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Reconstruction 3D de structures vasculaires par coloriage voxélique à partir d'angiographie biplan

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Martin, Rémi (2017). Reconstruction 3D de structures vasculaires par coloriage voxélique à partir d'angiographie biplan. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les angiographies biplans sont, de nos jours, la référence en termes d’imagerie lors d’interventions par cathétérisme sur des structures vasculaires. Cependant, cette technique d’imagerie médicale reste limitée dans la mesure où il s’agit d’une projection 2D de structures 3D. L’étude proposée introduit une nouvelle méthode de reconstruction 3D biplan des structures vasculaires basée sur un algorithme de coloriage voxélique.

Un graphe est construit à partir de masques de segmentation, sur lesquels sont extraites des enveloppes visuelles. Ce graphe représente les liens possibles entre les voxels. La ligne central 3D de la forme à reconstruire est calculée en associant manuellement les points de chacune des images. La reconstruction volumique est effectuée en utilisant un algorithme de marche aléatoire sur le graphe. Pour ce faire, une fonction d’énergie, composée des informations de segmentation et de la ligne centrale, est minimisée afin d’obtenir une probabilité, pour chaque voxel, d’appartenir au volume 3D final.

En appliquant un seuillage sur les probabilités obtenues, nous obtenons un modèle 3D initial. Celui-ci est amélioré à l’aide d’une étape d’affinement multiéchelle qui consiste à diviser la taille de chaque voxel ne satisfaisant pas le seuillage jusqu’à ce que tous les voxels soient éliminés, conservés ou bien qu’un certain nombre d’itérations d’affinement multiéchelle soit atteint.

La méthode de reconstruction 3D des structures vasculaires a été validée sur des angiographies simulées à l’aide du simulateur de mouvement cardiorespiratoire XCAT ainsi que sur des données cliniques du CHU de Sainte-Justine. Les résultats obtenus sont encourageants et laissent entrevoir une potentielle utilisation lors d’interventions cliniques.

Titre traduit

3D biplane reconstruction of vascular structures using graph-based voxel coloring

Résumé traduit

Biplane X-ray angiography is currently the gold standard for navigational guidance during percutaneous interventions in vascular structures. Although, X-ray angiography is solely based on 2D projections, and provides limited 3D geometrical information. This study introduces a novel graph-based voxel coloring method for 3D reconstruction of vascular structures from biplane X-ray angiography sequences.

Using a discretized visual hull from segmentation masks of angiography images, a graph is constructed. The centerline is obtained by manual pairing of pixels from both images. The volumetric reconstruction is performed using a Random Walks algorithm on the graph. To do so, an energy function is defined by the segmentation masks and the 3D centerline. This function is then minimized in order to obtain a probability for each voxel to belong to the 3D volume.

After thresholding of the probabilities, the Random Walks algorithm provides a coarse volumetric model of the vascular structure that is then refined using a multi-scale approach. The idea is to divide each voxel until each one of them is classified as accepted or rejected in the 3D volume or until a certain number of multi-scale steps has been reached.

The reconstruction method is validated using clinical data provided by CHU Sainte-Justine as well as images generated using a realistic cardiorespiratory simulator. Obtained results promise for an online clinical use.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie logiciel." Bibliographie : pages 63-66.
Mots-clés libres: Vaisseaux sanguins Imagerie. Imagerie tridimensionnelle en médecine. Reconstruction d'image. Angiographie. Traitement d'images Techniques numériques. Segmentation d'image. Coloriage de graphes. Marches aléatoires (Mathématiques) biplane, coloriage, voxel, voxélique, reconstruction 3D, Random Walks, structures vasculaires.
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Duong, Luc
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 21 févr. 2018 19:59
Dernière modification: 20 avr. 2018 14:16
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2001

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