WO2004027711A1 - Procede et dispositif de modelisation et de reconstruction des voies aeriennes d’un patient - Google Patents

Procede et dispositif de modelisation et de reconstruction des voies aeriennes d’un patient Download PDF

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WO2004027711A1
WO2004027711A1 PCT/FR2003/002793 FR0302793W WO2004027711A1 WO 2004027711 A1 WO2004027711 A1 WO 2004027711A1 FR 0302793 W FR0302793 W FR 0302793W WO 2004027711 A1 WO2004027711 A1 WO 2004027711A1
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reconstruction
airways
modeling
filtering
bronchial
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PCT/FR2003/002793
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Catalin I. Fetita
Françoise PRÉTEUX
Philippe Grenier
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Groupe Des Ecoles Des Telecommunications - Get
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    • G06T2210/41—Medical

Definitions

  • the present invention relates to the field of modeling and reconstruction of the airways of patients.
  • the present invention relates more particularly to a method and a device for modeling and reconstructing the airways of a patient from computed tomography data acquired in spiral mode.
  • Bronchography is the oldest of the diagnostic techniques for bronchial diseases. It consists of injecting a contrast medium inside the airways studied and acquiring radiological images at an appropriate incidence. Despite its ability to visualize and analyze the overall morphology of the studied part of the bronchial tree, this technique has been practically abandoned due to its highly invasive nature.
  • CT Computed tomography
  • bronchial caliber a global morphological analysis and a local analysis of the airways.
  • a global morphological analysis and a local analysis of the airways is not possible with these techniques.
  • Computed tomography offers a precise two-dimensional representation of anatomical structures, in the form of sectional images, reconstructed according to an orientation chosen by the doctor (generally in the axial plane).
  • the acquisition of the cuts is carried out either in conventional mode (acquisition cut by cut) or in spiral mode (continuous acquisition followed by a reconstruction of the cuts in the designated places).
  • Analysis of the CT data provides the best indications of bronchial calibres and their variation under the action of various stimuli. This is the main reason why CT has become the benchmark tool in the diagnosis of pulmonary diseases.
  • the radiologist does not have a global overview of the 3D morphology of the bronchi. For this he must mentally build a 3D representation from the 2D sections available on the axial sections. This process requires experience and a long prior training.
  • the 3D reconstruction ends with a growth of regions (from a nucleus specified in the trachea) which selects the 2D candidates which will ultimately be preserved.
  • the technique described has been applied only to animal CT scan data (dogs). This method of 3D reconstruction presents a major limitation (inability to afford to rebuild the bronchial network beyond the 4 th order branch), the present invention overcomes.
  • a first step detects the region of interest of the field pulmonary (ROI).
  • a second step segments the large caliber bronchi through growth of adaptive regions from the trachea.
  • the threshold involved in the growth of regions is determined as a function of a so-called “explosion” parameter (manually specified) whose role is to prevent penetration into the pulmonary parenchyma.
  • a third step detects 2D candidates (bronchial sections) on the axial sections by applying the operator
  • the present invention intends to remedy the drawbacks of the prior art by proposing a method allowing, from CT data acquired in spiral mode with a specific protocol, to automatically produce an interactive 3D representation of the bronchial tree up to 6 th or even up to the 7 th branching order, thus allowing a global and local morphological analysis from the indexed central axis of the tree.
  • the method according to the invention is of the type described above and it is remarkable, in its widest meaning, in that it successively includes:
  • the step of formatting the data preferably includes a windowing allowing the visualization of the pulmonary parenchyma tissues, as well as possibly, a filtering step.
  • the step of extracting the bronchial tree preferably comprises a step of morphological filtering in three dimensions of the pulmonary volume in gray levels V g , then a step of reconstruction in three dimensions by the technique of growths.
  • the filtering is preferably carried out iteratively according to the following function:
  • F n '(x) max (F n " l (x), min F n ' (y), Vx esupp V y ⁇ x)
  • X is the set of horizontal walls of the volume V g
  • Y is l the set of vertical walls of volume V g
  • O ⁇ is an extensive operator such that (0êtV g - V g ) (x) ⁇ h, for all x belonging to a spatial area of almost homogeneous texture and extent spatial greater than n in the axial plane, h being a low value threshold, between 0 and 25, and
  • ⁇ denotes the Minko ski addition, i denotes the current iteration and ⁇ - (x) denotes the three-dimensional causal neighborhood of x with respect to the scanning direction, the number of iterations required N being given by the condition of idempotency: F n N (x) & up V g .
