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Université de Caen / Basse-Normandie U.F.R. de Sciences École doctorale Structu

Université de Caen / Basse-Normandie U.F.R. de Sciences École doctorale Structure, Information, Matière et Matériaux Thèse présentée par François Angot en vue de l’obtention du Doctorat de l’Université de Caen Spécialité : Traitement du signal et des images (arrêté du 30 mars 1992) Segmentation d’images 2D et 3D ; application à la quantification d’images histologiques et cytologiques obtenues par microscopie soutenue le 2 février 1999 devant le jury composé de M. Philippe Bolon Rapporteur M. Abderrahim Elmoataz Examinateur Mme Sylvie Philipp Rapporteur Mme Marinette Revenu Directeur de thèse M. François Sichel Examinateur Groupe de recherches en informatique, image et instrumentation de Caen GREYC – UPRESA CNRS 6072 Institut des sciences de la matière et du rayonnement ISMRA de Caen Université de Caen / Basse-Normandie U.F.R. de Sciences École doctorale Structure, Information, Matière et Matériaux Thèse présentée par François Angot en vue de l’obtention du Doctorat de l’Université de Caen Spécialité : Traitement du signal et des images (arrêté du 30 mars 1992) Segmentation d’images 2D et 3D ; application à la quantification d’images histologiques et cytologiques obtenues par microscopie soutenue le 2 février 1999 devant le jury composé de M. Philippe Bolon Rapporteur M. Abderrahim Elmoataz Examinateur Mme Sylvie Philipp Rapporteur Mme Marinette Revenu Directeur de thèse M. François Sichel Examinateur Groupe de recherches en informatique, image et instrumentation de Caen GREYC – UPRESA CNRS 6072 Institut des sciences de la matière et du rayonnement ISMRA de Caen Remerciements à Marinette Revenu, Professeur à l’ISMRA de Caen, pour m’avoir accueilli au sein de son équipe et pour avoir dirigé et encadré cette thèse, à Abderrahim Elmoataz, Maître de Conférences à l’Université de Caen, pour le co-encadrement de cette thèse et pour ses nombreuses idées sur le traitement des images, à Sylvie Philipp, Professeur à l’ENSEA de Cergy-Pontoise, et Philippe Bolon, Professeur à l’Université de Savoie, pour m’avoir fait l’honneur de juger mon mémoire, à François Sichel, Professeur à l’Université de Caen, pour ses conseils et pour avoir jugé mon travail, à Daniel Bloyet, pour m’avoir donné l’opportunité d’effectuer cette thèse dans le cadre du pôle Traitement et Analyse d’Images de Basse-Normandie, à Paulette Herlin, pour ses conseils dans les domaines de la microscopie et de la biologie, à Régis Clouard, pour son aide précieuse dans l’approche des problèmes, à Michel Desvignes, pour l’environnement de travail qu’il s’évertue à nous procurer, à Daniel Carré, pour m’avoir montré l’exemple dans ma découverte de l’enseignement, à Christine, Hubert, Remy, Pierre, Su, pour leur approche de l’enseignement et de la recherche, à Valérie, pour son soutien et sa solidarité durant ces années de travail, à Alexandre, Bruno, Christophe, Cyril, Jalal, Nicolas, Nicolas, Sébastien, Serge, Sophie, pour l’ambiance qu’ils apportent dans l’équipe, à ma famille, pour sa confiance. Table des matières Table des matières Introduction.....................................................................................................................................................1 1. La troisième dimension dans le contexte du pôle TAI de Basse-Normandie.........................................4 2. De l’acquisition à l’analyse des images..............................................................................................5 Chapitre I : Microscopie confocale .................................................................................................................7 I.1. Principe de la microscopie confocale de fluorescence.........................................................................9 I.1.1. Genèse de la microscopie confocale........................................................................................9 I.1.2. Microscope confocal à balayage laser ...................................................................................11 I.1.3. Microscopie de fluorescence.................................................................................................12 I.2. Matériel utilisé................................................................................................................................16 I.2.1. Caractéristiques des objectifs................................................................................................16 I.2.1.1. Grandissement ................................................................................................................16 I.2.1.2. Milieu d’immersion.........................................................................................................16 I.2.1.3. Ouverture numérique ......................................................................................................16 I.2.1.4. Transmittance .................................................................................................................16 I.2.1.5. Corrections .....................................................................................................................17 I.2.1.6. Distance frontale.............................................................................................................17 I.2.1.7. Universalité ....................................................................................................................17 I.2.2. Le microscope confocal du pôle TAI ....................................................................................17 I.2.2.1. Microscope .....................................................................................................................18 I.2.2.2. Objectifs .........................................................................................................................18 I.2.2.3. Ordinateur.......................................................................................................................18 I.2.2.4. Logiciel de commande ....................................................................................................19 I.3. Acquisition des images....................................................................................................................20 I.3.1. Caractéristiques et « problèmes »..........................................................................................20 I.3.1.1. Point Spread Function (PSF) ...........................................................................................20 I.3.1.2. Résolution.......................................................................................................................22 I.3.1.3. Atténuation de la définition .............................................................................................23 I.3.1.4. Recouvrement des spectres de fluorescence .....................................................................26 I.3.1.5. Autres problèmes d’acquisition .......................................................................................27 I.3.2. Exemples d’images obtenues ................................................................................................27 I.4. Conséquences sur le traitement des images de microscopie confocale...............................................30 Chapitre II : Images de microscopie cellulaire et méthodologie d’analyse ..................................................33 II.1. La représentation des images...........................................................................................................36 II.1.1. Images numériques tridimensionnelles..................................................................................37 