WO1999030281A1 - Procede de segmentation semi-automatique pour l'estimation de volumes tridimensionnels - Google Patents

Procede de segmentation semi-automatique pour l'estimation de volumes tridimensionnels Download PDF

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Jérôme Knoplioch
Eric Stefani
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T17/00—Three dimensional [3D] modelling, e.g. data description of 3D objects
    • G06T17/20—Finite element generation, e.g. wire-frame surface description, tesselation
    • G—PHYSICS
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
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    • G06T7/60—Analysis of geometric attributes
    • G—PHYSICS
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    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/60—Analysis of geometric attributes
    • G06T7/62—Analysis of geometric attributes of area, perimeter, diameter or volume

Definitions

  • the present invention seeks to solve the problems of the above method, by proposing a simple method, easy to use and making it possible to obtain the desired precision in a short time.
  • the method according to the invention is intended for estimating the volume of a three-dimensional object in medical imaging, an outline of the object being known by means of a plurality of photographs taken in section.
  • the method comprises the following steps: a given number of base points is defined constituting a first three-dimensional shape defined by facets whose vertices are the base points, each facet of the first shape being defined by three segments and each segment being common with two adjacent facets, the segments are divided by creating second row points adapted to the contour of the object so as to constitute a second three-dimensional shape closer to the contour of the object than the first shape, the creation of a point of second rank entailing the creation of two new facets and three new segments, - each segment is iteratively divided into adjusted sub-segments by defining third row points adapted to the outline of the object so as to constitute a third three-dimensional shape closer to the outline of the object than the second shape, the creation of a point of third rank leading to the creation of two new facets and three new segments,
  • the photographs are taken in parallel sections.
  • a plurality of shots are processed to provide a description of the three-dimensional volume.
  • each segment is divided into two.
  • the position of each second point is proposed as a function of the position of the first two adjacent points.
  • Each second point can thus be proposed according to the orientation of the normals at the first two adjacent points.
  • the segments are divided into sub-segments until the change in volume resulting from a given division is negligible. It is thus possible to choose a change in threshold volume below which the iterative division into sub-segments is stopped.
  • This volume change threshold corresponds to the desired precision of the process.
  • six first basic points are defined which are placed on the top and on the bottom, on the front and on the back, and on each lateral edge of the object.
  • a calculation of the density distribution of the object in space can be performed after the calculation of the estimated volume of the object.
  • a different weighting is given to the points in order to get as close as possible to the real contour of the object.
  • a modification of a first base point will cause a corresponding modification of all the neighboring points.
  • ALI on the contrary, a modification of a third point of the third form will not entail modification of the first and second adjacent points and may slightly modify the position of the third adjacent points. In a very flexible manner, it is thus possible to make improvements to the different shapes, leading to making them closer to the real contour of the three-dimensional object.
  • any point, including the third row, can be defined manually.
  • FIG. 1 is a perspective view of a final form according to the invention
  • Figures 2 and 3 are schematic two-dimensional views of the method according to the invention
  • Figures 4 and 5 are schematic three-dimensional views of the method according to the invention.
  • a final shape approaching a three-dimensional object consists of a plurality of facets defined by three segments, for example segments 1 to 3 defining a planar triangular surface 4.
  • the volume of the three-dimensional object is thus approached by means of triangular surfaces whose coordinates of the vertex points are known.
  • the calculation of the volume of the form can thus be carried out.
  • An operator begins by defining six points of the object, an upper point 11, a lower point 12, a left lateral point 13, a right lateral point 14, a front point 15 and a rear point not visible in FIG. 1.
  • This first form thus roughly defines the three-dimensional object, the positioning of these six basic points must be carried out precisely because on their definition depends that of the future adjacent points. To obtain a satisfactory definition, it may be necessary to check their positioning on different sections of the object.
  • an oblique view is added to the existing views, allowing orientation and centering to define additional points.
  • points whose definition does not correspond satisfactorily to an irregularity of the three-dimensional object studied, in particular a hollow or a protuberance can be modified.
  • the points adjacent to the modified points will also be modified to maintain the regularity of the defined volume, taking into account the fact that the said point belongs to the first, second or third form.
  • the displacement of a point of the first shape involves a corresponding displacement of all the adjacent points.
  • the displacement of a point of the third form does not involve the displacement of the adjacent points of the first and second forms.
  • Figures 2 and 3 show schematically, in two dimensions, the process of defining points. From a contour 20, first base points 21 to 23 are defined and make it possible to roughly define said contour 20. The line segments 24 to 26 connecting the first base points 21 to 23 are then defined. Normal 27 to 29 to these segments 24 to 26 are then calculated. Then we can define second points 30 to 32 approaching more precisely the contour 20 by moving along the normals 27 to 29. Then we define the segments 33 to 38 connecting points 21 to 23 and 30 to 32, which allows you to reproduce the previous steps, manually, semi-automatically or automatically until the desired precision is obtained.
  • Figures 4 and 5 show schematically, in three dimensions, the process of defining points.
  • Two facets 40 and 41 belonging to a contour are shown.
  • the facet 40 is limited by the base points 42, 43 and 44.
  • the facet 41 is limited by the base points 43, 44 and 45.
  • the base points 43 and 44 are therefore common to the facets 40 and 41 and define a segment 46.
  • a second order point 47 is defined below, which leads to the creation of additional facets 48 and 49 and additional segments 50 to 52.
  • the invention there is a method for estimating the volume d '' a three-dimensional object suitable for radiological imaging, easy to use because there are only a small number of points to define on the edge of the three-dimensional object, easy to control, which guarantees a good approximation of the contour, fast, because the automatic definition phase can be carried out in a few seconds and easily reproducible since it is based on the definition of a small number of points on the outline of the object.

