Brevet FR3057094A1 — publié le 20180406

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé et un dispositif de traitement d'au moins une image d'une partie donnée d'au moins un poumon. Le procédé selon l'invention trouve application dans le suivi de pathologies qui induisent une dilatation diffuse des bronches des poumons. ETAT DE LA TECHNIQUE La mucoviscidose est la plus fréquente des maladies génétiques héréditaires graves de la population caucasienne avec une incidence de 1/4500. L'espérance de vie des patients a nettement augmenté depuis sa description en 1938, atteignant désormais un peu plus de 40 ans et, à ce jour, la population d'adultes atteints par la mucoviscidose est supérieure à celle des enfants. L'atteinte respiratoire reste la plus importante cause de mortalité. Alors que les poumons des sujets atteints sont quasiment indemnes à la naissance, l'augmentation de la viscosité des sécrétions bronchiques entraîne leur accumulation dans les voies aériennes et la formation de bouchons muqueux, ou impactions mucoïdes. Les infections, et en particulier l'infection chronique à Pseudomonas aeruginosa, favorisées par une clairance mucociliaire défectueuse, entretiennent et aggravent les impactions mucoïdes et l'inflammation bronchique. L'infection et l'inflammation bronchiques chroniques mènent progressivement au développement de dilatations bronchiques (bronchectasies) et à une insuffisance respiratoire terminale. Le principal objectif de la prise en charge respiratoire des patients est le contrôle de l'infection pulmonaire chronique par l'administration d'antibiotiques et le drainage des sécrétions pulmonaires. Les traitements les plus récents développés ont pour objectif d'agir en amont pour corriger la viscosité des sécrétions, et non plus seulement d'agir sur les conséquences. Pour l'évaluation de l'atteinte pulmonaire liée à la mucoviscidose, plusieurs scores visuels ont été proposés, dont le score dit de Brody II, décrit dans le document - Highresolution computed tomography in young patients with cystic fibrosis: distribution of abnormalities and correlation with pulmonary function tests », par Brody, Klein, Molina et al. Le procédé décrit dans ce document comporte toutefois des inconvénients : - Il est long à mettre en oeuvre (environ 20 minutes) et n'est donc pas compatible avec une utilisation en dehors de protocoles de recherche. 3057094 2 - Il nécessite un entraînement dans un centre de référence puis une pratique répétée pour pouvoir être mis en oeuvre de façon reproductible, en conséquence de quoi peu d'experts capables de l'utiliser sont disponibles sur le terrain. 5 EXPOSE DE L'INVENTION Un but de l'invention est de pallier au moins un des inconvénients qui précèdent. Il est dès lors proposé un procédé de traitement automatique d'au moins une image de coupe d'une partie donnée d'au moins un poumon d'un patient atteint d'une pathologie qui induit une atteinte bronchique par dilatation diffuse des bronches des poumons, le 10 procédé comprenant des étapes de : - segmentation de la ou des images de coupe de la partie donnée du poumon, pour produire un histogramme caractéristique de la densité pulmonaire de la partie donnée du poumon, à l'aide des voxels de la ou des images de coupe, chaque voxel étant associé à une densité pulmonaire donnée, 15 - calcul à partir de l'histogramme, d'un seuil correspondant à une densité pulmonaire seuil, fonction d'une ou de plusieurs caractéristiques de l'histogramme, une première caractéristique étant le mode de l'histogramme, le mode correspondant à la densité pulmonaire la plus représentée dans l'histogramme de la ou des images de la partie donnée du poumon, 20 - détermination, à partir de la ou des images de coupe de la partie donnée du poumon, d'un volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, correspondant à la somme des voxels ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, - calcul, à partir du volume pulmonaire déterminé, d'un score automatique afin de 25 suivre l'évolution de l'atteinte bronchique du patient. Le procédé proposé présente de nombreux avantages : - Il peut être mis en oeuvre de façon automatique, sans requérir d'expert ; - Il est rapide d'exécution ; 30 - sa reproductibilité est parfaite (aucune correction manuelle n'est à effectuer sur le score automatique obtenu). Le seuil de densité pulmonaire peut être calculé également en fonction d'un écart type de valeurs de densité de l'histogramme. 