II.1.1.1. Définitions......................................................................................................................37 II.1.1.2. Taille et codage des voisinages........................................................................................38 II.1.2. La représentation des images par les graphes.........................................................................40 II.1.2.1. Intérêt de la structure.......................................................................................................40 II.1.2.2. L’objet mathématique .....................................................................................................40 II.1.2.3. Les différentes structures de graphe.................................................................................43 II.2. Les problèmes de traitement d’images .............................................................................................46 II.2.1. Prétraitements ......................................................................................................................48 II.2.2. Approche « régions » de la segmentation..............................................................................49 II.2.2.1. Croissance de régions......................................................................................................49 II.2.2.2. Division et fusion de régions ...........................................................................................50 II.2.2.3. Analyse multi-échelle et analyse multi-résolution ............................................................51 II.2.3. Approche « frontières » de la segmentation...........................................................................52 II.2.3.1. Détection locale de points de contours.............................................................................52 II.2.3.2. Modèles géométriques de contours..................................................................................53 II.2.4. Segmentation dans le contexte de la théorie des graphes........................................................56 Table des matières II.2.4.1. Partition de populations ..................................................................................................56 II.2.4.2. Caractérisation d’architectures ........................................................................................58 II.2.4.3. Graphes et morphologie mathématique............................................................................60 II.2.4.4. Graphes et champs de Markov.........................................................................................61 II.2.5. Caractérisation.....................................................................................................................61 II.2.5.1. Image et objets................................................................................................................62 II.2.5.2. Caractérisation géométrique............................................................................................62 II.2.5.3. Échantillonnage..............................................................................................................63 II.3. Stratégies de traitement des images 3D............................................................................................63 II.3.1. La troisième dimension ........................................................................................................63 II.3.2. Exemples de traitements 2D ½ ................................................................................................64 II.4. Environnement de développement d’applications ............................................................................66 II.4.1. Applications de traitement d’images.....................................................................................66 II.4.2. Méthodologie de conception.................................................................................................68 II.4.3. Spécificités de la bibliothèque PANDORE...............................................................................71 Chapitre III : Implantation des outils de traitement d’images ....................................................................73 III.1. Construction des graphes à partir des images...................................................................................76 III.2. Opérations de visualisation .............................................................................................................78 III.2.1. Visualisation des grilles de points.........................................................................................78 III.2.2. Visualisation des graphes .....................................................................................................80 III.3. Traitements point par point .............................................................................................................81 III.4. Opérations faisant intervenir le voisinage ........................................................................................82 III.4.1. Filtres de lissage...................................................................................................................83 III.4.2. Détection de contours...........................................................................................................84 III.4.3. Morphologie mathématique..................................................................................................85 III.4.4. Étiquetage des composantes connexes ..................................................................................88 III.5. Construction de composantes homogènes........................................................................................88 III.5.1. Croissance dans les grilles de points .....................................................................................89 III.5.1.1. Ligne de partage des eaux...............................................................................................91 III.5.1.2. Critère local d’arrêt de la croissance................................................................................92 III.5.1.3. Arrêt « a posteriori » de la croissance..............................................................................92 III.5.2. Croissance dans les graphes de voisinage..............................................................................94 III.5.2.1. Ligne de partage des eaux...............................................................................................95 III.5.2.2. Croissance par optimisation globale ................................................................................98 III.5.3. Partition de graphes............................................................................................................ 101 III.6. Opérations de caractérisation......................................................................................................... 104 III.6.1. Caractérisation des histogrammes de niveaux de gris .......................................................... 105 III.6.1.1. Principe........................................................................................................................ 105 III.6.1.2. Illustration.................................................................................................................... 106 III.6.2. Caractérisation géométrique ............................................................................................... 112 III.6.3. Caractérisation de populations............................................................................................ 116 Chapitre IV : Application au traitement d’images obtenues par microscopie confocale .......................... 