Abstract

Procédé d'estimation et de segmentation du volume d'un objet tridimentionnel en imagerie médicale, dans lequel: on définit un nombre donné de points de base constituant une première forme tridimensionnelle définie par des facettes, chaque facette de la première forme étant définie par trois segments, on divise les segments en définissant des points de deuxième ordre adaptés au contour de l'objet de façon à constituer une deuxième forme tridimensionnelle plus proche du contour de l'objet que la première forme, chaque segment est itérativement divisé en sous-segments ajustés en définissant des points de troisième ordre adaptés au contour de l'objet de façon à constituer une troisième forme tridimensionnelle plus proche du contour de l'object que la deuxième forme, puis le volume de la troisième forme tridimensionnelle est calculé.

Description

Procédé de segmentation semi-automatique pour l'estimation de volumes tridimensionnels.
La présente invention concerne le domaine de l'estimation du volume d'un objet tridimensionnel, notamment en imagerie médicale.
Dans certaines applications d'imagerie médicale, on a besoin de connaître avec précision le volume d'objets tridimensionnels, par exemple un organe ou une partie d'organe du corps humain.
On connaît de tels procédés permettant d'approcher le volume d'un objet par la connaissance du contour de cet objet selon différentes coupes, le tracé entre les coupes étant ensuite modélisé par une pente continue. On modélisé ainsi l'objet tridimensionnel par une pluralité de volumes tronconiques de faible épaisseur. Toutefois, ce procédé oblige un opérateur à tracer le contour de l'objet, ce qui demande un travail minutieux et lent.
La présente invention cherche à résoudre les problèmes du procédé ci-dessus, en proposant un procédé simple, facile à utiliser et permettant d'obtenir la précision souhaitée en un temps bref.
Le procédé, selon l'invention, est destiné à l'estimation du volume d'un objet tridimensionnel en imagerie médicale, un contour de l'objet étant connu au moyen d'une pluralité de clichés pris en coupe. Le procédé comprend les étapes suivantes : on définit un nombre donné de points de base constituant une première forme tridimensionnelle définie par des facettes dont les sommets sont les points de base, chaque facette de la première forme étant définie par trois segments et chaque segment étant commun à deux facettes adjacentes, on divise les segments en créant des points de deuxième rang adaptés au contour de l'objet de façon à constituer une deuxième forme tridimensionnelle plus proche du contour de l'objet que la première forme, la création d'un point de deuxième rang entraînant la création de deux nouvelles facettes et de trois nouveaux segments, - chaque segment est itérativement divisé en sous-segments ajustés en définissant des points de troisième rang adaptés au contour de l'objet de façon à constituer une troisième forme tridimensionnelle plus proche du contour de l'objet que la deuxième forme, la création d'un point de troisième rang entraînant la création de deux nouvelles facettes et de trois nouveaux segments,
- puis le volume de la troisième forme tridimensionnelle est calculé.
On n'a ainsi qu'à définir des points et non pas un contour, ce qui facilite le travail.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les clichés sont pris selon des coupes parallèles.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention,une pluralité de clichés est traitée pour fournir une description du volume tridimensionnel.
Avantageusement, chaque segment est divisé en deux. Dans un mode de réalisation de l'invention, la position de chaque deuxième point est proposée en fonction de la position des deux premiers points adjacents. Chaque deuxième point peut ainsi être proposé en fonction de l'orientation des normales aux deux premiers points adjacents.
Dans un mode de réalisation de l'invention, les segments sont divisés en sous-segments jusqu'à ce que le changement de volume résultant d'une division donnée soit négligeable. On peut ainsi choisir un changement de volume seuil en dessous duquel la division itérative en sous-segments est arrêtée. Ce seuil de changement de volume correspond à la précision souhaitée du procédé. Dans un mode de réalisation de l'invention, on définit six premiers points de base qu'on dispose sur le dessus et sur le dessous, sur l'avant et sur l'arrière, et sur chaque bord latéral de l'objet.