3057094 3 Le seuil de densité pulmonaire peut être calculé au moyen de la formule suivante : seuil = mode + N. (écart type) où N est une valeur prédéterminée comprise dans un intervalle allant de 0 à 4, par exemple allant de 1 à 3. Le score peut dépendre d'un rapport entre : 5 - le volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, et - un volume total du poumon montré par l'image. Les images sont acquises de préférence pendant que le patient inspire. Les images peuvent montrer l'ensemble des deux poumons, ou montrer un ou plusieurs 10 lobes des poumons. Le score peut être calculé également en fonction d'un coefficient de dissymétrie de l'histogramme. Le score est par exemple calculé au moyen de la formule suivante : score de dilatation = a(écart type) + b(mode) + c(coef ficient de dyssimétrie) 7 volume pulmonaire ayant une densité + d pulmonaire supérieure au seuil calculé \ \volume pulmonaire total du poumon montré par l'image I où a, b, c et d sont des coefficients prédéterminés, au moins un des coefficients a, b et c 15 dépendant d'un algorithme de segmentation d'image utilisé pour mettre en oeuvre l'étape de segmentation. L'image peut être obtenue par tomodensitométrie et l'histogramme être le nombre de voxels fonction de la densité pulmonaire. L'image peut être obtenue par IRM et l'histogramme correspondre à la répartition 20 des intensités de signal du poumon. Il est également proposé un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé qui précède, lorsque ce programme est exécuté par au moins un processeur. Il est en outre proposé un dispositif pour déterminer automatiquement un score de 25 dilatation diffuse des bronches des poumons, à partir d'images d'au moins une partie donnée d'au moins un poumon, le dispositif comprenant : - un module de segmentation d'images configuré pour produire un histogramme caractéristique de la densité pulmonaire à partir des images du poumon, - au moins un processeur configuré pour : 3057094 4 o calculer un seuil de densité pulmonaire en fonction d'un mode de l'histogramme caractéristique de densité pulmonaire de la partie donnée du poumon, o déterminer, à partir des images du poumon, un volume pulmonaire ayant 5 une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, o calculer le score à partir du volume pulmonaire déterminé. DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la 10 description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - La figure 1 représente schématiquement un système d'acquisition et de traitement d'images selon un mode de réalisation de l'invention. - La figure 2 représente trois histogrammes de densité pulmonaire se rapportant à un 15 patient avec en ordonnée le nombre de voxels. - La figure 3 est un organigramme d'étapes d'un procédé automatique de traitement d'image selon un mode de réalisation de l'invention. - La figure 4 est une courbe de corrélation entre l'évolution d'un score automatique permettant de qualifier l'atteinte bronchique obtenu par un procédé automatique 20 de traitement d'image selon un mode de réalisation de l'invention, et l'évolution du volume expiratoire maximal en 1 seconde (VEMS) correspondant. - La figure 5 représente deux histogrammes de densité pulmonaire se rapportant à un patient. - La figure 6 est une courbe d'évolution au cours du temps de la valeur du score 25 "Mode+3DS" chez les patients traités par Ivacaftor (Kalydeco ®). Sous traitement, le score quantifiant le volume de lésions anormalement denses diminue chez la majorité des patients, traduisant une amélioration. - La figure 7 est une courbe d'évolution au cours du temps de la valeur du score "Mode+1DS" chez les patients traités par Ivacaftor (Kalydeco ®). Sous traitement, le 30 score quantifiant le volume de lésions anormalement denses diminue chez la majorité des patients, traduisant une amélioration. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références identiques. 