  • O n is preferably given by:
  • the 3D morphological filtering is preferably carried out as follows:
  • the filtering result is a subset of the bronchial lumen, denoted by A 0 .
  • an indexing of the bronchial tree is also preferably carried out, as well as an extraction of the central axis.
  • the method according to the invention makes it possible to model and reconstruct the airways of a patient from CT data acquired in spiral mode, regardless of the scanner used.
  • representation in bronchographic mode and virtual CT are possible.
  • the present invention also relates to a device for modeling and reconstruction of the airways allowing the implementation of the method according to the invention, said device comprising at least:
  • FIG. 1 illustrates a general diagram of
  • FIG. 2 illustrates a step of formatting the data
  • Figure 3 illustrates a step of extracting the bronchial tree
  • Figure 4 illustrates a 3D morphological filtering
  • Figure 5 illustrates a 3D reconstruction by the growth technique
  • Figure 6 illustrates an example of interactive 3D representation and investigation using the method according to the invention.
  • the process according to the invention is a process for modeling and reconstructing the airways of a patient from tomodensito etric data acquired in spiral mode.
  • the method according to the invention is based on a software system which receives as input volumetric computed tomography (CT) data acquired in spiral mode with a fine collimation (from 1 to 2 mm) and a helix pitch of 1 to 2, and provides to output an interactive 3D representation of the proximal bronchial tree (up to 7 th order branch).
  • CT computed tomography
  • the system has three main modules, as illustrated in Figure 1, which will be detailed below:
  • the data reading and formatting module collects the volume data at the output of the scanner (either in the form of a series of 2D sections, or in the form of a 3D volume) and transforms them into a volume in grayscale, denoted V g , including the complete pulmonary field over the entire length of the acquisition, as illustrated in FIG. 2.
  • This conversion includes a filtering step (for scanners operating in filtered retroprojection reconstruction mode) and a windowing allowing visualization of the tissues of the pulmonary parenchyma.
  • the filter adjustable directly on the scanner console, is chosen from those offered by the manufacturer of the acquisition console, in a low-medium frequency range.
  • the display window presents, for example parameters between:
  • HU Hounsfield Units
  • the 3D bronchial tree extraction module starts from the pulmonary volume V g to allow to isolate the network of bronchial lights (the regions of air circulation inside the bronchial tree), noted Aw on Figure 3.
  • the module is composed of two sub-modules which successively perform 3D morphological filtering and 3D reconstruction using growth techniques.
  • the objective of 3D morphological filtering is to isolate a maximum subset of the bronchial lights capable of reconstructing the complete set of airways by 3D growth. Filtering is done iteratively, using an operator defined below:
  • YCV g C ⁇ t 3 be the set of vertical walls (the boundary surfaces in coronal and sagittal plane) of volume V g .
  • XCV g C 2ft 3 be the set of horizontal walls (the boundary surfaces in axial plane) of volume V g .
  • O n Ut ⁇ ÎR be an extensive operator, O n f ⁇ f, f ⁇ t 3 ⁇ Î, such that (O ⁇ V g - V g ) (x) ⁇ h, for all x belonging to a spatial texture area quasi-homogeneous and of spatial extent greater than n in the axial plane.
  • h is a low value threshold, between 0 and 25.
  • O n (non-unique) is given by:
  • B n is a 2D (non) causal structuring element defined in the axial plane by:
  • the iterative filter F n is defined recursively as follows:
  • F n '(x) max (F n ' ⁇ l (x), F n '(y), Vx Gsupp V, ye ⁇ ( ⁇ ) where i denotes the current iteration and ⁇ () the 3D causal neighborhood of x with respect to the scanning direction.
  • the 3D morphological filtering is carried out as follows (see Figure 4):
  • V 2 as a function of the histogram of values from 0 to 50;
  • the filtering result is a subset of the bronchial lumen, denoted by A 0 .
  • the bronchial tree A w is reconstructed by a growth process controlled by appropriate potential functions, defined according to the 3D neighborhood configuration and of the original 3D "relief" V g .
  • the set A 0 can grow by occupying a free point x in its vicinity, if the change of state of point x leads to an increase in the associated potential function U (x).