119 IV.1. Caractérisation de l’architecture dans des coupes histologiques...................................................... 122 IV.1.1. L’histologie........................................................................................................................ 122 IV.1.2. Un exemple d’application en 2D......................................................................................... 123 IV.1.2.1. Matériel........................................................................................................................ 124 IV.1.2.2. Délimitation des massifs de cellules tumorales .............................................................. 125 IV.1.2.3. Topographie du marquage............................................................................................. 134 IV.1.2.4. Discussion.................................................................................................................... 138 IV.1.3. Extrapolation à la troisième dimension............................................................................... 140 IV.2. Quantification de la présence de contacts focaux ........................................................................... 144 IV.2.1. La cytologie ....................................................................................................................... 144 IV.2.2. Les objectifs de l’étude....................................................................................................... 145 IV.2.3. Résolution du problème...................................................................................................... 146 IV.2.3.1. Décomposition du problème.......................................................................................... 147 IV.2.3.2. Localisation des objets.................................................................................................. 149 IV.2.3.3. Quantification des objets............................................................................................... 152 IV.2.4. Exploitation des résultats.................................................................................................... 152 Table des matières IV.2.5. Perspectives........................................................................................................................155 IV.3. Architecture de transformation cellulaire : test SHE.......................................................................157 IV.3.1. Contexte biologique............................................................................................................157 IV.3.2. Traitement des images........................................................................................................158 IV.3.3. Résultats ............................................................................................................................162 Conclusion ...................................................................................................................................................165 1. Acquisition des images..................................................................................................................168 2. Traitement des images...................................................................................................................168 3. Applications..................................................................................................................................168 Références ...................................................................................................................................................171 Publications .................................................................................................................................................185 Annexes........................................................................................................................................................189 1. Les formats d’images ZEISS .........................................................................................................191 1.1. Images de volumes .............................................................................................................191 1.2. Images de reliefs.................................................................................................................193 2. La bibliothèque PANDORE..............................................................................................................194 2.1. Structure des fichiers images ..............................................................................................194 2.2. Structure de graphe.............................................................................................................195 2.3. Exemple d’opérateur PANDORE...........................................................................................197 2.4. Liste des opérateurs PANDORE 2D.......................................................................................199 2.5. Liste des opérateurs PANDORE 3D.......................................................................................203 3. Exemple de plan de résolution de problème ...................................................................................206 4. Préparation des cultures cellulaires ................................................................................................209 Introduction Introduction 3 Depuis une vingtaine d’années, les progrès constants des techniques mathématiques et des moyens informatiques de calcul ont eu de nombreuses répercussions sur les avancées dans les domaines de l’acoustique, de la médecine, des télécommunications, de l’astrophysique, de l’imagerie, etc. En particulier, le traitement et l’analyse d’images se sont développés sur des thèmes aussi variés que les images aériennes, les images biomédicales, les images industrielles ou artistiques. Bien que très différents, ces domaines ont cependant de nombreux points communs en termes de traitement d’images, tels que la localisation et la caractérisation des objets présents dans les images. Dans le contexte de l’imagerie biomédicale, le traitement automatique des images et leur caractérisation quantitative proposent une réponse à des besoins nouveaux : établir des diagnostics fiables et objectifs, contrôler l’action d’une thérapie, etc. Cette approche automatique a également autorisé le traitement de grandes quantités d’informations et la réalisation de tests à grande échelle en réduisant l’intervention des biologistes et des pathologistes. Généralement, les scènes ou les objets observés dans des images proviennent du monde tridimensionnel (3D) qui nous entoure. Le plus souvent, l’information que l’on cherche à extraire peut être obtenue sur une image en deux dimensions (2D) mais un nombre grandissant de problèmes nécessitent d’appréhender la scène observée en trois dimensions, afin de déduire des caractéristiques volumiques des objets présents dans cette scène. Pour atteindre un tel objectif, un grand nombre de techniques d’acquisition d’images ont été mises au point et peuvent se répartir en deux grandes catégories. Le premier type d’acquisition consiste à reconstruire une image 3D à partir d’une vision stéréoscopique de la scène. Il nécessite de nombreux calculs afin de reconnaître les objets dans les deux images 2D et de déterminer leurs positions relatives dans l’espace 3D. Le second type d’acquisition d’images permet d’obtenir des informations sur chaque point de l’espace observé et de construire une image 3D de la scène. Ce procédé est notamment mis en œuvre dans des appareils comme le microscope confocal. 4 Introduction 1. La troisième dimension dans le contexte du uploads/Science et Technologie/ tan-got.pdf