The aim of this work is to propose an algorithm to segment and track the myocardium using the level-set formalism. The myocardium is first approximated by a geometric model (hyperquadrics) which allows to handle asymetric shapes such as the myocardium while avoiding a learning step. This representation is then embedded into the level-set formalism as a shape prior for the joint segmentation of the endocardial and epicardial borders. This shape prior term is coupled with a local data attachment term and a thickness term that prevents both contours from merging. The algorithm is validated on a dataset of 80 images at end diastolic and end systolic phase with manual references from 3 cardiologists. In a second step, we propose to segment whole sequences using motion information. To this end, we apply a level conservation constraint on the implicit function associated to the level-set and express this contraint as an energy term in a variational framework. This energy is then added to the previously described algorithm in order to constrain the temporal evolution of the contour. Finally the algorithm is validated on 20 echocardiographic sequences with manual references of 2 experts (corresponding to approximately 1200 images).

L’objectif de cette thèse est de proposer un algorithme de segmentation et de suivi du myocarde basé sur le formalisme des ensembles de niveaux. Nous modélisons dans un premier temps le myocarde par un modèle géométrique (hyperquadriques) qui permet de représenter des formes asymétriques telles que le myocarde tout en évitant une étape d’apprentissage. Ce modèle est ensuite inclus dans le formalisme des ensembles de niveaux afin de servir de contrainte de forme lors de la segmentation simultanée de l’endocarde et de l’épicarde. Ce terme d’a priori de forme est couplé à un terme local d’attache aux données ainsi qu’à un terme évitant la fusion des deux contours. L’algorithme est validé sur 80 images en fin systole et en fin diastole segmentées par 3 cardiologues. Dans un deuxième temps, nous proposons de segmenter l’ensemble d’une séquence en utilisant l’information de mouvement. Dans ce but, nous faisons l’hypothèse de conservation des niveaux de la fonction implicite associée à l’ensemble de niveaux et l’exprimons comme une énergie dans un formalisme variationnel. Cette énergie est ensuite ajoutée à l’algorithme décrit précédemment pour la segmentation statique du myocarde afin de contraindre temporellement l’évolution du contour. L’algorithme est alors validé sur 20 séquences échocardiographiques (soit environ 1200 images) segmentées par 2 experts. / The aim of this work is to propose an algorithm to segment and track the myocardium using the level-set formalism. The myocardium is first approximated by a geometric model (hyperquadrics) which allows to handle asymetric shapes such as the myocardium while avoiding a learning step. This representation is then embedded into the level-set formalism as a shape prior for the joint segmentation of the endocardial and epicardial borders. This shape prior term is coupled with a local data attachment term and a thickness term that prevents both contours from merging. The algorithm is validated on a dataset of 80 images at end diastolic and end systolic phase with manual references from 3 cardiologists. In a second step, we propose to segment whole sequences using motion information. To this end, we apply a level conservation constraint on the implicit function associated to the level-set and express this contraint as an energy term in a variational framework. This energy is then added to the previously described algorithm in order to constrain the temporal evolution of the contour. Finally the algorithm is validated on 20 echocardiographic sequences with manual references of 2 experts (corresponding to approximately 1200 images).

L'une des tâches les plus difficiles de l'enseignement en chirurgie, consiste à expliquer aux étudiants quelles sont les amplitudes des forces et des couples à appliquer pour guider les instruments au cours d'une opération. Ce problème devient plus important dans le domaine de la chirurgie mini-invasive (MIS) où la perception de profondeur est perdue et le champ visuel est réduit. Pour cette raison, l'évaluation de l'habileté chirurgicale associée est devenue un point capital dans le processus d'apprentissage en médecine. Des problèmes évidents de subjectivité apparaissent dans la formation des médecins, selon l'instructeur. De nombreuses études et rapports de recherches concernent le développement de techniques automatisées d'évaluation du geste. La première partie du travail présenté dans cette thèse introduit une nouvelle méthode de classification de gestes médicaux 3D reposant sur des modèles cinématiques et biomécaniques. Celle-ci analyse de manière qualitative mais aussi quantitative les mouvements associés aux tâches effectuées. La classification du geste est réalisée en utilisant un paramétrage reposant sur la longueur d'arc pour calculer la courbure pour chaque trajectoire. Les avantages de cette approche sont l'indépendance du temps, un système de repérage absolu et la réduction du nombre de données. L'étude inclue l'analyse expérimentale de plusieurs gestes, obtenus avec plusieurs types de capteurs et réalisés par différents sujets. La deuxième partie de ce travail se concentre sur la classification reposant sur les données cinématiques et dynamiques. En premier lieu, une expression empirique, entre la géométrie du mouvement et les données cinématiques, sert à calculer une nouvelle variable appelée vitesse affine. Les expériences conduites dans ce travail de thèse montrent la nature constante de cette grandeur lorsque les gestes médicaux sont simples et identiques. Une dernière technique de classification a été implémentée en utilisant un calcul de l'énergie utilisée au cours de chaque segment du geste. Cette méthode a été validée expérimentalement en utilisant six caméras et un laparoscope instrumenté. La position 3-D de l'extrémité de l'effecteur a été enregistrée, pour plusieurs participants, en utilisant le logiciel OptiTrack Motive et des marqueurs réfléchissants montés sur le laparoscope. Les mesures de force et de couple, d'autre part, ont été acquises à l'aide des capteurs fixés sur l'outil et situés entre la pointe et la poignée de l'outil afin de capturer l'interaction entre le participant et le matériau manipulé. Les résultats expérimentaux présentent une bonne corrélation entre les valeurs de l'énergie et les compétences chirurgicales des participants impliqués dans ces expériences. / One of the most difficult tasks in surgical education is to teach students what is the optimal magnitude of forces and torques to guide the instrument during operation. This problem becomes even more relevant in the field of Mini Invasive Surgery (MIS), where the depth perception is lost and visual field is reduced. In this way, the evaluation of surgical skills involved in this field becomes in a critical point in the learning process. Nowadays, this assessment is performed by expert surgeons observation in different operating rooms, making evident subjectivity issues in the results depending on the trainer in charge of the task. Research works around the world have focused on the development of the automated evaluation techniques, that provide an objective feedback during the learning process. Therefore, first part of this thesis describe a new method of classification of 3D medical gestures based on biomechanical models (kinematics). This new approach analyses medical gestures based on the smoothness and quality of movements related to the tasks performed during the medical training. Thus, gesture classification is accomplished using an arc length parametrization to compute the curvature for each trajectory. The advantages of this approach are mainly oriented towards time and location independence and problem simplification. The study included several gestures that were performed repeatedly by different subjects; these data sets were acquired, also, with three different devices. Second part of this work is focused in a classification technique based on kinematic and dynamic data. In first place, an empirical expression between movement geometry and kinematic data is used to compute a different variable called the affine velocity. Experiments carried out in this work show the constant nature of this feature in basic medical gestures. In the same way, results proved an adequate classification based on this computation. Parameters found in previous experiments were taken into account to study movements more complex. Likewise, affine velocity was used to perform a segmentation of pick and release tasks, and the classification stage was completed using an energy computation, based on dynamic data, for each segment. Final experiments were performed using six video cameras and an instrumented laparoscope. The 3-D position of the end effector was recorded, for each participant, using the OptiTrack Motive Software and reflective markers mounted on the laparoscope. Force and torque measurements, on the other hand, were acquired using force and torque sensors attached to the instrument and located between the tool tip and the handle of the tool in order to capture the interaction between participant and the manipulated material. Results associated to these experiments present a correlation between the energy values and the surgical skills of the participants involved in these experiments.