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République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعـــلــيــــم العـــال

République Algérienne Démocratique et Populaire وزارة التعـــلــيــــم العـــالـــــــي والبـــحــــــث الـعـلــمـــــــي Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifeuqi UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE d’ORAN Mohamed Boudiaf Logo du Laboratoire Faculté des Mathématiques et d’Informatique Département de l’informatique Spécialité : Informatique Option :Imagerie,Vision Artificielle et Robotique Médicale MEMOIRE Présenté par Bahraoui Zeyneb Pour l'obtention du diplôme de Magister en informatique Thème SOUTENU LE (DATE, HEURE, LIEU). Devant la commission d'examen composée de : Qualité Nom et Prénoms Grade Etb d'origine Président Mr Benyettou . A Professeur ……………….. Rapporteur Mr.Djebbar .B professeur ……………….. Examinateur Mlle. Benamrane .N Professeur. ……………….. Examinateur Mme. Belbachir professeur ……………….. Le public est cordialement invité Année universitaire : 2013/2014 La réalisation d’un système d’aide au diagnostic par analyse d’images échocardiographiques Je dédie cette thèse à mes très chers parents pour leurs soutiens et leurs sacrifices, à mes parents pour lesquels j’éprouve un grand amour et un profond respect que je tiens à leurs exprimer ici, de la manière la plus humble. Je dédie aussi ce modeste travail à mon mari sami , et à mon adorable fille Kawtar Anfel J’exprime aussi mes remerciements à toute ma famille et à mes amis pour leur soutien moral très précieux et inestimable. Je ne pourrais pas citer toutes les personnes que je voudrais remercier ici , mais j’espère qu’elles se reconnaîtront iii Remerciments Ce travail a été réalisé au sein du laboratoire de recherche en mathématiques et d’informatique de l’université des sciences et de la technologie Mohammed Boudiaf , USTO-MB . Je remercie Allah le tout puissant, qui m’a donné la force et la patience pour L’accomplissement de ce travail. Durant cette thèse, j’ai été encadré par Mr Djebbar Bachir . Sa compétence , sa grande rigueur scientifique et ses conseils judicieux m’ont été très précieux . Qu’il trouve ici l’expression de ma profonde gratitude. Je le remercie vivement de m’avoir accordé sa confiance en me permettant d’y effectuer ma thèse de magistère sur un sujet passionnant. Je le remercie également d’avoir accepté la lourde tâche de rapporteur et d’avoir consacré un temps précieux à l’examen de ce manuscrit . La qualité et la précision de ses remarques m’ont été très précieuses. Je tiens à remercier les membres du jury qui me font L’honneur de juger mon travail . Je remercie vivement Madame Nacéra Benamrane d’avoir accepté la tâche d’examiner , la précision de leurs remarques m’ont permis d’améliorer ce manuscrit . Je remercie aussi Monsieur Benyettou Abdelkader pour avoir accepté d’examiner cette thèse et de présider et participer à ce jury. Je remercie aussi Madame Belbachir pour avoir accepté d’examiner cette thèse et de participer à ce jury. Un clin d’œil à tous les collègues du laboratoire des mathématiques et d’informatique, je ne cite pas de nom, de peur d’en oublier . iii Finalement, mes remerciement vont à toute personne ayant contribué de près ou de loin à l’aboutissement de ce modeste travail . iv Remerciements III…………………………………....……………………..…iii Liste des Figures VI…………………………………………………………...vii Liste des Tableaux VIII...…………………………………………………….viii Introduction Générale……...…………………………………………………...v Chapitre I : Généralités sur l’imagerie échocardiographique……….1 I. Introduction……………………………………………………..