  • the implementation of the reconstruction scheme can envisage several modules, each defining its own potential function (see Figure 5). These modules can be interchanged, added or removed (provided that keep at least one of them), with more or less significant repercussions on the result of the reconstruction.
  • the interactive representation and investigation module offers an interactive representation and manipulation of the reconstructed bronchial tree.
  • the tools provided and the different types of outputs are illustrated in Figure 6.
  • the binary 3D tree A w and the lung volume in gray levels V g constitute the inputs of this module.
  • the method according to the invention thus makes it possible to carry out several types of representations: • representation in virtual bronchographic mode CT using the volume rendering technique applied to the set of intersection between the unitary 3D dilation of the tree Binary 3D A influenceand lung volume in gray levels V g , • surface or wireframe representation using a classic surface rendering technique,

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Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes d’un patient à partir de données tomodensitométriques acquises en mode spiralé, caractérisé en ce qu’il comprend successivement : une étape de mise en forme desdites données afin d’obtenir un volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, une étage d’extraction de l’arbre bronchique à partir dudit volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, afin d’obtenir un arbre binaire en trois dimension, et une étape finale de représentation de l’arbre bronchique, afin de permettre de naviguer dans lesdites voies aériennes. La présente invention se rapporte également à un dispositif de modélisation et de reconstruction des voies aériennes permettant la mise en oeuvre du procédé selon l’invention.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MODELISATION ET DE RECONSTRUCTION DES VOIES AERIENNES D'UN PATIENT
La présente invention se rapporte au domaine de la modélisation et de la reconstruction des voies aériennes de patients.
La présente invention se rapporte plus particulièrement à un procédé et un dispositif de modélisation et de reconstruction des voies aériennes d'un patient à partir de données tomodensitométriques acquises en mode spirale.
Dans un contexte clinique général d'investigation des voies respiratoires, le médecin dispose aujourd'hui de trois grandes approches : la bronchographie, les explorations fonctionnelles respiratoires et la tomodensitométrie.
La bronchographie est la plus ancienne des techniques de diagnostic des maladies bronchiques. Elle consiste en l'injection d'un produit de contraste à l'intérieur des voies aériennes étudiées et en l'acquisition de clichés radiologiques sous une incidence appropriée. En dépit de sa capacité à visualiser et à analyser la morphologie globale de la partie étudiée de l'arbre bronchique, cette technique a été pratiquement abandonnée en raison de son caractère hautement invasif.
Les explorations fonctionnelles respiratoires sont les méthodes traditionnelles employées dans le diagnostic des maladies respiratoires. Elles reposent sur une estimation globale des modifications de calibre bronchique suite à l'administration de différents stimuli, en mesurant des paramètres tels que le débit d'air et la pression. A partir de ces mesures, des indices globaux sur les calibres bronchiques peuvent être obtenus. Toutefois, une analyse morphologique globale et une analyse locale des voies aériennes n'est pas possible avec ces techniques. La tomodensitométrie (TDM) offre une représentation bidimensionnelle précise des structures anatomiques, sous forme d'images en coupe, reconstruites selon une orientation choisie par le médecin (généralement dans le plan axial). L'acquisition des coupes s'effectue soit en mode conventionnel (acquisition coupe par coupe) soit en mode spirale (acquisition continue suivie par une reconstruction des coupes aux endroits désignés). L'analyse des données TDM fournit les meilleures indications sur les calibres bronchiques et leur variation sous l'action de divers stimuli. C'est la raison principale pour laquelle la TDM est devenue l'outil de référence dans le diagnostic des maladies pulmonaires .
Toutefois, en routine clinique, plusieurs problèmes sont à noter :
• Le radiologue ne dispose pas d'un aperçu global de la morphologie 3D des bronches. Pour cela il doit construire mentalement une représentation 3D à partir des sections 2D disponibles sur les coupes axiales. Ce processus demande de l'expérience et un long entraînement préalable.
• La visualisation de certaines configurations (distorsions, ...) est parfois très difficile sur les seules coupes axiales.
• Une analyse complète de la morphologie des bronches nécessite l'exploration d'un nombre élevé de coupes axiales (pouvant aller jusqu'à 300 voire 400 images par patient). • La communication entre le radiologue et le chirurgien amené à pratiquer une intervention sur les voies respiratoires souffre de l'absence d'une modalité unificatrice de repérage spatial 3D.
