Multimodal Image Registration applied to Magnetic Resonance and Ultrasound Prostatic Images

par Jhimli Mitra

Thèse de doctorat en Instrumentation et informatique de l'image

Sous la direction de Fabrice Mériaudeau et de Robert Martí.

Le président du jury était Frédéric Morain-Nicolier.

Le jury était composé de Zoltan Kato, Joan Marti, Dro Desiré Sidibé.

Les rapporteurs étaient Pierrick Bourgeat, Diego Sona, Nicolas Morain-Nicolier.

  • Titre traduit

    Recalage multimodale [i.e. multimodal] d'images de résonance magnétique et échographiques de la prostate


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous avons exploré différentes méthodes de recalage déformables pouvant être appliquées entre les images IRM et les images ETR acquises pendant la biopsie. Nous avons observé à partir d'une étude de la littérature que les méthodes de recalage déformables existantes pour le recalage des images de prostate multimodales ne fournissent pas de précisions satisfaisantes et que la plupart sont coûteuse [sic] en ressources informatiques, notre méthode proposée n'étant pas une exception à cette tendance. Dans ce contexte, notre objectif secondaire a été de rechercher une méthode de recalage déformable qui puisse être appliquée au cours des interventions (nécessitant du temps réel). Par conséquent, nous proposons un schéma d'apprentissage où les paramètres de déformation sont appris sur une série d'images d'entraînement puis modélisés et une estimation linéaire de ces modèles est ensuite appliquée pour recaler les images ETR-IRM. Cette solution assure une vitesse de calcul sans compromettre beaucoup la précision de recalage.Dans les expérimentations réalisées pour valider nos travaux, la sonde transrectale de biopsie n'était pas équippée pour permettre une localisation 3D (par conséquent, la position spatiale (coordonnée z) des ETR images par rapport au système d'imagerie n'était pas disponible). Toutefois, pour la fusion ETR-IRM, il est important d'identifier la coupe pré-biopsie axiale IRM qui correspond à l'image ETR acquise au cours de la biopsie. Par conséquent, un autre objectif de ce travail a été d'identifier automatiquement la coupe axiale IRM d'un volume pré-biopsie correspondant à l'image ETR en utilisant une méthode qui exploite les métriques de similarité basées sur l'image et la forme.


  • Résumé

    This thesis investigates the employment of different deformable registration techniques to register pre-operative magnetic resonance and inter-operative ultrasound images during prostate biopsy. Accurate registration ensures appropriate biopsy sampling of malignant prostate tissues and reduces the rate of re-biopsies. Therefore, we provide comparisons and experimental results for some landmark- and intensity-based registration methods: thin-plate splines, free-form deformation with B-splines. The primary contribution of this thesis is a new spline-based diffeomorphic registration framework for multimodal images. In this framework we ensure diffeomorphism of the thin-plate spline-based transformation by incorporating a set of non-linear polynomial functions. In order to ensure clinically meaningful deformations we also introduce the approximating thin-plate splines so that the solution is obtained by a joint-minimization of the surface similarities of the segmented prostate regions and the thin-plate spline bending energy. The method to establish point correspondences for the thin-plate spline-based registration is a geometric method based on prostate shape symmetry but a further improvement is suggested by computing the Bhattacharyya metric on shape-context based representation of the segmented prostate contours. The proposed deformable framework is computationally expensive and is not well-suited for registration of inter-operative images during prostate biopsy. Therefore, we further investigate upon an off-line learning procedure to learn the deformation parameters of a thin-plate spline from a training set of pre-operative magnetic resonance and its corresponding inter-operative ultrasound images and build deformation models by applying spectral clustering on the deformation parameters. Linear estimations of these deformation models are then applied on a test set of inter-operative and pre-operative ultrasound and magnetic resonance images respectively. The problem of finding the pre-operative magnetic resonance image slice from a volume that matches the inter-operative ultrasound image has further motivated us to investigate on shape-based and image-based similarity measures and propose for slice-to-slice correspondence based on joint-maximization of the similarity measures.


  • Résumé

    En aquesta tesi s'investiga l'ús de diferents tècniques de registre deformable per registrar imatges de ressonància magnètica preoperatòries i imatges d'ultrasò interoperatòries en la biòpsia de pròstata. Un registre correcte garanteix l'adequada presa de mostres de biòpsia dels teixits malignes de la pròstata i redueix la taxa de re-biòpsies. Aquesta tesis inicialment presenta una comparació i resultats experimentals d’uns dels mètodes de registre més utilitzats basats en intensitat i en punts (landmarks): thin-plate splines i deformacions free form utilitzant B-splines. La principal contribució d'aquesta tesi és una nova metodologia de registre per imatges multimodals basada en splines i formulació difeomòrfica. En aquesta metodologia, s’assegura el difeomorfisme de la transformació basada en thin-plate splines mitjançant la incorporació d'un conjunt de funcions polinòmiques no lineals. Per tal de garantir deformacions clínicament significatives també introduïm thin-plate splines aproximants de manera que la solució s'obté mitjançant una minimització conjunta de les similituds de la superfície de les regions de la pròstata segmentades i de l'energia de la curvatura del thin-plate spline. El mètode per establir les correspondències de punts per el registre en thin-plate splines és un mètode geomètric basat en la simetria de la forma de la pròstata. Alhora, es suggereix una millora addicional basada en la utilització de la mètrica Bhattacharyya en la representació de forma (shape context) dels contorns de la pròstata segmentats. La metodologia de deformació proposada inicialment és computacionalment costosa i no està ben adaptada per el registre interoperatiu durant la biòpsia de pròstata. Per tant, s’investiga més a fons un procediment d'aprenentatge off-line per aprendre els paràmetres de deformació dels thin-plate splines a partir d'un conjunt d'entrenament de dades ressonància magnètica preoperatòries i les seves corresponents imatges d'ultrasò interoperatòries i es construeixen models de deformació mitjançant l'aplicació de mètodes d’agrupació espectral (spectral clustering) en els paràmetres de deformació. Les estimacions lineals d'aquests models de deformació s'apliquen després en un conjunt de test de ressonància magnètica i ultrasò. El problema de trobar la llesca del volum de ressonància magnètica preoperatòria que coincideixi amb la imatge d'ultrasò interoperatòria ens ha motivat a investigar sobre les mesures de similitud basades en la forma i contingut de la imatge i ens ha portat a proposar un nou mètode per a la correspondència tall a tall basat en la maximització conjunta de les mesures de similitud esmentades


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  • Détails : 1 vol. (x-142 p.)
  • Annexes : Bibliographie p. 121-141, 174 réf.

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  • Bibliothèque : Université de Bourgogne. Service commun de la documentation. Section Sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TNSDIJON/2012/33
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