……………2 II. Histoire de l’imagerie médicale………………………………………………..2 III . L’imagerie médicale…………………………………………………………...3 III.1 Les modalités d’imagerie médicale…………………………………………. 6 III.2 Les modalités en utilisant les rayons X……………………………………...6 III.2.1 La radiographie……………………………………………………………...6 III.2.2 La tomodensitométrie ( TDM ) …………………………………………….7 III.3 Les modalités sans utilisation des rayons X…………………………………..7 III.3.1 L’Echographie « L’imagerie ultrasonore » ……………………………...7 III.3.1.1 Définition et principe de l’échographie………………………………..8 III.3.1.2 Propriétés physiques des ultrasons……………………………………..9 III.3.1.2.1 L’amplitude de l’onde…………………………………………...….10 III.3.1.2.2 L’intensité de l’onde ………………………………………………..10 III.3.1.3 La formation de l’image ultrasonore………………………..…………11 III.3.1.3.1 La réflexion………………………………………………………...11 III.3.1.3.2 La réfraction………………………………………………………...11 III.3.1.3.3 Réflexion diffuse, dispersion………………………………………..12 III.3.1.4 Caractéristiques d’une image ultrasonore……………………………..12 III.3.1.4.1 La résolution de l’image et la réponse impulsionel………………..12 III.3.1.4.1.1 La résolution axiale………………………...................................12 III.3.1.4.1.2 La résolution angulaire…………………………………………..13 III.3.1.4.1.3 Réponse impulsionnelle d’un système d’imagerie ultrasonore….13 III.3.1.4.2 Statistiques d’ordre 1………………………………………………..13 III.3.1.4.2.1 Modèle de Rayleigh…………………………………………..….13 III.3.1.4.2.2 Modèle de Rice…………………………………………………..14 III.3.1.4.2.3 Modèle des K-distributions……………………………………...14 III.3.1.4.3 L’atténuation du signal………………………….……......................15 IV. Applications actuelles de l’ultrason dans la médecine………………………..15 V. Les avantages de l’imagerie ultrasonore………………………………….…..16 VI. Echocardiographie…………………………………………………….….…...16 iv VI.1 Définition……………………………………………………………...........16 VI.2 Anatomie et physiologie du cœur…………………………………..………17 VI.2.1 Anatomie……………………………………………………………….. 17 VI.2.2 Les vues standards du cœur en échographie…………………………….17 VII. Conclusion…………………………………………………………………..20 Chapitre II : Traitement des images médicales……………..…………..21 I. Introduction………………………………………………………………...……. 22 II. Les origines du speckle…………………………………………………………..22 II.1 La source du speckle……………………………………………………....… 22 II.2 Définition d’un speckle…………………………………………………………23 II.3 Propriétés du speckle………………………………………………………….. 23 II.3.1 Les coefficients de variation………………………………………………..24 II.3.2 Les filtres adaptatifs classiques…………………………………………….24 II.3.2.1 Le filtre de Lee…………………………………………………………25 II.3.2.2 Le filtre de Kuan……………………………………………………….26 II.3.2.3 Le filtre de Frost…………………………………………………….….26 II.3.3 Les filtres homomorphiques……………………………………………….26 III Le filtrage du speckle dans les images ultrasons………………………….…….26 III.1 Les filtres Médian…………………………………………………………….27 III.2 La déconvolution homomorphiques………………………………………….27 III.3 Composition d’images………………………………………………………..27 III.3.1 Composition spatiale……………………………………………………....27 III.3.2 Composition temporelle…………………………………………………...27 III.4 Diffusion anisotrope…………………………………………………………28 III.4.1 Le filtre de Perona et Malik……………………………………..…………28 III.5 Transformée en ondelette…………………………………………………….29 IV. La segmentation des images médicales…………………………………...……29 IV.1 Introduction………………………………………………………..………..29 IV.2 Principe de la segmentation…………………………………………………29 IV. 3 Différentes approches de la segmentation ……………………………..