Atlas Construction for Measuring the Variability of Complex Anatomical Structures

La recherche sur l'anatomie humaine, en particulier sur le cœur et le cerveau, est d'un intérêt particulier car leurs anomalies entraînent des pathologies qui sont parmi les principales causes de décès dans le monde et engendrent des coûts substantiels. Heureusement, les progrès en imagerie médicale permettent des diagnostics et des traitements autrefois impossibles. En contrepartie, la quantité phénoménale de données produites par ces technologies nécessite le développement d'outils efficaces pour leur traitement. L'objectif de cette thèse est de proposer un ensemble d'outils permettant de normaliser des mesures prélevées sur différents individus, essentiels à l'étude des caractéristiques de structures anatomiques complexes. La normalisation de mesures consiste à rassembler une collection d'images dans une référence commune, aussi appelée construction d'atlas numériques, afin de combiner des mesures provenant de différents patients. Le processus de construction inclut deux étapes principales; la segmentation d'images pour trouver des régions d'intérêts et le recalage d'images afin de déterminer les correspondances entres régions d'intérêts. Les méthodes actuelles de constructions d'atlas peuvent nécessiter des interventions manuelles, souvent fastidieuses, variables, et sont en outre limitées par leurs mécanismes internes. Principalement, le recalage d'images dépend d'une déformation incrémentales d'images sujettes a des minimums locaux. Le recalage n'est ainsi pas optimal lors de grandes déformations et ces limitations requièrent la nécessite de proposer de nouvelles approches pour la construction d'atlas. Les questions de recherche de cette thèse se concentrent donc sur l'automatisation des méthodes actuelles ainsi que sur la capture de déformations complexes de structures anatomiques, en particulier sur le cœur et le cerveau. La méthodologie adoptée a conduit à trois objectifs de recherche spécifiques. Le premier prévoit un nouveau cadre de construction automatise d'atlas afin de créer le premier atlas humain de l'architecture de fibres cardiaques. Le deuxième vise à explorer une nouvelle approche basée sur la correspondance spectrale, nommée FOCUSR, afin de capturer une grande variabilité de formes sur des maillages. Le troisième aboutit finalement à développer une approche fondamentalement différente pour le recalage d'images à fortes déformations, nommée les démons spectraux. Le premier objectif vise plus particulièrement à construire un atlas statistique de l'architecture des fibres cardiaques a partir de 10 cœurs ex vivo humains. Le système développé a mené à deux contributions techniques et une médicale, soit l'amélioration de la segmentation de structures cardiaques et l'automatisation du calcul de forme moyenne, ainsi que notamment la première étude chez l'homme de la variabilité de l'architecture des fibres cardiaques. Pour résumer les principales conclusions, les fibres du cœur humain moyen varient de +- 12 degrés, l'angle d'helix s'étend entre -41 degrés (+- 26 degrés) sur l'épicarde à +66 degrés (+- 15 degrés) sur l'endocarde, tandis que l'angle transverse varie entre +9 degrés (+- 12 degrés) et +34 degrés (+- 29 degrés) à travers le myocarde. Ces résultats sont importants car ces fibres jouent un rôle clef dans diverses fonctions mécaniques et électrophysiologiques du cœur. Le deuxième objectif cherche à capturer une grande variabilité de formes entre structures anatomiques complexes, plus particulièrement entre cortex cérébraux à cause de l'extrême variabilité de ces surfaces et de leur intérêt pour l'étude de fonctions cognitives. La nouvelle méthode de correspondance surfacique, nommée FOCUSR, exploite des représentations spectrales car l'appariement devient plus facile et rapide dans le domaine spectral plutôt que dans l'espace Euclidien classique. Dans sa forme la plus simple, FOCUSR améliore les méthodes spectrales actuelles par un recalage non rigide des représentations spectrales, toutefois, son plein potentiel est atteint en exploitant des données supplémentaires lors de la mise en correspondance. Par exemple, les résultats ont montré que la profondeur des sillons et de la courbure du cortex cérébral améliore significativement la correspondance de surfaces de cerveaux. Enfin, le troisième objectif vise à améliorer le recalage d'images d'organes ayant des fortes variabilités entre individus ou subis de fortes déformations, telles que celles créées par le mouvement cardiaque. La méthodologie amenée par la correspondance spectrale permet d'améliorer les approches conventionnelles de recalage d'images. En effet, les représentations spectrales, capturant des similitudes géométriques globales entre différentes formes, permettent de surmonter les limitations actuelles des méthodes de recalage qui restent guidées par des forces locales. Le nouvel algorithme, nommé démons spectraux, peut ainsi supporter de très grandes déformations locales et complexes entre images, et peut être tout autant adapté a d'autres approches, telle que dans un cadre de recalage conjoint d'images. Il en résulte un cadre complet de construction d'atlas, nommé démons spectraux multijoints, où la forme moyenne est calculée directement lors du processus de recalage plutôt qu'avec une approche séquentielle de recalage et de moyennage. La réalisation de ces trois objectifs spécifiques a permis des avancées dans l'état de l'art au niveau des méthodes de correspondance spectrales et de construction d'atlas, en permettant l'utilisation d'organes présentant une forte variabilité de formes. Dans l'ensemble, les différentes stratégies fournissent de nouvelles contributions sur la façon de trouver et d'exploiter des descripteurs globaux d'images et de surfaces. D'un point de vue global, le développement des objectifs spécifiques établit un lien entre : a) la première série d'outils, mettant en évidence les défis à recaler des images à fortes déformations, b) la deuxième série d'outils, servant à capturer de fortes déformations entre surfaces mais qui ne reste pas directement applicable a des images, et c) la troisième série d'outils, faisant un retour sur le traitement d'images en permettant la construction d'atlas a partir d'images ayant subies de fortes déformations. Il y a cependant plusieurs limitations générales qui méritent d'être investiguées, par exemple, les données partielles (tronquées ou occluses) ne sont pas actuellement prises en charge les nouveaux outils, ou encore, les stratégies algorithmiques utilisées laissent toujours place à l'amélioration. Cette thèse donne de nouvelles perspectives dans les domaines de l'imagerie cardiaque et de la neuroimagerie, toutefois, les nouveaux outils développés sont assez génériques pour être appliqués a tout recalage d'images ou de surfaces. Les recommandations portent sur des recherches supplémentaires qui établissent des liens avec la segmentation à base de graphes, pouvant conduire à un cadre complet de construction d'atlas où la segmentation, le recalage, et le moyennage de formes seraient tous interdépendants. Il est également recommandé de poursuivre la recherche sur la construction de meilleurs modèles électromécaniques cardiaques à partir des résultats de cette thèse. En somme, les nouveaux outils offrent de nouvelles bases de recherche et développement pour la normalisation de formes, ce qui peut potentiellement avoir un impact sur le diagnostic, ainsi que la planification et la pratique d'interventions médicales.