Rehaussement de contraste et analyse des images endoscopiques 2D/3D pour des chirurgies assistées par vidéo

par Bilel Sdiri

Thèse de doctorat en Signaux et Images

Sous la direction de Azeddine Beghdadi.

Thèses en préparation à Paris 13 , dans le cadre de École doctorale Galilée (Villetaneuse, Seine-Saint-Denis) depuis le 16-10-2013 .


  • Résumé

    Grâce à l’évolution des procédés de diagnostiques médicaux et les développements technologiques, la chirurgie mini-invasive a fait des progrès remarquables au cours des dernières décennies surtout avec l’innovation de nouveaux outils médicaux tels que les systèmes chirurgicaux robotisés et les caméras endoscopiques sans fil. Cependant, ces techniques souffrent de quelques limitations liées essentiellement l’environnement endoscopique telles que la non uniformité de l’éclairage, les réflexions spéculaires des tissus humides, le faible contraste/netteté et le flou dû aux mouvements du chirurgien et du patient (i.e. la respiration). La correction de ces dégradations repose sur des critères de qualité d’image subjective et objective dans le contexte médical. Il est primordial de développer des solutions d’amélioration de la qualité perceptuelle des images acquises par endoscopie 3D. Ces solutions peuvent servir plus particulièrement dans l’étape d’extraction de points d’intérêts pour la reconstruction 3D des organes, qui sert à la planification de certaines opérations chirurgicales. C’est dans cette optique que cette thèse aborde le problème de la qualité des images endoscopiques en proposant de nouvelles méthodes d’analyse et de rehaussement de contraste des images endoscopiques 2D et 3D. Pour la détection et la classification automatique des anomalies tissulaires pour le diagnostic des maladies du tractus gastro-intestinal, nous avons proposé une méthode de rehaussement de contraste local et global des images endoscopiques 2D classiques et pour l’endoscopie capsulaire sans fil. La méthode proposée améliore la visibilité des structures locales fines et des détails de tissus. Ce prétraitement a permis de faciliter le processus de détection des points caractéristiques et d’améliorer le taux de classification automatique des tissus néoplasiques et tumeurs bénignes. Les méthodes développées exploitent également la propriété d’attention visuelle et de perception de relief en stéréovision. Dans ce contexte, nous avons proposé une technique adaptative d’amélioration de la qualité des images stéréo endoscopiques combinant l’information de profondeur et les contours des tissues. Pour rendre la méthode plus efficace et adaptée aux images 3D le rehaussement de contraste est ajusté en fonction des caractéristiques locales de l’image et du niveau de profondeur dans la scène tout en contrôlant le traitement inter-vues par un modèle de perception binoculaire. Un test subjectif a été mené pour évaluer la performance de l’algorithme proposé en termes de qualité visuelle des images générées par des obser- 11 vateurs experts et non experts dont les scores ont démontré l’efficacité de notre technique 3D d’amélioration du contraste. Dans cette même optique, nous avons développé une autre technique de rehaussement du contraste des images endoscopiques stéréo basée sur la décomposition en ondelettes. Ce qui offre la possibilité d’effectuer un traitement multi-échelle et d’opérer une traitement sélectif. Le schéma proposé repose sur un traitement stéréo qui exploite à la fois l’informations de profondeur et les redondances intervues, ainsi que certaines propriétés du système visuel humain, notamment la sensibilité au contraste et à la rivalité/combinaison binoculaire. La qualité visuelle des images traitées et les mesures de qualité objective démontrent l’efficacité de notre méthode qui ajuste l’éclairage des images dans les régions sombres et saturées et accentue la visibilité des détails liés aux vaisseaux sanguins et les textures de tissues.

  • Titre traduit

    2D/3D Endoscopic image enhancement and analysis for video guided surgery


  • Résumé

    Minimally invasive surgery has made remarkable progress in the last decades and became a very popular diagnosis and treatment tool, especially with the rapid medical and technological advances leading to innovative new tools such as robotic surgical systems and wireless capsule endoscopy. Due to the intrinsic characteristics of the endoscopic environment including dynamic illumination conditions and moist tissues with high reflectance, endoscopic images suffer often from several degradations such as large dark regions, with low contrast and sharpness, and many artifacts such as specular reflections and blur. These challenges together with the introduction of threedimensional (3D) imaging surgical systems have prompted the question of endoscopic images quality, which needs to be enhanced. The latter process aims either to provide the surgeons/doctors with a better visual feedback or improve the outcomes of some subsequent tasks such as features extraction for 3D organ reconstruction and registration. This thesis addresses the problem of endoscopic image quality enhancement by proposing novel enhancement techniques for both two-dimensional (2D) and stereo (i.e. 3D) endoscopic images. In the context of automatic tissue abnormality detection and classification for gastro-intestinal tract disease diagnosis, we proposed a pre-processing enhancement method for 2D endoscopic images and wireless capsule endoscopy improving both local and global contrast. The proposed method expose inner subtle structures and tissues details, which improves the features detection process and the automatic classification rate of neoplastic, non-neoplastic and inflammatory tissues. Inspired by binocular vision attention features of the human visual system, we proposed in another work an adaptive enhancement technique for stereo endoscopic images combining depth and edginess information. The adaptability of the proposed method consists in adjusting the enhancement to both local image activity and depth level within the scene while controlling the inter-view difference using a binocular perception model. A subjective experiment was conducted to evaluate the performance of the proposed algorithm in terms of visual quality by both expert and non-expert observers whose scores demonstrated the efficiency of our 3D contrast enhancement technique. In the same scope, we resort in another recent stereo endoscopic image enhancement work to the wavelet domain to target the enhancement towards specific image components using the multiscale representation and the efficient space-frequency 9 localization property. The proposed joint enhancement methods rely on cross-view processing and depth information, for both the wavelet decomposition and the enhancement steps, to exploit the inter-view redundancies together with perceptual human visual system properties related to contrast sensitivity and binocular combination and rivalry. The visual quality of the processed images and objective assessment metrics demonstrate the efficiency of our joint stereo enhancement in adjusting the image illumination in both dark and saturated regions and emphasizing local image details such as fine veins and micro vessels, compared to other endoscopic enhancement techniques for 2D and 3D images.