• L'évaluation des calibres bronchiques reste fastidieuse pour une application en routine clinique et elle est limitée aux seules sections bronchiques dont l'axe est orthogonal au plan de coupe .
Pour résoudre ces différents problèmes, il est nécessaire de disposer d'une reconstruction 3D performante de l'arbre bronchique, ainsi que d'un mécanisme adéquat de visualisation, navigation et interaction avec les données 3D. Les techniques actuelles de reconstruction 3D reposent principalement sur deux approches :
- l'approche 2D/3D consistant en une segmentation coupe par coupe des sections bronchiques suivie par une restauration de l'ensemble 3D, et - l'approche 3D utilisant des données de volume et reposant en général sur des méthodes de croissance de régions à partir d'un noyau sélectionné de manière automatique ou semi automatique.
L'inconvénient majeur de ces techniques réside dans leur incapacité à permettre de reconstruire le réseau bronchique au-delà du 4eme ordre d'embranchement.
L'art antérieur connaît par l'article « Segmentation of 3D pulmonary trees using mathematical morphology » de Pisupatti et al, une méthode de reconstruction 3D. Cette méthode effectue une segmentation 2D, coupe par coupe, des possibles sections de voies aériennes (appelées « candidats ») dans chaque coupe TDM, puis réunit une partie de ces candidats pour former l'ensemble 3D reconstruit des voies aériennes. La segmentation 2D utilise l'opérateur morphologique de « reconstruction en niveaux de gris » qui emploie progressivement des éléments structurants (disques) de taille croissante, afin de sélectionner les bronches de petit calibre et faiblement contrastées par rapport à leur paroi. Les « candidats 2D » de chaque coupe axiale résultent du seuillage de la différence entre la coupe originale et la coupe filtrée par l'opérateur morphologique. La reconstruction 3D s'achève par une croissance de régions (à partir d'un noyau spécifié dans la trachée) qui sélectionne les candidats 2D qui seront finalement conservés. La technique décrite a été appliquée uniquement à des données scanographiques (TDM) animales (chiens). Cette méthode de reconstruction 3D présente une limitation majeure (incapacité à permettre de reconstruire le réseau bronchique au-delà du 4ème ordre d'embranchement) que la présente invention permet de surmonter.
L'art antérieur connaît également, par la publication « 3D human airway segmentation for virtual bronchoscopy » de Kiraly A P et al, une méthode de reconstruction 3D des voies aériennes à partir de séries d'images TDM. Il s'agit d'une méthode de type 2D/3D, légèrement modifiée par rapport à celle proposée par Pisupatti et al , ayant pour but d'augmenter la vitesse de segmentation des « candidats 2D » dans chaque coupe axiale, en limitant l'application de l'opérateur morphologique de « reconstruction en niveaux de gris » à une région d'intérêt concernant uniquement le champ pulmonaire.
La méthode présentée est très différente de la présente invention pour les raisons suivantes :
• méthodologie de reconstruction 3D utilisée (de type 2D/3D) totalement différente et présentant des limitations surmontées par le procédé selon la présente invention ; • la technique de reconstruction 3D n'est pas complètement automatique ;
• les opérateurs impliqués et les opérations de calcul sont complètement différents de ceux de la présente invention. Ainsi, dans l'article, une première étape détecte la région d'intérêt du champ pulmonaire (ROI). Une deuxième étape segmente les bronches de grand calibre à travers une croissance de régions adaptative à partir de la trachée. Le seuil impliqué dans la croissance de régions est déterminé en fonction d'un paramètre dit « d'explosion » (spécifié manuellement) ayant pour rôle d'empêcher la pénétration dans le parenchyme pulmonaire. Une troisième étape effectue la détection de candidats 2D (sections bronchiques) sur les coupes axiales en appliquant l'opérateur de
« reconstruction en niveaux de gris » et le seuillage aux seules régions du champ pulmonaire (ROI) précédemment détectées. La reconstruction 3D est achevée de la même manière que dans la technique de Pisupatti et al . ;
• les résultats obtenus (en terme de précision de reconstruction) sont largement inférieurs à ceux obtenus avec le procédé selon la présente invention
. • la méthode décrite ne présente pas de robustesse vis-à-vis de pathologies telles que les sténoses .