……30 IV.3.1 Approche région…………………………………………………………...31 IV.3.1.1 Descente pyramidale « Quadtree » …………………………………..32 IV.3.2 Approche contour………………………………………………………….33 IV.3.2.1 Espace Echelle…………………………………………………………33 IV.3.2.2 Modèles dérivatifs……………………………………………………...33 V . La segmentation dans l’image médicale…………………………………………34 V.1. Les méthodes globales……………………………………………………….35 V.1.1. Les méthodes de classification……………………………….....................35 V.1.1.1. Le seuillage……………………………………………………………..35 V.1.1.2. Classification supervisée et agrégation de pixels………………………36 V.1.2. Les méthodes structurales…………………………………………………36 V.1.2.1 La croissance de région………………………………………………...36 iv V.1.2.2 La division-fusion ( Split and Merge ) ………………………………...37 V.2.2.2.1 Segmentation par fusion de régions………………………………...38 V.2.2.2.2 Segmentation par division de régions………………………………38 V.2.2.2.3 Segmentation par fusion et division de régions……………..………38 V.2. Les méthodes locales………………………………………………………...39 V.2.1. Les méthodes dérivatives………………………………………………….39 V.2.1.1 Opérateur de Sobel et Prewitt…………………………………………..39 V.2.1.1.1 Le masque de Sobel…………………………………………………...39 V.2.1.1.2 Le masque de Prewitt…………………………………………………39 V.2.1.2 Opérateur de Roberts……………………………………………………39 V.2.1.3 Opérateur de Kirsh……………………………………………………...40 V.2.1.4 Opérateurs de second ordre……………………………………………..41 V.2.1.5 Filtrage Optimal………………………………………………………...41 V.2.2. La morphologie mathématique…………………………………………….41 V.2.2.1 Le gradient morphologique………………………………………….….42 V.2.2.2 Le chapeau haut-de –forme……………………………………………..42 V.2.2.3 Le Laplacien…………………………………………………………….42 V.2.2.4 La ligne de partage des eaux………………………………………..…..43 V.3. Les méthodes variationnelle………………………………………...……….44 VI. Conclusion………………….…………………………………………….……45 Chapitre III : Etat de l’art des méthodes de segmentation par contours actifs…………………………………………………………………….46 Partie I……………………………………………………………………………..47 I. Introduction……………………………………………………........................ 47 II. Principe de la segmentation variationnelle………………………………..……47 II.1 Définition et principe de fonctionnement des contours actifs…………...… 48 II.2 Les représentations paramétrique et implicite du contour actif……………...49 II.2.1. Une représentation paramétrique………………………………………... 49 II.2.2. Une représentation cartésienne ou implicite……………………………...50 II.3. Energies……………………………………………………………………..50 II.3.1 Calcul d’énergie………………………………………………………...…50 II.3.2 Energie interne…………………………………………………………….50 II.3.3 Energie externe « Energie de l’image »…………………………………..51 II.3.3.1 Gradient……………………...………………………………………...51 II.3.3.2 Intensité………………………………………………………………..52 II.3.3.3 Champ de flux de vecteurs gradients (GVF) ………………………….52 II.3.4. Energie de contexte………………………………………………………53 II.4 Minimisation de l’énergie……………………………………………………53 II.5 Avantages et limite des contours actifs……………………………………...54 II.5.1 Avantages…………………………………………………………………54 II.5.2 Limites ou faiblesses……………………………………………………...54 III . La méthode des B-Snake……………………………………………………..55 III.1 Les B-Spline Snake pour la segmentation d’images………………………...55 III.1.1 Interpolation des courbes par B-splines………………………………….56 III.1.1.1 Principe des Splines…………………………………………………..56 III.1.1.2 Les splines d’interpolation et d’approximation……………………….56 iv III.2. Les B-Splines………………………………………………………………57 III.3 Les B-Splines dans le contexte des Snakes………………………………….58 IV . L’algorithme Greedy (Glouton ) ……………………………………………...58 IV.1 Contour actif et l’algorithme greedy………………………………………...59 IV.2 Principe de l’algorithme……………………………………………………..59 IV.3 L’algorithme Greedy………………………………………………………...59 IV.4 Caractéristiques des algorithmes gloutons…………………………………..60 IV.5 Exemples classiques……………………………………...………………….60 IV.5.1 Les pièces de monnaie………………………………….……………….61 IV.5.2 Un raisonnement type…………………………………………...………61 Partie II…………………………………….