L'objectif de cette thèse est de proposer et d'étudier une méthode de segmentation qui soit adaptée à l'imagerie échographique ultrasonore (US) et qui tienne compte de certaines contraintes rencontrées en milieu clinique. De ce fait, cette méthode se doit d'être robuste au bruit de speckle et à l'atténuation des ondes US dans le milieu, mais aussi rapide et ne nécessiter que peu, voire aucun paramètre à régler par l'opérateur. Dans ce cadre, les solutions fondées sur des contours actifs fondés sur la Minimisation de la Complexité Stochastique ont été étudiées. L'impact de différentes modélisations du speckle sur les résultats de ces techniques de segmentation a été caractérisé. Il a été montré qu'il est important de prendre en compte les variations de l'intensité moyenne du speckle induites par l'atténuation dans chaque région de l'image, à la fois pour la segmentation et pour l'analyse des propriétés du speckle. De plus, une stratégie hiérarchique de segmentation a été développée. Celle-ci permet notamment d'accroître la qualité des segmentations et de diminuer les temps de calcul.Les algorithmes de segmentation considérés étaient initialement conçus pour des formes polygonales peu adaptées à celles rencontrées dans le cadre d'applications médicales. Nous avons donc développé un nouveau modèle de contour fondé sur la théorie de l'information qui permet toujours une mise en oeuvre rapide des algorithmes et ne dépend d'aucun paramètre à régler par l'utilisateur. Testé sur des images synthétiques et réelles de fantômes échographiques, ce nouveau modèle permet de mieux décrire les formes régulières et arrondies des objets rencontrés en imagerie échographique.

The purpose of this PhD thesis is to propose and study a segmentation method adapted to echographic ultrasound imaging that could be clinically operational (i.e. fast and parameter-free) and robust to both the speckle noise and the attenuation of the ultrasonic signal in the medium. The solutions we studied rely on statistical active contour methods that are based on the Minimization of the Stochastic Complexity (MSC). The impact on the segmentation results of several speckle noise models that still lead to fast segmentation algorithms has been characterized. A key feature of these models, that appears to be crucial for both the segmentation and the speckle characterization, is the ability to take into account the spatial variation of the average intensity induced by the attenuation of the signal in the medium. In addition, we proposed a hierarchical optimization strategy that improves segmentation results and decreases the computation time.Finally, a novel contour model that is adapted to smooth boundaries that are met in medical imaging is also proposed for the considered MSC segmentation algorithms. The construction of this contour model relies on Information Theory concepts. It still allows one to get low computation times and does not contain any tuning parameter. Evaluations performed on synthetic images and real echographic phantom images indicate that…

Advisors/Committee Members: Réfrégier, Philippe (thesis director).

Desde os anos 1960, foram criadas inúmeras técnicas para segmentação de imagens, contudo poucas se aproximam do nível de desempenho humano, sendo essas computacionalmente custosas e inadequadas para aplicação em tempo real. Portanto, nesta tese é apresentada uma técnica de segmentação de baixo custo computacional, baseada em descontinuidades e em multirresolução, voltada à detecção de contornos de objetos em imagens naturais – fotografias do mundo real. A estrutura da técnica proposta é dividida em cinco etapas. Na primeira, atributos de cor e foco são realçados na imagem de entrada. O mapeamento de cor realça as diferenças de cor entre os canais RGB e propicia a detecção de bordas entre os canais de cor por operadores de gradiente. Dois modelos de cor de diferença cromática, RhGhBh e LgC, são propostos para esse fim. Também é proposta a transformada de decomposição de cor que segmenta a escala de cor RGB em canais independentes, isolando as cores aditivas e subtrativas, e os tons de cinza. Assim, é possível mensurar a variação local de cada cor para criar um mapeamento das regiões em foco. Na segunda etapa, uma filtragem morfológica para supressão de texturas suaviza as mudanças abruptas de cor no interior das mesmas, possibilitando a identificação de seus contornos e diminuindo a falsa identificação de bordas internas. Na terceira etapa, oito máscaras orientadas, batizadas de máscaras de detecção de contornos, são usadas para calcular o gradiente local, realçando os contornos dos objetos em detrimento de suas bordas internas. Na quarta etapa, um afinamento em tons de cinza é realizado por meio de um empilhamento topológico das bordas erodidas e suavizadas, no qual os pixels de bordas maximamente centralizados são isolados e afinados morfologicamente. Por fim, na quinta etapa, a intensidade das bordas é corrigida função do gradiente local e da densidade local das bordas, realçando os contornos dos objetos. Comparações com técnicas de segmentação recentes e clássicas são conduzidas com auxílio do Berkeley Segmentation Dataset and Benchmark. Os resultados obtidos posicionam a técnica proposta em quinto lugar no Benchmark, com tempo de processamento inferior a 0,5% do tempo das técnicas melhor classificadas, sendo adequada para uso em tempo real. Advisors/Committee Members: MELLO, Carlos Alexandre Barros de (advisor), http://lattes.cnpq.br/2248591013863307 (advisor).

