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Recalage d'images médicales

Une des problématiques majeures en imagerie médicale est l'analyse et le traitement de plusieurs images dans un référentiel commun. Le placement dans un référentiel commun, connu sous le nom de recalage ou de mise en correspondance spatiale ou de normalisation spatiale, ou encore parfois de fusion d'images permet la superposition spatiale des structures anatomiques ou fonctionnelles présentes dans chacune des images. Cet article a pour but de donner au lecteur une vue d'ensemble des différents aspects relatifs à la mise en correspondance d'images médicales.

Le recalage est une étape essentielle dans nombre de chaînes de traitements d'images médicales et ses applications sont nombreuses. Deux contextes applicatifs peuvent être distingués : le recalage intra-individu qui met en jeu des images provenant d'un même sujet et le recalage inter-individu qui met en correspondance des images provenant de sujets différents ou d'un sujet et d'un modèle de référence, appelé communément « atlas ». Le recalage intra-individu requiert généralement la détermination d'une transformation géométrique simple, caractérisée par un faible nombre de paramètres, par exemple une transformation rigide ou affine. Il est notamment utilisé pour la fusion d'images de modalités différentes, pour la détection et le suivi d'évolution de lésions ou de tumeurs, pour la mesure de modifications géométriques de certaines structures anatomiques (atrophie, hypertrophie, déplacement, suivi et caractérisation des mouvements cardiaques et respiratoires, etc). Le recalage inter-individu nécessite bien souvent l'estimation de transformations, qualifiées de « non rigides » ou de « déformables », ayant un nombre beaucoup plus important de degrés de liberté. Ses applications sont principalement la construction et l'utilisation d'atlas probabilistes, par exemple pour la segmentation automatique par transport d'un modèle a priori ou pour l'analyse statistique de variations anatomiques ou fonctionnelles, normales ou pathologiques, au sein d'un groupe d'individus. Le recalage peut par ailleurs aussi être utilisé pour la correction de distorsions géométriques dans les images.

La nature des images à mettre en correspondance peut être très diverse et conditionne grandement le choix de la méthode de recalage à utiliser. Il est possible de mettre en correspondance des images provenant d'une même modalité (recalage monomodal) ou de modalités différentes (recalage multimodal). La nature des modalités considérées (IRM, médecine nucléaire, échographie, scanner X…) ainsi que le type d'organe imagé (cerveau, os, abdomen, coeur, thorax…) a par ailleurs une influence sur le choix de la méthode. La dimensionnalité des images considérées est aussi à prendre en compte : il est possible de recaler des images 2 D sur des images 2 D, des images 2 D sur des images 3 D, des images 3 D sur des images 3 D, ou bien encore de considérer des séries temporelles d'images (3 D + t) ou des images multivaluées (c'est-à-dire, à chaque pixel ou voxel de l'image sont associées plusieurs valeurs).

Dans un premier temps, nous formalisons de manière générale la problématique du recalage. Ensuite, nous discutons du choix de l'information à considérer pour guider le recalage (§ 2), puis des critères permettant de quantifier la distance entre deux images (§ 3). Une quatrième partie est consacrée aux différents modèles permettant de déformer une image. L'estimation de la transformation géométrique est abordée dans une cinquième partie. Puis, nous évoquerons la sensibilité des méthodes de recalage au bruit et aux valeurs aberrantes. Nous décrivons enfin des méthodes permettant de visualiser le résultat d'un recalage et d'en valider la qualité. Enfin, la fiche documentaire propose une liste de références bibliographiques destinée aux lecteurs désireux d'approfondir l'un ou l'autre des points abordés et quelques logiciels de recalage d'images disponibles sur Internet y sont énumérés.