L ' art antérieur connaît également , par le brevet américain US 6 083 162 ( Vining David J ) , une méthode générale et interactive de segmentation 3D d ' organes anatomiques à partir d ' images TDM en utilisant la technique de croissance de régions . L ' invention décrite dans ce brevet américain est différente de la présente invention pour les raisons suivantes : • la méthodologie de reconstruction 3D n ' est pas adaptée aux voies aériennes et la segmentation est secondaire par rapport aux techniques de représentation 3D ; • la méthodologie de reconstruction 3D utilisée est simpliste et complètement différente de celle de la présente invention ;
• la segmentation n'est pas automatique (elle est « interactive » ) ;
• la qualité des reconstructions 3D produites est très mauvaise ( cf. Fig. 15) ;
• la méthode de ce brevet américain ne présente pas de robustesse par rapport à l'acquisition de données et aux diverses pathologies.
L'art antérieur connaît également, par la publication « Quantative CT bronchography » de Fetita C I et al, une méthode de reconstruction 3D classique. Cet article se concentre sur une méthode de représentation et d'extraction de l'axe central à des fins de navigation et interaction 3D. La technique de reconstruction 3D de cet article présente certaines limitations de précision (l'ordre bronchique maximal atteint est de 6) et de robustesse vis-à-vis du type de scanner utilisé à l'acquisition. Enfin, le schéma de reconstruction de cet article est très différent de celui de la présente invention.
La présente invention entend remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant un procédé permettant, à partir de données TDM acquises en mode spirale avec un protocole spécifique, de produire de manière automatique une représentation 3D interactive de l'arbre bronchique jusqu'au 6ème voire jusqu'au 7ème ordre d'embranchement, permettant ainsi une analyse morphologique globale et locale à partir de l'axe central indexé de l'arbre.
Pour ce faire, le procédé selon l'invention est du type décrit ci-dessus et il est remarquable, dans son acception la plus large , en ce qu ' il comprend successivement :
• une étape de mise en forme desdites données afin d ' obtenir un volume pulmonaire en niveaux de gris Vg,
• une étape d'extraction de l'arbre bronchique à partir dudit volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, afin d'obtenir un arbre binaire en trois dimension, et • une étape finale de représentation de l'arbre bronchique, afin de permettre de naviguer dans lesdites voies aériennes.
L'étape de mise en forme des données comporte de préférence un fenêtrage permettant la visualisation des tissus parenchyme pulmonaire, ainsi qu'éventuellement, une étape de filtrage.
L'étape d'extraction de l'arbre bronchique comporte de préférence une étape de filtrage morphologique en trois dimensions du volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, puis une étape de reconstruction en trois dimensions par la technique des croissances.
Le filtrage est de préférence opéré de manière itérative selon la fonction suivante :
Fn°(x) pp Vg - (Y[JX)
Figure imgf000009_0001
pour l ' étape d ' initialisation et
Fn'(x) = max(Fn"l(x), min Fn'(y), Vx esupp V y≡ϋ x) où X est l'ensemble des parois horizontales du volume Vg, Y est l'ensemble des parois verticales du volume Vg et Oπ est un opérateur extensif tel que ( 0„Vg — Vg) (x) < h , pour tout x appartenant à une zone spatiale de texture quasi- homogène et d'étendue spatiale supérieure à n dans le plan axial, h étant un seuil de faible valeur, compris entre 0 et 25, et où θ désigne l'addition Minko ski, i désigne l'itération courante et ϋ-(x) désigne le voisinage causal en trois dimensions de x par rapport à la direction de balayage, le nombre d'itérations nécessaires N étant donné par la condition d'idempotence : Fn N(x) =
Figure imgf000010_0001
&up Vg .
On est de préférence donné par :
0„f = mm(f ® Bn,f ® Bn) ,
où B„ est un élément structurant en deux dimensions défini dans le plan axial par :
Bn = \ U (i,0)l U Li-ÏU0,n](0,0JU .gUθ,n](ι,0J,
et où B„ est son symétrique par rapport à l'origine et ©l'addition Minkowski.