Ce travail de thèse est axé sur le domaine du traitement d'images biomédicales. L'objectif de notre étude est l'estimation des paramètres traduisant les propriétés mécaniques de l'artère carotide in vivo en imagerie échographique, dans une optique de détection précoce de la pathologie cardiovasculaire. L'analyse du mouvement longitudinal des tissus de la paroi artérielle, i.e. dans la même direction que le flux sanguin, représente la motivation majeure de ce travail. Les trois contributions principales proposées dans ce travail sont i) le développement d'un cadre méthodologique original et semi-automatique, dédié à la segmentation et à l'estimation du mouvement de la paroi artérielle dans des séquences in vivo d'images ultrasonores mode-B, ii) la description d'un protocole de génération d'une référence, faisant intervenir les opérations manuelles de plusieurs experts, dans le but de quantifier la précision des résultats de notre méthode malgré l'absence de vérité terrain inhérente à la modalité échographique, et iii) l'évaluation clinique de l'association entre les paramètres mécaniques et dynamiques de la paroi carotidienne et les facteurs de risque cardiovasculaire dans le cadre de la détection précoce de l'athérosclérose. Nous proposons une méthode semi-automatique, basée sur une approche conjointe de segmentation des contours de la paroi et d'estimation du mouvement des tissus. L'extraction de la position des interfaces est réalisée via une approche spécifique à la structure morphologique de la carotide, basée sur une stratégie de programmation dynamique exploitant un filtrage adapté. L'estimation du mouvement est réalisée via une méthode robuste de mise en correspondance de blocs (block matching), basée sur la connaissance du déplacement a priori ainsi que sur la mise à jour temporelle du bloc de référence par un filtre de Kalman spécifique. La précision de notre méthode, évaluée in vivo, correspond au même ordre de grandeur que celle résultant des opérations manuelles réalisées par des experts, et reste sensiblement meilleure que celle obtenue avec deux autres méthodes traditionnelles (i.e. une implémentation classique de la technique de block matching et le logiciel commercial Velocity Vector Imaging). Nous présentons également quatre études cliniques réalisées en milieu hospitalier, où nous évaluons l'association entre le mouvement longitudinal et les facteurs de risque cardiovasculaire. Nous suggérons que le mouvement longitudinal, qui représente un marqueur de risque émergent et encore peu étudié, constitue un indice pertinent et complémentaire aux marqueurs traditionnels dans la caractérisation de la physiopathologie artérielle, reflète le niveau de risque cardiovasculaire global, et pourrait être bien adapté à la détection précoce de l'athérosclérose.

This thesis is focused on the domain of bio-medical image processing. The aim of our study is to assess in vivo the parameters traducing the mechanical properties of the carotid artery in ultrasound imaging, for early detection of cardiovascular diseases.…

Advisors/Committee Members: Vray, Didier (thesis director).