Un calcul de répartition de la densité de l'objet dans l'espace peut être effectué postérieurement au calcul du volume estimé de l'objet. On peut modifier manuellement tout point des formes tridimensionnelles, par exemple pour l'adapter à une irrégularité du relief de l'objet tel qu'un creux ou une bosse. Une pondération différente est accordée aux points afin d'approcher au plus près le contour réel de l'objet. Une modification d'un premier point de base entraînera une modification correspondante de l'ensemble des points voisins. ALI contraire, une modification d'un troisième point de la troisième forme n'entraînera pas de modification des premier et deuxième points adjacents et pourra modifier légèrement la position des troisièmes points adjacents. De façon très souple, on peut ainsi procéder à des améliorations des différentes formes aboutissant à les rendre plus proches du contour réel de l'objet tridimensionnel.
Egalement, pour conserver une grande souplesse d'utilisation, tout point, y compris de troisième rang, peut être défini manuellement.
La présente invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre nullement limitatif et illustré par les dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'une forme finale selon l'invention; les figures 2 et 3 sont des vues schématiques en deux dimensions du procédé selon l'invention; et les figures 4 et 5 sont des vues schématiques en trois dimensions du procédé selon l'invention.
Comme on peut le voir sur la figure 1 , une forme définitive approchant un objet tridimensionnel est constituée par une pluralité de facettes définies par trois segments, par exemple les segments 1 à 3 définissant une surface triangulaire plane 4. Le volume de l'objet tridimensionnel, non représenté, est ainsi approché au moyen de surfaces triangulaires dont les coordonnées des points sommet sont connues. Le calcul du volume de la forme peut ainsi être effectué. Un opérateur commence par définir six points de l'objet, un point supérieur 1 1, un point inférieur 12, un point latéral gauche 13, un point latéral droit 14, un point avant 15 et un point arrière non visible sur la figure 1. Cette première forme définit ainsi grossièrement l'objet tridimensionnel, le positionnement de ces six points de base doit être effectué de façon précise car de leur définition dépend celle des futurs points adjacents. Pour obtenir une définition satisfaisante, il peut être nécessaire de vérifier leur positionnement sur différentes coupes de l'objet.
Après avoir défini les six premiers points, une vue oblique est ajoutée aux vues existantes, permettant par orientation et centrage de définir des points supplémentaires.
On peut alors définir les points supplémentaires à l'intersection de la normale à l'un des segments du volume de base, la normale étant calculée à partir des facettes et des points formant ce segment, et du bord de l'objet tridimensionnel étudié. Un certain nombre de deuxièmes points constituant une deuxième forme sont définis de façon manuelle ou aLitomatique. Lorsque le changement de volume résultant de la définition de deuxièmes points devient inférieur à un seuil, on peut alors poursuivre la définition de points de façon automatique en procédant à la segmentation des facettes existantes jusqu'à ce qu'une correspondance suffisante avec l'objet tridimensionnel étudié soit obtenue, en constituant ainsi une troisième forme. On peut néanmoins poursuivre la définition de points de façon manuelle.
Lorsque le volume final est défini, on peut modifier des points dont la définition ne correspond pas de façon satisfaisante à une irrégularité de l'objet tridimensionnel étudié, notamment un creux ou une protubérance. On déplace alors le point selon la normale à la facette dont fait partie le point, la normale étant calculée à partir des facettes.
Les points adjacents aux points modifiés seront également modifiés pour maintenir la régularité du volume défini en tenant compte de l'appartenance dudit point à la première, la deuxième ou la troisième forme. Le déplacement d'un point de la première forme entraîne un déplacement correspondant de tous les points adjacents. Le déplacement d'un point de la troisième forme n'entraîne pas de déplacement des points adjacents des premières et deuxièmes formes.
