Inverse problems in medical ultrasound images - applications to image deconvolution, segmentation and super-resolution

par Ningning Zhao

Thèse de doctorat en Signal, Image, Acoustique et Optimisation

Sous la direction de Denis Kouamé et de Jean-Yves Tourneret.

  • Titre traduit

    Problèmes inverses en imagerie ultrasonore - applications déconvolution image, ségmentation et super résolution


  • Résumé

    L'imagerie ultrasonore est une modalité d'acquisition privilégiée en imagerie médicale en raison de son innocuité, sa simplicité d'utilisation et son coût modéré d'utilisation. Néanmoins, la résolution limitée et le faible contraste limitent son utilisation dans certaines d'applications. C'est dans ce contexte que différentes techniques de post-traitement visant à améliorer la qualité de telles images sont proposées dans ce manuscrit. Dans un premier temps, nous proposons d'aborder le problème conjoint de la déconvolution et de la segmentation d'images ultrasonores en exploitant l'interaction entre ces deux problèmes. Le problème, énoncé dans un cadre bayésien, est résolu à l'aide d'un algorithme MCMC en raison de la complexité de la loi a posteriori des paramètres d'intérêt. Dans un second temps, nous proposons une nouvelle méthode rapide de super-résolution fondée sur la résolution analytique d'un problème de minimisation l2-l2. Il convient de remarquer que les deux approches proposées peuvent être appliquées aussi bien à des images ultrasonores qu'à des images naturelles ou constantes par morceaux. Enfin, nous proposons une méthode de déconvolution aveugle basée sur un modèle paramétrique de la réponse impulsionelle de l'instrument ou du noyau de flou.


  • Résumé

    In the field of medical image analysis, ultrasound is a core imaging modality employed due to its real time and easy-to-use nature, its non-ionizing and low cost characteristics. Ultrasound imaging is used in numerous clinical applications, such as fetus monitoring, diagnosis of cardiac diseases, flow estimation, etc. Classical applications in ultrasound imaging involve tissue characterization, tissue motion estimation or image quality enhancement (contrast, resolution, signal to noise ratio). However, one of the major problems with ultrasound images, is the presence of noise, having the form of a granular pattern, called speckle. The speckle noise in ultrasound images leads to the relative poor image qualities compared with other medical image modalities, which limits the applications of medical ultrasound imaging. In order to better understand and analyze ultrasound images, several device-based techniques have been developed during last 20 years. The object of this PhD thesis is to propose new image processing methods allowing us to improve ultrasound image quality using postprocessing techniques. First, we propose a Bayesian method for joint deconvolution and segmentation of ultrasound images based on their tight relationship. The problem is formulated as an inverse problem that is solved within a Bayesian framework. Due to the intractability of the posterior distribution associated with the proposed Bayesian model, we investigate a Markov chain Monte Carlo (MCMC) technique which generates samples distributed according to the posterior and use these samples to build estimators of the ultrasound image. In a second step, we propose a fast single image super-resolution framework using a new analytical solution to the l2-l2 problems (i.e., $\ell_2$-norm regularized quadratic problems), which is applicable for both medical ultrasound images and piecewise/ natural images. In a third step, blind deconvolution of ultrasound images is studied by considering the following two strategies: i) A Gaussian prior for the PSF is proposed in a Bayesian framework. ii) An alternating optimization method is explored for blind deconvolution of ultrasound.


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