Contributing to the mosaicing of endoscopic images of hollow organs for the early detection of cancers
Contribution au mosaïquage d'images endoscopiques d'organes creux pour l'aide au diagnostic du cancer en phase précoce
Résumé
This PhD thesis is a contribution to the development of a method of cartography of the hollow organs internal walls based on video-endoscopic image sequences, applicable to cancerous lesion localization inside these cavities (bladder in particular). This approach should enable the specialists to better choose the biopsy sites and therefore enhance the detection sensibility. Such constructed maps should facilitate post-operative controls and reports. The first part of this PhD thesis deals with the physical and instrumental principles allowing the detection of precancerous lesions using multiple bands autofluorescence imaging. This technique lies on the fact that the autofluorescence spectrum emitted by a healthy tissue under appropriate excitation is different from that emitted by a cancerous tissue. For this technique, two images of the same region to be examined are acquired. An image, resulting from the pixel wise division of the intensities of the two acquired images, highlights the suspicious lesions. A specific graphical interface was developed allowing us to control the optical-mechanical system of acquisition of autofluorescence images at two different wavelengths and to visualize the images in various operating modes: white light, autofluorescence and/or compound (intensity ratio images).The second part of this PhD thesis presents the method developed for building a map of the examined region using image sequences. We have implemented a projective transformation model. A grey-level image registration algorithm, based on mutual information and on a stochastic steepest gradient descent technique, was implemented to estimate perspective transformation parameters linking geometrically each pair of consecutive images of the sequence. These transformations authorize a map building using a sequential mosaicing method. Correction methods of the defaults of endoscopic images (radial distortion, endoscope's fibre pattern, etc.) and the diminution of the registration errors accumulated through the perspective transformations are also presented. The results obtained on test images of pig bladder enabled to validate the robustness of our automatic registration procedure but with still long processing times. The precision obtained after cumulated error correction is of a few pixels. The registration method developed also allowed us to propose a simplified procedure for endoscope calibration.
Cette thèse est une contribution au développement d'une méthode de cartographie des parois internes d'organes creux à partir de séquences d'images vidéo-endoscopiques, applicable pour la localisation de lésions cancéreuses au sein de ces cavités (vessie notamment). Cette approche doit permettre aux spécialistes de mieux cibler les biopsies pour augmenter ainsi la sensibilité de la détection. Les cartes ainsi réalisées faciliteront les contrôles et compte-rendus post-opératoires. La première partie de cette thèse est consacrée aux principes physiques et instrumentaux permettant la détection des lésions précancéreuses par la technique d'imagerie multi-bande par autofluorescence. Cette technique se base sur le fait que le spectre d'autofluorescence émis par un tissu sain lors d'une excitation appropriée est différent de celui émis par un tissu cancéreux. Pour cette technique, deux images de la même zone à examiner sont acquises. Une image obtenue en faisant le rapport pixel à pixel des intensités des deux images acquises met en évidence les lésions précancéreuses. Une interface logicielle spécifique a été développée pour la commande du système opto-mécanique d'acquisition des images d'autotluorescence à deux longueurs d'onde différentes et la visualisation des images dans différents modes opératoires: en lumière blanche, d'autotluorescence et/ou composite (rapport d'intensité des images). La seconde partie de cette thèse présente la méthode développée pour la construction d'une carte de la zone examinée à partir d'une séquence d'images. Nous avons implémenté un modèle de transformation projective. Un algorithme de recalage d'image de niveaux de gris basé sur l'information mutuelle et le gradient descendant stochastique a été mis en oeuvre pour estimer les paramètres des transformations perspectives liant géométriquement les paires d'images consécutives de la séquence. Ces transformations autorisent la construction de la carte par une méthode de mosaïquage séquentiel. Des méthodes de correction des défauts des images endoscopiques (déformation de barillet, pattern de fibre de fibroscopes, etc.) et de diminution des erreurs de recalage cumulées au niveau des transformations perspectives sont également employées. Les résultats obtenus sur images tests de paroi de vessie de porc ont permis de valider la robustesse de notre méthode de recalage automatique mais avec des temps de calcul qui restent importants. La précision obtenue après correction de l'erreur accumulée est de quelques pixels. La méthode de recalage développée a également permis de proposer une procédure simplifiée de calibrage d'endoscope.