Les figures 2 et 3 montrent de façon schématique, en deux dimensions, le processus de définition des points. A partir d'un contour 20, des premiers points de base 21 à 23 sont définis et permettent de définir grossièrement ledit contour 20. Les segments de droite 24 à 26 reliant les premiers points de base 21 à 23 sont ensuite définis. Les normales 27 à 29 à ces segments 24 à 26 sont ensuite calculées. Puis on peut définir des deuxièmes points 30 à 32 approchant de façon plus précise le contour 20 en se déplaçant le long des normales 27 à 29. Puis on définit les segments 33 à 38 reliant les points 21 à 23 et 30 à 32, ce qui permet de reproduire les étapes précédentes, de façon manuelle, semi-automatique ou automatique jusqu'à ce que la précision souhaitée soit obtenue.
Les figures 4 et 5 montrent de façon schématique, en trois dimensions, le processus de définition des points. Deux facettes 40 et 41 appartenant à un contour sont représentées. La facette 40 est limitée par les points de base 42, 43 et 44. La facette 41 est limitée par les points de base 43, 44 et 45. Les points de base 43 et 44 sont donc communs aux facettes 40 et 41 et définissent un segment 46. On définit en suite un point de second ordre 47 ce qui entraîne la création des facettes supplémentaires 48 et 49 et des segments supplémentaires 50 à 52. Grâce à l'invention, on dispose d'un procédé d'estimation du volume d'un objet tridimensionnel adapté à l'imagerie radiologique, d'usage facile car on a seulement un faible nombre de points à définir sur le bord de l'objet tridimensionnel, aisé à contrôler, ce qui garantit d'une bonne approximation du contour, rapide, car la phase de définition automatique peut être effectuée en quelques secondes et facilement reproductible dans la mesure où il repose sur la définition d'un faible nombre de points sur le contour de l'objet.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'estimation et de segmentation du volume d'un objet tridimensionnel en imagerie médicale, un contour dudit objet étant connu au moyen d'une pluralité de clichés pris en coupe, caractérisé par les étapes suivantes : - on définit un nombre donné de points de base constituant une première forme tridimensionnelle définie par des facettes dont les sommets sont les points de base,
- chaque facette de la première forme étant définie par trois segments et chaque segment étant commun à deux facettes adjacentes, on divise les segments en créant des points de deuxième rang adaptés au contour de l'objet de façon à constituer une deuxième forme tridimensionnelle plus proche du contour de l'objet que la première forme, la création d'un point de deuxième rang entraînant la création de deux nouvelles facettes et de trois nouveaux segments, - chaque segment est itérativement divisé en sous-segments ajustés en définissant des points de troisième rang adaptés au contour de l'objet de façon à constituer une troisième forme tridimensionnelle plus proche du contour de l'objet que la deuxième forme, la création d'un point de troisième rang entraînant la création de deux nouvelles facettes et de trois nouveaux segments,
- puis le volume de la troisième forme tridimensionnelle est calculé.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que les clichés sont pris selon des coupes parallèles.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une pluralité de clichés est traitée pour fournir une description du volume tridimensionnel.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que chaque segment est divisé en deux.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la position de chaque deuxième point est proposée à l'opérateur en fonction de la position des deux premiers points adjacents .
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que la position de chaque deuxième point est proposée en fonction de l'orientation des normales aux deux premiers points adjacents.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les segments sont divisés en sous- segments jusqu'à ce que le changement de volume résultant d'une division donnée soit négligeable.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on définit six premiers points de base.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'un calcul de répartition de la densité de l'objet dans l'espace est effectué.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'on peut modifier tout point des formes tridimensionnelles.
1 1. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les points sont définis de façon manuelle.
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