Le filtrage morphologique 3D s'effectue de préférence de la manière suivante :
1)- Détection automatique de la section axiale de la trachée et de son diamètre Dτ ;
2)- Filtrage itératif de Vg avec le filtre Fp, où p « Dτ ; 3)- Filtrage itératif de Vg ou de V. avec le filtre Fg, où ςr=Dτ ;
4)- Seuillage adaptatif de la différence V2-Vj en fonction de l'histogramme des valeurs de 0 à 50 ; et
5)- Dilatation morphologique en trois dimensions sous contrainte de positivité du gradient local. Le résultat du filtrage est un sous-ensemble de la lumière bronchique, noté par A0.
Dans le procédé selon l'invention, on opère en outre de préférence une indexation de l'arbre bronchique, ainsi qu'une extraction de l'axe central.
Avantageusement, le procédé selon l'invention permet de modéliser et de reconstruire les voies aériennes d'un patient à partir de données tomodensitométriques acquises en mode spirale, quel que soit le scanner utilisé.
Avantageusement également, plusieurs types de représentations sont possibles : • représentation en mode bronchographi e TDM virtuelle,
• représentation surfacique ou en fil de fer, ou encore
• représentation indexée (avec délimitation des segments anatomiques).
L'ensemble de ces représentations forme ce qu'on appelle un arbre bronchique interactif qui offre la possibilité d'une navigation complexe endo- et exo-luminale, une analyse tant globale que locale avec des mesures de calibre bronchique.
En outre, à partir d'informations morphométriques stockées dans l'axe central indexé, la synthèse de modèles de voies aériennes adaptés au patient est également possible.
La présente invention se rapporte également à un dispositif de modélisation et de reconstruction des voies aériennes permettant la mise en œuvre du procédé selon l'invention, ledit dispositif comportant au moins :
• un module de mise en forme desdites données afin d'obtenir un volume pulmonaire en niveaux de gris Vg,
• un module d'extraction de l'arbre bronchique à partir dudit volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, afin d'obtenir un arbre binaire en trois dimension, et
• un module de représentation de l'arbre bronchique, afin de permettre de naviguer dans lesdites voies aériennes . On comprendra mieux l ' invention à l ' aide de la description, faite ci-après à titre purement explicatif , d ' un mode de réalisation de l ' invention, en référence aux figures annexées : • la figure 1 illustre un schéma général de
1 ' invention ;
• la figure 2 illustre une étape de mise en forme des données ;
• la figure 3 illustre une étape d'extraction de l'arbre bronchique ;
• la figure 4 illustre un filtrage morphologique 3D ;
• la figure 5 illustre une reconstruction 3D par la technique de croissance ; et • la figure 6 illustre un exemple de représentation et d'investigation 3D interactive grâce au procédé selon l'invention.
Le procédé selon l'invention, illustré figure 1, est un procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes d'un patient à partir de données tomodensito étriques acquises en mode spirale.
Le procédé selon l'invention repose sur un système logiciel qui reçoit en entrée des données tomodensitométriques (TDM) volumiques acquises en mode spirale avec une collimation fine (de 1 à 2 mm) et un pas d'hélice de 1 à 2 , et fournit à la sortie une représentation 3D interactive de l'arbre bronchique proximal (jusqu'au 7eme ordre d'embranchement).
Le système comporte trois modules principaux, comme illustré figure 1, qui seront détaillés par la suite :
• un module de lecture et mise en forme des données pour la mise en œuvre de l'étape de lecture et de mise en forme des données ; • un module d'extraction de l'arbre bronchique 3D pour la mise en œuvre de l'étape d'extraction de l'arbre bronchique 3D ; et
• un module de représentation et investigation 3D interactive pour la mise en œuvre de l'étape de représentation et investigation 3D interactive.
Le module de lecture et de mise en forme des données récupère les données volumiques à la sortie du scanner ( se présentant soit sous forme d'une série de coupes 2D, soit sous forme d'un volume 3D) et les transforme en un volume en niveaux de gris, noté Vg, incluant le champ pulmonaire complet sur toute la longueur de l'acquisition, comme illustré figure 2. Cette conversion inclut une étape de filtrage (pour les scanners fonctionnant en mode de reconstruction rétroprojection filtrée) et un fenêtrage permettant la visualisation des tissus de la parenchyme pulmonaire. Le filtre, réglable directement sur la console du scanner, est choisi parmi ceux proposé par le constructeur de la console d'acquisition, dans une plage basse-moyenne fréquence. La fenêtre de visualisation présente, par exemple des paramètres compris entre :
—600 à —200 Unités Hounsfield (UH) pour le centre de la fenêtre, et - 1200 à 2000 UH pour la largeur de la fenêtre.