……………………………………….62 I . Introduction…………………………………………………………….…...62 II. Travaux antécédents………………………………………………………...62 II.1 Segmentation d’images à Base de modèles déformables……………..……63 II.2 Segmentation d'images échocardiographiques acquises en "US tagging" par ensembles de niveaux contraints par a priori de mouvement………………………...65 II.3 Filtrage anisotrope robuste et segmentation par B-spline snake : application aux images échographiques……………………………………………………….…66 II.4 Ensembles de niveaux robustes au speckle et recalage B-spline: application à la segmentation et l'analyse du mouvement cardiaque par des images ultrason……..67 II.5 Une comparaison des approches de réduction du speckle dans les images échographiques médicales…………………………………………………………...69 II.6 Contours actifs implicites pour la segmentation d’images médicale………72 II.7 Comparaison de deux méthodes de segmentation par contours actifs : les snakes et les level sets pour la segmentation d’IRM de hanche……...........................75 II.8 Contours Actifs Basés Sur Trois Energies : Détection Des Cavités Cardiaques……………………………………………………………………………81 II.9 Segmentation d'images écho cardiographiques par contours actifs implicites Exploitation de descripteurs statistiques de régions………………………………….81 II.10 Robust B-Spline Snakes for Ultrasound Image Segmentation……………..83 II.11 Segmentation d’images médicales IRM par les ensembles de niveaux……85 II.12 Object Boundary Extraction Using Active B-Snake Model………………..87 III. Conclusion…………………………………………………………………89 Chapitre IV : Conception et Réalisation…………………………………90 I . Introduction……………………………………………………………..………90 II. Les filtres utilisés pour le prétraitement………………………………..………90 II.1 Le filtre moyen………………………………………………………………91 II.2 Le filtre Médian…………………………………………………...…………91 II.3 Le filtrage du Speckle………………………………………….…………….92 II.3.1 Le filtre anisotrope……………………………………………...……… .92 II.3.1.1 Le principe de Perona et Malik………………………………….…… 93 III . Segmentation par les contours actifs……………………………………...…... 94 iv III.1. Prétraitement……………………………………..…………………………. 95 III.1.1 Mesures de qualité de filtrage……………………………………………95 III.1.1.1 La mesure de PSNR ( Peak-Signal-to-Noise-Ratio )…………………96 III.1.1.2 L’erreur sur détection…………………………………………………96 III.2. Segmentation par contour actif…………..…………………………………...97 III.2.1 Segmentation par B-Spline Snake………………………………………..97 III.2.1.1 Initialisation du contour.. …………………………………..……...…99 III.2.1.2 Evolution et déformation du contour initiale …………………….....100 III.2.1.2.1 Calcul des énergies……………………………………..……..….100 III.2.1.2.2 Minimisation de la fonctionnelle d’énergie globale……………...101 III.2.1.2.3 La reconstruction de snake par l’interpolation par les B-snake cubique……………………………………………………………………………...101 IV. Segmentation par les level set……………………………………………...…101 V. L’implémentation de l’algorithme glouton « Greedy » ………………..……103 V.1 Caractéristiques des résultats des méthodes implémentées………..…….…..104 VI . Présentation et spécification de l’application ……………………….………105 VI.1 Implémentation du logiciel …………………………………………….…..105 VI.1.1 Ressources matériels……………………………………………………..106 VI.1.2 Environnement de programmation……………………………………….106 VI.2 Présentation de l’environnement et de l’interface graphique ………….…...107 VI.3 Structure de l’application……………………………..…………………….108 VI.3.1 Structure classe image……………………………………..……………..108 VI.3.2 Structure Classe Filtrage……………………………………..………..…109 VI.3.3 Classe Segmenter……………………………………………..………….109 VI.3.4 Class Opération……………………………………………..…………....110 VII . Conclusion…………………………………………………………………....110 Chapitre V : uploads/Science et Technologie/ memoire-bahraoui-zeyneb.pdf