35 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 3057094 5 Système d'acquisition et de traitement d'images En référence à la figure 1, un système comprend un dispositif d'acquisition 1 d'images d'un poumon, et un dispositif de traitement d'images 2. Le dispositif d'acquisition d'images 1 est connu de l'état de la technique ; ce 5 dispositif 1 est par exemple un scanner à rayons X ou un dispositif d'imagerie par résonance magnétique (IRM). Le dispositif de traitement d'images 2 est configuré pour traiter des images acquises par le dispositif 1. Le dispositif de traitement d'images 2 comprend une interface de communication 4 10 avec le dispositif d'acquisition 1, un module de segmentation 6, un processeur 8, et une mémoire 10. L'interface de communication 4 est adaptée pour recevoir des images acquises par le dispositif d'acquisition 1. Cette interface de communication 4 est par exemple de type filaire ou de type sans fil (Wi-Fi, etc). Dans une variante de réalisation particulière, les 15 dispositifs 1 et 2 forment deux composants internes d'un seul et même dispositif. Le module de segmentation 6 est configuré pour analyser le contenu d'images fournies par le dispositif d'acquisition 1 et pour en extraire certaines informations. Le module de segmentation 6 est par exemple configuré pour exécuter le programme d'ordinateur Myrian® ou le programme Syngo.via®, connus de l'état de la technique. 20 D'autres programmes de segmentation alternatifs connus de l'état de la technique peuvent être utilisés par le module de segmentation 6. Le processeur 8 est configuré pour effectuer des calculs sur la base de telles informations. La mémoire 10 est adaptée pour mémoriser des images ou des données de calcul 25 produites par le module de segmentation 6 et/ou le processeur 8. Procédé d'acquisition et de traitement d'images En référence à la figure 2, un procédé d'acquisition et traitement automatique d'images comprend les étapes suivantes. 30 Le dispositif 1 acquiert au moins une image d'au moins une partie donnée d'au moins un poumon d'un patient. De préférence, la ou les images ont été acquises pendant une inspiration du patient. On verra dans ce qui suit que ceci permet d'augmenter la fiabilité des données de sortie du procédé. 3057094 6 Les images sont en coupe avec une certaine épaisseur ; les images diffèrent en fonction des épaisseurs de coupe considérées pour les images. Les images montrent l'ensemble des deux poumons, ou montrent un ou plusieurs lobes des poumons. 5 On prendra dans ce qui suit l'exemple de l'acquisition d'une pluralité d'image 2D montrant des coupes différentes d'un même poumon. Les images sont de type tomodensitométriques. En variante, il pourrait être utilisé pour l'invention une IRM. Chaque image reçue est typiquement en niveaux de gris. 10 Dans chaque image de la pluralité d'images, un pixel ou voxel proche du noir est représentatif d'une portion du poumon représenté sur cette image qui est peu dense. A contrario, un pixel ou voxel proche du blanc est représentatif d'une portion du poumon représenté sur cette image qui est très dense. La pluralité d'images 2D forme une image tridimensionnelle comprenant une pluralité 15 de voxels, chaque voxel se rapportant à un volume élémentaire du poumon représenté par les images. Ainsi, similairement, chaque voxel de la pluralité d'image a un niveau de gris ; un voxel proche du noir est représentatif d'un volume élémentaire du poumon qui est peu dense, et, a contrario, un voxel proche du blanc est représentatif d'un volume élémentaire du poumon qui est très dense. 20 La pluralité est transmise au module de segmentation 6 via l'interface de communication 4. Le module de segmentation 6 segmente la pluralité d'images qu'il reçoit, de sorte à produire, sur la base de ces images, un histogramme caractéristique de la densité pulmonaire à partir de la pluralité d'images. 