Human visual perception, mosaic completion and application to image reconstruction of human corneal endothelium in optical specular microscopy.
Perception visuelle humaine, complétion des mosaïques et application à la reconstruction d'images de l'endothélium cornéen humain\\ en microscopie optique spéculaire
Résumé
Human corneal endothelium constitutes a monolayer of relatively hexagonal cells with irregular surfaces situated on the internal side of the cornea. These cells are fundamental because they preserve the transparency of the cornea. Their contours can be easily photographed on a patient, using optical specular microscopy (in vivo), or on a graft (ex vivo), using classic optical microscopy. Ophtalmologists then take an interest in cell density as well as in morphometric characteristcs (polymegathism and pleomorphism). However, their analysis using specific sofware is never as relevant as visual analysis. This observation led us to focus on the principles which govern human visual perception. In this thesis we verify in an elementary way that the principles of good continuation and proximity of the Gestalt theory are algorithmically verified on simple cases. This allows us to consider their use to close the contours that are imperfectly detected on images. Nevertheless, the results that are obtained suggest a complex interaction between those principles. The use of morphological methods based on sequential alternate filters, distance maps and watersheds provide good results. It is shown that these methods are based on the principles of Gestalt theory: proximity is introduced by the distance maps, continuation and closing are properties of the watershed operator. Their combined use allows the realization of a dual analysis "contours-régions'': distance maps give access to regional information based on the contours, whereas watersheds provide contour information based on regional markers. These impressions were verified by setting up a dissimilarity criterion which allows us to quantify the differences between a mosaic (cell structure observed on the picture of the endothelium) provided by an expert and another mosaic. Thus, several segmentation methods are tested, and the method we put forward gives the best results. This criterion of dissimilarity allowed us to find the best parameters of each method and to have a ranking established among them by ophtalmologists. In order to complete the segmentation of the images, we put forward a validation based on shape parameters
L'endothélium cornéen humain constitue une mono-couche de cellules de formes relativement hexagonales et de surfaces régulières, situées à la face interne de la cornée. Ces cellules sont primordiales car elles maintiennent la transparence de la cornée. Leurs contours sont facilement photographiés chez le patient grâce à la microscopie optique spéculaire (in vivo), ou sur un greffon (ex vivo) grâce à la microscopie optique classique. Les ophtalmologistes s'intéressent alors à la densité cellulaire, ainsi qu'à des caractéristiques morphométriques (polymégethisme et pléomorphisme). Leur analyse, lorsqu'elle utilise des logiciels spécifiques, n'est cependant jamais aussi pertinente que l'analyse visuelle. Ce constat nous a conduit à nous intéresser aux principes qui régissent la perception visuelle humaine. Dans cette thèse, nous vérifions de manière élémentaire que les principes de bonne continuation et de proximité de la théorie de la Gestalt sont vérifiés algorithmiquement sur des cas simples, ce qui permet d'envisager leur utilisation pour fermer les contours imparfaitement détectés dans les images. Cependant, les résultats obtenus suggèrent une intéraction complexe entre ces principes. L'utilisation de méthodes morphologiques basées sur des filtres alternés séquentiels, des cartes de distances et des lignes de partage des eaux fournit de bons résultats. Il est montré que ces méthodes sont fondées sur les principes de la théorie de la Gestalt: la "proximité'' est introduite par les cartes de distances, la "continuation'' et la "fermeture'' sont des propriétés des lignes de partage des eaux. Leur utilisation conjointe permet de réaliser une analyse duale contours-régions: les cartes de distances permettent d'accéder à des informations régionales à partir des contours, alors que les lignes de partage des eaux permettent d'obtenir des informations de contours à partir de marqueurs régionaux. Ces impressions ont été vérifiées en mettant en place un critère de dissimilarité qui permet de quantifier l'erreur entre une mosaïque (structure cellulaire observée sur l'image de l'endothélium) fournie par l'expert et une autre mosaïque. Ainsi, plusieurs méthodes de segmentation sont testées, et la méthode que nous proposons donne les meilleurs résultats. Ce critère de dissimilarité a permis de trouver les meilleurs paramètres de chaque méthode et de faire établir entre elles un classement par les ophtalmologistes. Pour terminer la segmentation des images, une validation des résultats, basée sur des paramètres de formes, est proposée.