Active contour segmentation in dynamic medical imaging: application to nuclear cardiology

Description

In emission imaging, nuclear medicine provides functional information about the organ of interest. In transmission imaging, it provides anatomical information whose goal may be the correction of physical phenomena that corrupt emission images. With both emission and transmission images, it is useful to know how to extract, either automatically or semiautomatically, the organs of interest and the body outline in the case of a large field of view. This is the aim of segmentation. We developed two active contour segmentation methods. They were implemented using level sets. The key point is the evolution velocity definition. First, we were interested in static transmission imaging of the thorax. The evolution velocity was heuristically defined and depended only on the acquired projections. The segmented transmission map was computed w/o reconstruction and could be advantageously used for attenuation correction. Then, we studied the segmentation of cardiac gated sequences. The developed space-time segmentation method results from the minimization of a variational criterion which takes into account the whole sequence. The computed segmentation could be used for calculating physiological parameters. As an illustration, we computed the ejection fraction. Finally, we exploited some level set properties to develop a non-rigid, non-parametric, and geometric registration method. We applied it for kinetic compensation of cardiac gated sequences. The registered images were then added together providing an image with noise characteristics similar to a cardiac static image but w/o motion-induced blurring.

Abstract (French)

En imagerie d'émission, la médecine nucléaire fournit une information fonctionnelle sur l'organe étudié. En imagerie de transmission, elle fournit une information anatomique, destinée par exemple à corriger certains facteurs de dégradation des images d'émission. Qu'il s'agisse d'une image d'émission ou de transmission, il est utile de savoir extraire de façon automatique ou semi-automatique les éléments pertinents : le ou les organes d'intérêt et le pourtour du patient lorsque le champ d'acquisition est large. Voilà le but des méthodes de segmentation. Nous avons développé deux méthodes de segmentation par contours actifs, le point crucial étant la définition de leur vitesse d'évolution. Elles ont été mises en œuvre par les ensembles de niveaux. En premier lieu, nous nous sommes intéressés à l'imagerie statique de transmission de la région thoracique. La vitesse d'évolution, définie heuristiquement, fait directement intervenir les projections acquises. La carte de transmission segmentée, obtenue ainsi sans reconstruction, doit servir à améliorer la correction de l'atténuation photonique subie par les images cardiaques d'émission. Puis nous avons étudié la segmentation des séquences cardiaques -- d'émission -- synchronisées par électrocardiogramme. La méthode de segmentation spatio-temporelle développée résulte de la minimisation d'un critère variationnel exploitant d'un bloc l'ensemble de la séquence. La segmentation obtenue doit servir au calcul de paramètres physiologiques. Nous l'avons illustré en calculant la fraction d'éjection. Pour terminer, nous avons exploité les propriétés des ensembles de niveaux afin de développer une méthode géométrique de recalage, non rigide et non paramétrique. Nous l'avons appliquée à la compensation cinétique des images des séquences cardiaques synchronisées. Les images recalées ont alors été ajoutées de sorte à produire une image dont le niveau de bruit est comparable à celui d'une image cardiaque statique sans toutefois souffrir de flou cinétique.

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