25 L'histogramme est une courbe prenant en abscisse une densité pulmonaire, exprimée en unités sur l'échelle de Hounsfield (UH), et en ordonnées un nombre de voxels. En d'autres termes, l'histogramme énumère indirectement, pour chaque niveau de gris représenté dans l'image, le nombre de voxels de la pluralité d'images ayant ce niveau de gris. 30 L'histogramme présente généralement une forme générale de gaussienne. Trois exemples d'histogrammes caractéristiques de densité pulmonaire sont représentés sur la figure 2. Ces trois histogrammes correspondent à trois pluralités d'images acquises chez un patient sans maladie pulmonaire ayant eu 3 scanners à 1 an d'intervalle (CT1, CT2 et CT3). Les modes associés à ces trois histogrammes sont 35 respectivement -899 UH, -888 UH et -868 UH. 3057094 7 Le mode de l'histogramme, également appelé valeur dominante, est la densité pulmonaire de l'histogramme associée au plus grand nombre de voxels de cet histogramme. Ce mode est donc indicatif du niveau de gris qui revient le plus fréquemment dans la pluralité d'images. 5 Le mode est déterminé par le module de segmentation 6 ou par le processeur 8. Le module de segmentation 6 ou le processeur 8 détermine par ailleurs l'écart type (« standard deviation » en anglais) des valeurs de densité de l'histogramme. Le processeur calcule un seuil de densité pulmonaire fonction d'une ou de plusieurs caractéristiques de l'histogramme. 10 Une première caractéristique utilisée par le procédé est le mode de l'histogramme. Le seuil de densité pulmonaire peut également dépendre de l'écart type des valeurs de densité de l'histogramme qui est une deuxième caractéristique utilisée par le procédé. Le seuil est par exemple calculé comme suit par le processeur 8 : seuil = mode + N. (écart type) où N est une valeur prédéterminée. 15 Le seuil permet ainsi de séparer les voxels de l'histogramme en 2 groupes. De préférence, N est compris dans un intervalle allant de 0 à 4 et le seuil est un seuil haut. Très préférentiellement, N est compris dans un intervalle allant de 1 à 3. Lorsque N est strictement positif, le seuil est donc une valeur de densité qui est décalée vers la droite sur l'histogramme ; lorsque N est strictement négatif, le seuil est 20 donc une valeur de densité qui est décalée vers la gauche sur l'histogramme et le seuil est un seuil bas. Dans les deux cas, ce seuil est donc associé à un nombre de voxels inférieur au maximum de l'histogramme. Avantageusement, il est considéré N positif et un volume de poumon dont la densité 25 est située au-dessus de ce seuil. En effet, la méthode développée est basée sur l'étude de la répartition des densités des poumons et particulièrement adaptée à la quantification de la proportion des poumons ayant une densité trop importante. Cette proportion de poumon trop dense, qui est le reflet de la proportion de poumon malade, est obtenue grâce à l'utilisation d'un seuil personnalisé calculé sur les propriétés de l'histogramme de chaque 30 examen. Ce seuil personnalisé répond au principal problème rencontré dans la quantification en TDM qui est la variabilité de la distribution des densités pulmonaires en fonction du degré d'inspiration, rendant peu performante l'utilisation de seuils non personnalisés. 3057094 8 Le processeur calcule ensuite un rapport entre le volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire définie par rapport au seuil calculé et un volume total du poumon montré par l'image. Le volume total du poumon est par exemple estimé par le module de segmentation, 5 ou bien prédéterminé par d'autres moyens connus de l'état de la technique. Le processeur détermine par ailleurs, à partir des images du poumon, un volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé. Pour ce faire, le processeur peut comptabiliser le nombre total de voxels se trouvant dans la partie de l'histogramme se trouvant à droite du seuil calculé, et multiplier ce 10 nombre par le volume élémentaire d'un voxel. Le processeur détermine par ailleurs un volume total du poumon montré par la pluralité d'images. Pour ce faire, le processeur peut comptabiliser le nombre total de voxels comptabilisés dans l'histogramme, et multiplier ce nombre par le volume élémentaire d'un 15 voxel. Le processeur calcule ensuite un score de dilatation des bronches à partir du volume total et du volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé. Le score calculé est mémorisé dans la mémoire 10. 