Sommaire
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Imaging modalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2 Representation of the medical scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Visualization of the scan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.1 Reviewing planar cuts . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.2 Volume rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.3.3 Surface rendering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4 Limitations of medical scans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.4.1 Resolution of the scanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.2 Acquisition time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.3 Movement of the patient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.4 Artifacts due to metal objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4.5 Radiation doses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 Neuroscience Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.1 Brain structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.2 Anatomical and functional brain imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 Segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.4 Holes in the segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3 Theory of Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1 Continuous Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.1 Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.2 Non-separating loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2 Discrete representation of a volume and a surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Volume representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.2 Surface representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.3 Holes in the volume and in the surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3 Discrete Topology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.1 Euler characteristic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.2 Reeb graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.4 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Related Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1 Topologically constrained models . . . . . . . . . . . . . . .39
4.1.1 Surface model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.2 Volume model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.3 Limitations of topologically constrained models . . . 41
4.2 Correction of the image . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.1 Correction of a surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2.2 Correction of the volume . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.3 Decomposition into components . . . . . . . . . . . . 42
4.2.4 Methods based on a Reeb graph . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5 Topology Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
5.1 Overview of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1.1 Entire algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.1.2 Hole detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.2 Exploration of the image . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.1 Wavefront over the image . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.2.2 Detection of holes in the wavefront . . . . . . . . 50
5.2.3 Illustration of the wavefront . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.3 Modified Reeb graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.4 Memory requirements in O(n 2 ) . . . . . . . . . . . . . .54
5.4.1 Wavefront propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.4.2 Graph construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6 Topology Localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
6.1 Principle of hole localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6.2 Localization of a hole detected in the graph . . . . . . . 58
6.3 Localization of a hole inside a ribbon . . . . . . . . . . . . 60
6.4 Localization of a cross loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.5 Shortest path algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.5.1 Improved accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.5.2 Reduced complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.6 Closing the loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.7 Reducing the complexity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
7 Topology Simplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
7.1 Structure of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.2 Principle of hole removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
7.3 Filling or emptying the loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3.1 Signed areas of contours . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.3.2 Reeb loop and cross loop . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7.4 Rasterization inside the loop . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.4.1 Rasterization along lines . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
7.4.2 Comparison with other methods . . . . . . . . . . . . 74
7.5 Loop selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
7.6 Correction of gray scale images . . . . . . . . . . . . 76
7.6.1 Updating the graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
7.6.2 Avoiding the halting problem . . . . . . . . . . .78
7.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
8 Results 81 8.1 Goal of the experiment . . . . . . . . 81
8.2 Input and output of the algorithm . . . . . . . . . . . . . . . 82
8.3 Visualization of the output image . . . . . . . . . . . . . . . . 83
8.4 Visualization of the modified voxels . . . . . . . . . . . . . . 85
8.4.1 Differences in the volume . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.4.2 Differences on a plane . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.5 Statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.5.1 Number of modified voxels . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.5.2 Loops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.5.3 Size of the corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
8.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.6.1 Assessment of the method . . . . . . . . . . . . . . . . 90
8.6.2 Further experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.6.3 Comparison procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
8.6.4 Selection of the best loop . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
8.6.5 Other criteria for the hole removal . . . . . . . . . . . 92
8.6.6 Dependence on the direction of propagation . . . . . . . . . . 93
8.6.7 Correction of large holes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.6.8 Interactive topology simplification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
8.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
9 Conclusions and Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
9.2 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.2.1 Improved segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.2.2 Visualization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
9.2.3 Morphing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
9.2.4 Shape Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104
9.2.5 Data compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107