Reconstruction de la déformation d'une scène tubulaire en vue de l'utilisation d'une meute de capsules miniaturisées dans l'intestin grêle

Reconstruction of the deformation of a tubular scene for the use of a pack of miniaturized capsules in the small intestine

• Auteur / Autrice : Marie Daubresse-Chasle
• Direction : Nicolas Andreff, Shaifali Parashar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 17/07/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Cédric Demonceaux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Céline Fouard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Dro Désiré Sidibé, Aymeric Histace

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intestin grêle

Reconstruction volumique

Robotique en médecine

Mots clés libres

Robotique Médicale

Reconstruction 3D

NRSfM

Structure non rigide issue du mouvement

SLAM

Localisation et cartographie simultanées.

Medical robotics

3D reconstruction

NRSfM

Non-Rigid Structure From Motion

SLAM

Simultaneous Localization And Mapping.

Résumé

L'intestin grêle est un organe complexe à observer de l'intérieur du fait de sa longueur et sa tortuosité. Pourtant cela reste nécessaire dans le cadre du diagnostic et du suivi de certaines maladies telles que la maladie de Crohn ou les polyposes. Si les capsules endoscopiques permettent depuis plus de vingt ans de parcourir l'intégralité de l'intestin grêle, son déplacement passif soumis au péristaltisme et sa faible fréquence d'acquisition d'image rendent l'analyse chronophage et fastidieuse. La reconstruction 3D de l'intestin grêle à partir des vidéos est une piste envisagée pour faciliter l'analyse et localiser les lésions. Cette reconstruction n'est pas aisée du fait des facteurs environnementaux : la déformation de l'intestin, sa forme tubulaire et sa texture uniforme, mais aussi techniques avec des images de faible résolution et un mouvement et une vitesse de la capsule non contrôlés.Après l'analyse du besoin clinique, nous introduisons le concept de meute de capsules endoscopiques miniatures. L'utilisation d'une telle meute pourra rendre possible l'observation de l'intestin chez les patients atteints de sténoses, c'est-à-dire un rétrécissement de la lumière intestinale suite à l'inflammation des tissus. Elle évitera aussi certains examens préliminaires à l'utilisation des capsules actuelles pour ces patients et pourra être utilisée plus largement chez les enfants. Dans ce contexte, nous proposons une modification des procédures de diagnostic et de suivi de la maladie de Crohn. Cependant, la réduction de la qualité de l'image de ces mini-capsules, par la diminution de la résolution et le manque de lumière, impactera non seulement la visibilité des lésions, mais aussi les algorithmes de reconstruction. De ce fait, nous réfléchissons aux différentes stratégies de reconstruction déformable et multivue de l'intestin grêle. Nous posons ainsi les bases d'un algorithme de reconstruction et localisation simultanés pour l'intestin, le GutSLAM. Pour cela, nous réfléchissons aux modifications des dernières méthodes de SLAM déformable dans l'état de l'art, afin de tenir compte de la topologie tubulaire de l'intestin. Nous nous concentrons principalement sur le module de suivi des déformations. Pour cela, nous choisissons d'utiliser une méthode de reconstruction par le mouvement de scènes déformables (NRSfM : Non-Rigid Structure-from-Motion) de l'état de l'art capable de reconstruire les déformations fronto-parallèles à partir de deux images. Nous l'adaptons à l'utilisation d'un gabarit tubulaire pour reconstruire les déformations radiales observées dans l'intestin grêle. Deux approches sont proposées. La première consiste à passer par l'intermédiaire d'une image virtuelle, obtenue à partir des coordonnées polaires, pour calculer la relation entre les points dans les deux images nécessaire à la déformation du gabarit. Dans la seconde approche, nous calculons les déformations directement à partir de ces images virtuelles. Nous ne les avons pas intégré dans un algorithme complet de SLAM déformables, toutefois ces méthodes présentent des résultats encourageants pour la reconstruction de la déformée à partir de deux vues.

The small intestine is a complex organ to observe from the inside, due to its length and tortuosity. However, it is essential for diagnosing and monitoring certain diseases such as Crohn's disease and polyposis. Although endoscopic capsules have been used for over twenty years to scan the entire small intestine, its passive movement, subject to peristalsis, and low image acquisition frequency make analysis time-consuming and tedious. 3D reconstruction of the small intestine from video is one way of facilitating analysis and locating lesions. Such reconstruction is not easy, however, due to environmental factors such as the deformation of the intestine, its tubular shape and uniform texture, as well as technical factors such as low-resolution images and uncontrolled capsule movement and speed.After analyzing the clinical need, we introduce the concept of a pack of miniature endoscopic capsules. The use of such a pack will make it possible to observe the intestine in patients with stenosis, i.e. narrowing of the intestinal lumen as due to tissue inflammation. It will also obviate the need for certain examinations preliminary to the use of current capsules for these patients, and could be used more widely in children. In this context, we propose a modification of the procedures for diagnosing and monitoring Crohn's disease. However, the reduced image quality of these mini-capsules, through lower resolution and lack of light, will impact not only lesion visibility, but also reconstruction algorithms. As a result, we are considering different strategies for deformable and multiview reconstruction of the small intestine. We are thus laying the foundations for a simultaneous reconstruction and localization algorithm for the intestine, the GutSLAM. To this end, we are considering modifications to the last methods from state-of-the-art of deformable SLAM, to take account of the tubular topology of the intestine. Our main focus is on the deformation tracking module. For this, we choose to use a Non-Rigid Structure-from-Motion (NRSfM) method from state-of-the-art, which is capable of reconstructing fronto-parallel deformations from two images. We adapt it to the use of a tubular template to reconstruct radial deformations observed in the small intestine. Two approaches are proposed. The first involves using a virtual image, obtained from polar coordinates, to calculate the relationship between points in the two images required to deform the template. In the second approach, we calculate the deformations directly from these virtual images. We have not integrated them into a complete deformable SLAM algorithm, however these methods show encouraging results for deformation reconstruction from two views.