20 Dans un premier mode de réalisation particulièrement simple de mise en oeuvre, le score est calculé comme suit : score volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé volume pulmonaire total du poumon montré par l'ensemble des images analysées Avantageusement, le score est calculé comme suit : score volume pulmonaire ayant une densité = pulmonaire supérieure au seuil calculé volume pulmonaire total du poumon montré par l'ensemble desimages analysées 25 = Dans ce cas, plus le poumon est malade et donc dense, plus le score prend une valeur élevée. 3057094 9 Validation des résultats obtenus par le procédé de traitement d'image Pour tester la validité du score automatique obtenu par mise en oeuvre du procédé 5 qui précède, le protocole suivant a été mis en oeuvre. Deux cohortes indépendantes de patients ont été examinées : une cohorte de développement et une deuxième cohorte. La cohorte de développement est une cohorte multicentrique de patients suivis longitudinalement (au moins 2 examens disponibles par patient, 40 scanners analysés au 10 total) avec des scanners réalisés avant et après traitement par un médicament (ivacaftor) efficace pour le traitement de ces patients ayant une mutation particulière : la mutation G551D du gène CFTR en cause dans la mucoviscidose. L'objectif a été de vérifier que l'amélioration clinique et fonctionnelle sous traitement était également observée avec le score de dilatation obtenu par le procédé de traitement d'image décrit précédemment. 15 La deuxième cohorte est une cohorte mono-centrique indépendante correspondant à un ensemble de patients évalués à l'hôpital Cochin à Paris en 2013, dans le cadre de leur suivi tous les 2 ans (53 patients). Pour chaque patient de ces deux cohortes, une évaluation fonctionnelle respiratoire avec étude du VEMS (Volume expiratoire maximal en 1 seconde) a été mise en oeuvre le 20 même jour que le scanner. Le VEMS est un standard de référence, recommandé à la fois par la Food and Drug Administration et par l'European Medicine Agency, pour estimer la gravité de la mucoviscidose dans les protocoles de recherche clinique. La corrélation entre le score de densité pulmonaire et le VEMS a été mesurée par calcul du coefficient de corrélation de Spearman (noté Rho) selon des méthodes bien 25 connues. # Seuil Score Rho P value 1 (-) 300 UH 3.17 % (± 1.10) -0.53 REVENDICATIONS1. Procédé de traitement automatique d'au moins une image de coupe d'une partie donnée d'au moins un poumon d'un patient atteint d'une pathologie qui induit une atteinte bronchique par dilatation diffuse des bronches des poumons, le procédé comprenant des étapes de : - segmentation (102) de la ou des images de coupe de la partie donnée du poumon, pour produire un histogramme caractéristique de la densité pulmonaire de la partie donnée du poumon, à l'aide des voxels de la ou des images de coupe, chaque voxel étant associé à une densité pulmonaire donnée, - calcul (104) à partir de l'histogramme, d'un seuil correspondant à une densité pulmonaire seuil, fonction d'une ou de plusieurs caractéristiques de l'histogramme, une première caractéristique étant le mode de l'histogramme, le mode correspondant à la densité pulmonaire la plus représentée dans l'histogramme de la ou des images de la partie donnée du poumon, - détermination (106), à partir de la ou des images de coupe de la partie donnée du poumon, d'un volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, correspondant à la somme des voxels ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, - calcul (110), à partir du volume pulmonaire déterminé, d'un score automatique afin de suivre l'évolution de l'atteinte bronchique du patient. 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le seuil est fonction de deux caractéristiques, et la seconde caractéristique est un écart type de valeurs de densité de l'histogramme. 3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le seuil est calculé au moyen de la formule suivante : seuil = mode + N. (écart type) où N est une valeur prédéterminée comprise dans un intervalle allant de 0 à 4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le score automatique est un rapport entre : 3057094 14 - le volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, et correspondant à la somme des voxels ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé ; sur - un volume total du poumon montré par la ou les images, correspondant à la somme de tous tes voxels de la ou des images de coupe. 