Le module d'extraction de l'arbre bronchique 3D part du volume pulmonaire Vg pour permettre d'isoler le réseau des lumières bronchiques (les régions de circulation de l'air à l'intérieur de l'arbre bronchique), noté Aw sur la figure 3. Le module est composé de deux sous-modules qui effectuent successivement un filtrage morphologique 3D et une reconstruction 3D par les techniques de croissance. Le filtrage morphologique 3D a pour objectif l'isolement d'un sous-ensemble maximal des lumières bronchiques capable de reconstituer par croissance 3D l'ensemble complet des voies aériennes. Le filtrage s'effectue de manière itérative, en utilisant un opérateur définit ci-après :
Soit Y C Vg C ïït 3 l'ensemble des parois verticales (les surfaces de frontière en plan coronal et sagittal) du volume Vg. Soit X C Vg C 2ft 3 l'ensemble des parois horizontales (les surfaces de frontière en plan axial) du volume Vg.
Soit On : Ut → ÎR un opérateur extensif, Onf ≥ f, f ïït 3 → Î , tel que ( OπVg — Vg) (x) < h, pour tout x appartenant à une zone spatiale de texture quasi-homogène et d'étendue spatiale supérieure à n dans le plan axial. Ici h est un seuil de faible valeur, comprise entre 0 et 25. Un choix possible de On (non-unique) est donné par :
Onf = m (f ®Bn,f ®Bn) ,
où Bn est un élément structurant 2D (non-)causal défini dans le plan axial par :
Bn
Figure imgf000014_0001
2?„ son symétrique par rapport à l ' origine et © l ' addition Minkowski.
Le filtre itératif Fn est défini de manière récursive comme suit :
Figure imgf000014_0002
pour l'étape d'initialisation et
Fn'(x) = max(Fn'~l(x), Fn'(y), Vx Gsupp V , yeϋ(χ) où i désigne l'itération courante et θ( ) le voisinage causal 3D de x par rapport à la direction de balayage. Le nombre d'itérations nécessaires N est donné par la condition d ' idempotence : Fn N(x) = Fn N+l(x),\/x Esupp Vg .
Le filtrage morphologique 3D s'effectue de la manière suivante (cf. figure 4) :
1 ) Détection automatique de la section axiale de la trachée et de son diamètre Dτ ; 2 ) Filtrage itératif de Vg avec le filtre
Fp, où p « Dτ. Généralement, p=l ou p=2. Le résultat est stocké dans V2 ;
3 ) Filtrage itératif de Vg ou de Vx avec le filtre Fq, où qr=Dτ. Le résultat est stocké dans V2 ; 4) Seuillage adaptatif de la différence V2-
V2 en fonction de l'histogramme des valeurs de 0 à 50 ;
5 ) Dilatation morphologique 3D sous contrainte de positivité du gradient local. Le résultat du filtrage est un sous-ensemble de la lumière bronchique, noté par A0.
Pour la reconstruction 3D par les techniques de croissance, à partir du sous-ensemble A0, l'arbre bronchique Aw est reconstruit par un processus de croissance contrôlé par des fonctions de potentiel appropriées, définies en fonctions de la configuration de voisinage 3D et du "relief" 3D original Vg.
De manière générale, l'ensemble A0 peut croître en occupant un point libre x de son voisinage, si le changement d'état du point x conduit à l'augmentation de la fonction de potentiel associée U(x) .
L ' implémentation du schéma de reconstruction peut envisager plusieurs modules, chacun définissant sa propre fonction de potentiel (cf. figure 5). Ces modules peuvent être interchangés, rajoutés ou enlevés (à condition de conserver au minimum un d'entre eux), avec des répercussions plus ou moins importantes sur le résultat de la reconstruction.
La fonction de potentiel d'un module s'écrit sous la forme d'une somme de trois potentiels :
U(x) ≈ Uvois(x) + Udens(x) + Uslop(x) , où Uvois est un potentiel qui exploite la topologie du voisinage et des cliques définis, [7dena désigne un potentiel qui prend en compte l'information de densité tissulaire (texture) et
Ustop un potentiel qui limite la croissance en spécifiant des conditions d'arrêt.
