des bords difficiles à détecter. C’est le cas du thalamus et du pal- lidum. Or les frontières de ces deux structures se distinguent parfaitement dans les cartes d’anisotropie fractionnelle à cause du fort gradient d’anisotropie existant entre la substance grise qui les constitue (de FA très faible) et la substance blanche les en- tourant, de FA élevée (figure7.8). Il s’agit donc de mettre à profit ce contraste impor- tant. Nous proposons donc l’utilisation conjointe des données d’IRM pondérées en T1

et des cartes de FA qui joueront un rôle de "barrière" interdisant les fronts correspon- dant au thalamus et au pallidum de se propager au sein de la substance blanche.

FA T1

Expansion du contour du noyau caud´e Fronti`ere due a la capsule interne

FIG. 7.8: Combinaison de deux contrastes complémentaires : l’IRM T1révélant les noyaux gris

centraux et le contraste FA bornant la propagation des fronts au sein de la substance blanche.

Pour étudier l’apport de l’ajout de cartes de FA dans la précision de la segmenta- tion automatique, nous avons utilisé une base de données de 13 sujets contenant des images pondérées en T1 ainsi que des données de diffusion [Poupon et al.,2006]. 9

sujets ont été utilisés comme base d’apprentissage et 4 sujets comme base test. Les valeurs des coefficients de pondération choisis pour les différents termes de forme et de régularisation sont les mêmes que ceux utilisés pour la segmentation à par- tir du contraste T1. Concernant l’énergie d’attache aux données, nous avons attribué

le même coefficient pour les deux contrastes T1 et FA : (KT1, KF A, Kv, Ks, Ka, Kp) =

2, 2, 14 × 103, 11 × 103, 5, 0.4
.

Les figures7.9et 7.10montrent, pour un sujet test, l’évolution des différents termes de l’énergie à mi-résolution et à pleine résolution, respectivement. Lors de la phase

(a) ´energie (b) intensit´e T1

(d) volume (c) intensit´e FA

(e) surface (f) atlas

(g) r´egularisation Echelle: mi-r´esolution

FIG. 7.9: Evolution des différents termes d’énergie lors du processus de segmentation à mi-

résolution. (a) énergie globale. (b) potentiel d’attache aux données du contrasteT1. (c) potentiel

d’attache aux données du contraste FA. (d) potentiel lié au volume. (e) potentiel lié à la surface. (f) potentiel lié à l’atlas. (g) potentiel de Potts.

Echelle: pleine-r´esolution

(a) ´energie (b) intensit´e T1

(c) intensit´e FA (d) volume

(e) surface (f) atlas

(g) r´egularisation

FIG. 7.10: Evolution des différents termes d’énergie lors du processus de segmentation à pleine

résolution. (a) énergie globale. (b) potentiel d’attache aux données du contrasteT1. (c) potentiel

d’attache aux données du contraste FA. (d) potentiel lié au volume. (e) potentiel lié à la surface. (f) potentiel lié à l’atlas. (g) potentiel de Potts.

de segmentation à mi-résolution, les potentiels d’attache aux données et le potentiel d’atlas augmentent puis diminuent et le potentiel de régularisation augmente puis se stabilise. Cette augmentation est due, comme nous l’avons vu pour la segmentation à partir du contraste T1, au gonflement des structures guidé par les potentiels de vo-

lume et de surface. Lors de la segmentation à pleine résolution, les différents termes de l’énergie diminuent, à part les potentiels d’attache aux données du contraste FA et le potentiel de régularisation qui diminuent puis augmentent avant de se stabi- liser. Cette diminution au début du processus de segmentation à pleine résolution peut être expliquée par le changement d’étiquettes entre structures et fond pour des points qui ont un signal plus proche de celui de la substance blanche et qui passent dans le fond lors du passage à pleine résolution. Ces points ayant de fortes valeurs de FA, leur disparition des contours des structures provoque une diminution de l’énergie d’attache aux données du contraste FA ainsi qu’une diminution au niveau du poten- tiel de régularisation.

La figure 7.11 montre un exemple de résultat de segmentation obtenu pour un su- jet test en utilisant une image pondérée en T1 et puis en utilisant une combinaison

entre une image pondérée en T1 et une carte de FA. La figure montre qu’en utilisant

uniquement le contraste T1, le contour du putamen s’est propagé dans la capsule in-

terne. L’ajout de cartes de FA a permis de limiter la propagation du putamen dans la substance blanche. Pour quantifier l’amélioration apportée par l’ajout des cartes de

b c

a T1 uniquement T1 + FA

FIG. 7.11: Limitation de propagation des fronts des structures dans la substance blanche par

combinaison de contrastesT1et FA.

FA, nous avons choisi un critère de comparaison surfacique entre les segmentations manuelles et les segmentations automatiques obtenues avec l’image pondérée en T1

uniquement puis avec les deux contrastes. Ce choix a été motivé par le fait que les mo- difications attendues sont au niveau des contours des structures. Ce critère est une modification de la distance de Hausdorff (MHD pour Modified Hausdorff Distance) qui s’exprime sous la forme :

avec : gd(S, T ) = 1 card(S) X p_∈S min q_∈T(d(p, q)) (7.15)

Le graphique 7.12 montre les valeurs moyennes et les écarts-types obtenus sur les mesures de MHD pour différentes structures dans le cas de l’utilisation du contraste T1 et dans le cas de la combinaison entre T1 et FA. Les valeurs moyennes de MHD

FIG. 7.12: Valeurs de MHD entre les segmentations manuelles et les segmentations automa-

tiques obtenues à partir de données IRMT1 uniquement et de données IRM T1 et F A. Une

diminution des valeurs deM HD est observée lors de l’utilisation des deux contrastes simulta-

nément.

diminuent lorsque les cartes de FA sont rajoutées, pour toutes les structures à part pour le noyau caudé pour lequel la valeur moyenne ne change pas. La diminution la plus forte est observée au niveau du putamen. L’ajout des cartes de FA empêche donc effectivement le front du putamen de se propager dans la substance blanche.