40 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel : - on détermine (106), à partir de la ou des images de la partie donnée du poumon, le volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure au seuil calculé, - le score automatique est le rapport entre : 45 - le volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure au seuil calculé correspondant à la somme des voxels ayant une densité pulmonaire supérieure au seuil calculé ; sur un volume total du poumon montré par la ou les images, correspondant à ta somme de tous les voxels de la ou des images de coupe. 50 6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel N est une valeur prédéterminée comprise dans un intervalle allant de 1 à 4. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel tes images sont réalisées 55 sur l'ensemble des deux poumons, ou sur un ou plusieurs lobes des poumons. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les images sont acquises lorsque le patient inspire. 60 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le score est également fonction d'une troisième caractéristique qui est le coefficient de dissymétrie de l'histogramme et d'une quatrième caractéristique qui est le coefficient d'aplatissement, et est calculé au moyen de la formule suivante score = a * (écart type) + b * (mode) + c * (coefficient de dyssimétrie) + d 65 * (coefficient d'aplatissement) + e (volume pulmonaire ayant une densité * pulmonaire supérieure au seuil calculé volume pulmonaire total du poumon montré par l'image 3057094 15 où a, b, c, d et e sont des coefficients prédéterminés, au moins un des coefficients a, b, c, et e dépendant d'un algorithme de segmentation d'image utilisé pour mettre en oeuvre l'étape de segmentation et où te coefficient de dissymétrie et te coefficient d'aplatissement 70 se rapportent à l'histogramme. 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'image est obtenue par tomodensitométrie. 75 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'image est obtenue par IRM et l'histogramme correspond à la répartition des intensités de signal du poumon. 12. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on calcule (104) un seuil qui est uniquement fonction d'une ou de plusieurs caractéristiques de l'histogramme. 80 13. Procédé de mesure d'un niveau d'atteinte du patient à une pathologie induisant une atteinte bronchique par dilatation diffuse des bronches des poumons, telle que la mucoviscidose ou la dyskinésie ciliaire primaire. ou les dilatations bronchiques diffuses post infectieuses ou idiopathiques, le procédé de mesure comprenant le procédé de traitement 85 selon l'une des revendications 1 à 12. 14. Produit programme d'ordinateur comprenant des instructions de code de programme pour l'exécution des étapes du procédé selon l'une de revendications précédentes, lorsque ce programme est exécuté par au moins un processeur. 90 15. Dispositif de traitement automatique d'au moins une image de coupe d'une partie donnée d'au moins un poumon d'un patient atteint d'une pathologie qui induit une atteinte bronchique par dilatation diffuse des bronches des poumons, le dispositif comprenant : - un module de segmentation configuré pour segmenter ta ou des images de la partie 95 donnée du poumon, de sorte à produire un histogramme caractéristique de la densité pulmonaire de la partie donnée du poumon, à l'aide des voxels de la ou des images de coupe, chaque voxel étant associé à une densité pulmonaire donnée, - au moins un processeur configuré pour : o calculer un seuil fonction d'une ou de plusieurs caractéristiques de 100 l'histogramme, une première caractéristique étant le mode de l'histogramme, 3057094 16 te mode correspondant à la densité pulmonaire la plus représentée dans l'histogramme de ta ou des images de la partie donnée du poumon, o déterminer, à partir de la ou des images de coupe de la partie donnée du poumon, un volume pulmonaire ayant une densité pulmonaire supérieure ou 105 inférieure au seuil calculé, correspondant à la somme des voxels ayant une densité pulmonaire supérieure ou inférieure au seuil calculé, o calculer, à partir du volume pulmonaire déterminé, un score automatique afin de suivre l'évolution de l'atteinte bronchique du patient 110