Le module de représentation et investigation interactive offre une représentation et une manipulation interactive de l'arbre bronchique reconstruit. Les outils fournis et les différents types de sorties sont illustrés figure 6. L'arbre 3D binaire Aw et le volume pulmonaire en niveaux de gris Vg constituent les entrées de ce module.
Le procédé selon l'invention permet ainsi de réaliser plusieurs types de représentations : • représentation en mode bronchographi e TDM virt uel l e à travers une technique de rendu de volume appliquée à l'ensemble d'intersection entre la dilatation 3D unitaire de l'arbre 3D binaire A„ et du volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, • représentation surfacique ou en fil de fer à travers une technique classique de rendu de surface,
• représentation indexée (avec délimitation des segments anatomiques), soit sous forme d'axe central soit sous forme d'arbre 3D indexé. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple. Il est entendu que l'homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l'invention sans pour autant sortir du cadre du brevet.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes d'un patient à partir de données tomodensitométriques acquises en mode spirale, caractérisé en ce qu'il comprend successivement :
• une étape de mise en forme desdites données afin d'obtenir un volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, • une étape d'extraction de l'arbre bronchique à partir dudit volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, afin d'obtenir un arbre binaire en trois dimension, et
• une étape finale de représentation de l'arbre bronchique, afin de permettre de naviguer dans lesdites voies aériennes.
2 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite étape de mise en forme des données comporte un fenêtrage, ainsi qu'éventuellement, une étape de filtrage.
3 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que ladite étape d'extraction de l'arbre bronchique comporte une étape de filtrage morphologique en trois dimensions du volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, puis une étape de reconstruction en trois dimensions par la technique des croissances.
4 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit filtrage est opéré de manière itérative selon la fonction suivante :
Figure imgf000019_0001
pour l'étape d'initialisation et Fn'(x) = max(Fn'-l(x), min Fn'(y), \fx Ssupp Vg où X est l'ensemble des parois horizontales du volume Vg, Y est l'ensemble des parois verticales du volume Vg et Oπ est un opérateur extensif tel que ( OnVg — Vg) (x) < h , pour tout x appartenant à une zone spatiale de texture quasi- homogène et d'étendue spatiale supérieure à n dans le plan axial, h étant un seuil de faible valeur, compris entre 0 et 25, et où © désigne l'addition Minkowski, i désigne l'itération courante et (x) désigne le voisinage causal en trois dimensions de x par rapport à la direction de balayage, le nombre d'itérations nécessaires N étant donné par la condition d' idempotence : Fn N(x) = Fn N+l(x), Vx E:supp Vg .
5 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon la revendication 4, caractérisé en ce que On est donné par : Onf = mm(f @ Bn,f ® Bn) ,
où Bn est un élément structurant en deux dimensions défini dans le plan axial par :
Figure imgf000019_0002
et où B„ est son symétrique par rapport à l'origine et ©l'addition Minkowski.
6 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que le filtrage morphologique 3D s'effectue de la manière suivante : 1)- Détection automatique de la section axiale de la trachée et de son diamètre Dτ ;
2)- Filtrage itératif de Vg avec le filtre Fp, où p « Dτ ; 3)- Filtrage itératif de Vg ou de Vx avec le filtre Fq, où g=Dτ ;
4)- Seuillage adaptatif de la différence V2-V1 en fonction de l'histogramme des valeurs de 0 à 50 ; et 5)- Dilatation morphologique en trois dimensions sous contrainte de positivité du gradient local. Le résultat du filtrage est un sous-ensemble de la lumière bronchique, noté par A0.
7 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on opère en outre une indexation de l'arbre bronchique.
8 ) Procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'on opère en outre une extraction de l'axe central.
9 ) Dispositif de modélisation et de reconstruction des voies aériennes permettant la mise en œuvre du procédé de modélisation et de reconstruction des voies aériennes selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte au moins : • un module de mise en forme desdites données afin d'obtenir un volume pulmonaire en niveaux de gris Vg,
• un module d'extraction de l'arbre bronchique à partir dudit volume pulmonaire en niveaux de gris Vg, afin d'obtenir un arbre binaire en trois dimension, et
• un module de représentation de l'arbre bronchique, afin de permettre de naviguer dans lesdites voies aériennes.
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