À l’aide d’une seule image prise par une caméra d’endoscopie par capsule, les scientifiques ont réussi à créer un modèle tridimensionnel du côlon. Cette nouvelle méthode fournit de bien meilleures images et peut aider les spécialistes à détecter les maladies plus rapidement.
Notre travail montre qu'il est possible de recréer un modèle tridimensionnel (3D) assez précis du côlon de certains patients sur la base d'une seule image prise par une caméra d'endoscopie capsule – même s'il s'agit d'une image de faible qualité.
Pål Anders Floor, chercheur, Département d'informatique, NTNU
Sommaire
Objectif : de meilleures images, des diagnostics plus rapides
Il travaille depuis plusieurs années sur l’utilisation d’images de caméras d’endoscopie par capsule pour reconstruire un modèle 3D presque identique des intestins. Ces caméras ont été utilisées pour la première fois il y a plus de 20 ans, mais la mauvaise qualité des images et le bruit de l’image ont empêché cette technologie intelligente de réellement décoller. La nouvelle étude, « Reconstruction 3D basée sur une seule image d'images endoscopiques », a été récemment publié dans le Journal d'imagerie. Cela fait partie des recherches doctorales entreprises par Bilal Ahmad, supervisées par Floor et le professeur Ivar Farup.
L'objectif principal de cette recherche est d'améliorer les images que les spécialistes utilisent pour détecter les anomalies du tractus gastro-intestinal de leurs patients. Ils peuvent alors détecter plus facilement les maladies et poser des diagnostics plus rapidement. Il s’agit d’étapes importantes sur la voie de l’objectif ultime : lutter contre le cancer de l’intestin, le deuxième type de cancer le plus répandu en Norvège.
Un intestin en caoutchouc, un endoscope et des mathématiques
À l’aide d’un côlon artificiel, d’images uniques prises par endoscopie et d’un algorithme spécial, les chercheurs du NTNU ont réussi à reconstruire un modèle intestinal en trois dimensions. L'endoscope fait le même travail qu'une caméra à capsule – avec quelques différences importantes : les images ont une résolution plus élevée et la luminosité de la caméra peut être réglée manuellement.
L’algorithme utilisé par les chercheurs s’appelle un algorithme de shape-from-shading (SFS). Il s’agit d’un modèle mathématique qui peut être utilisé pour reconstruire une forme tridimensionnelle à partir d’une seule image bidimensionnelle.
Copie authentique de l'intestin recréée sur un PC
Si les algorithmes sont alimentés avec des images bruitées ou dont la couleur est déformée, les erreurs se propageront au modèle 3D.
« Nous montrons qu'en calibrant et en prétraitant soigneusement les images, nous pouvons obtenir un bon modèle 3D basé sur une seule image, même si l'image est pleine de bruit et de distorsion visuelle », a déclaré Floor.
De grands avantages pour les médecins
Floor et ses collègues ont également travaillé au développement de modèles 3D basés sur des séquences impliquant plusieurs images prises par des caméras capsules. Cela permet aux modèles de recréer des parties plus longues du côlon. Les modèles devraient permettre de savoir exactement où dans les intestins se trouvent des anomalies et des signes de maladie.
« Nous avons déjà montré que les médecins trouvaient ce type de modèle utile lors de l'évaluation des patients, en plus de disposer d'une vidéo provenant d'une caméra à capsule. Nous avons maintenant montré que nous pouvons calculer des modèles 3D relativement précis en utilisant des images réelles et une technologie déjà existante », a déclaré Floor. dit.
Mieux, plus rapide, plus précis
Dans leur nouveau travail, les chercheurs reconstruisent des images intestinales tridimensionnelles de relativement haute qualité sur la base d'un original plutôt médiocre. Leurs efforts combinés leur permettent de reconstruire la géométrie d’un intestin entier.
« Le modèle 3D peut être utilisé pour ajuster l'éclairage d'une image originale afin que les zones les plus sombres soient mieux éclairées et que plus de détails soient visibles », a déclaré Floor.
« Nous avons tous un côlon, mais l'anatomie et la géométrie de votre intestin sont probablement très différentes de celles de votre voisin. De nouveaux modèles 3D peuvent être adaptés à chaque patient. Ils permettent aux spécialistes d'examiner le tube digestif sous différents angles sur un PC et leur permettent pour mieux planifier et déterminer exactement où une intervention doit avoir lieu, les médecins peuvent également s'entraîner avant des procédures particulièrement difficiles, contribuant ainsi à réduire le risque que quelque chose se passe mal », explique Floor.
Un pas de plus sur le chemin
La grande question est de savoir si ces nouvelles méthodes pourraient constituer une avancée décisive dans la lutte contre le cancer de l’intestin.
« Il est trop tôt pour tirer des conclusions définitives. Premièrement, nous devons affiner ce que nous avons développé et faire davantage de recherches. Cela pourrait prendre un certain temps pour obtenir des résultats statistiquement valides. »
Haut des statistiques sur le cancer
Les chiffres du Registre du cancer de Norvège (en norvégien) montrent que la Norvège arrive en tête des statistiques mondiales en ce qui concerne la prévalence et les décès dus au cancer de l'intestin. Il s’agit de la deuxième forme de cancer la plus répandue dans le pays, avec 4 912 diagnostics de cancer colorectal en 2023.
Les chercheurs avaient initialement des attentes très élevées concernant l’endoscopie par capsule sans fil (WCE). On pensait que les petites capsules pourraient remplacer la coloscopie et la gastroscopie traditionnelles, que certaines personnes trouvent si douloureuses qu'elles refusent de les subir.
Appareil photo dans une capsule
Les caméras à capsule, en revanche, peuvent explorer tous les coins et recoins de l'intestin, presque imperceptiblement et sans douleur, pendant que le patient vaque à ses occupations quotidiennes. Dès qu'elle est avalée, la capsule accompagnée de l'appareil photo entame son pénible voyage à travers le tube digestif. Ce voyage peut prendre plusieurs heures et, en chemin, il transmet des dizaines de milliers d'images. Aussi bonne soit-elle, cette innovation ne fonctionne pas aussi bien pour l’ensemble du tube digestif. La caméra à capsule est la meilleure option pour dépister l’intestin grêle. En ce qui concerne le côlon, il reste encore du chemin à parcourir avant de pouvoir remplacer la coloscopie.
Cela s’explique en partie par le fait qu’il faut beaucoup de temps pour examiner et analyser des volumes de données aussi importants, ce qui signifie qu’il existe une forte possibilité que des signes de maladie passent inaperçus. La capsule suit les mouvements de l’intestin, progressant par à-coups. Mais parfois, la caméra zoome soudainement sur un polype sans le « voir ».
Il manque des détails importants
Il est donc possible qu’une seule image soit prise d’un site critique présentant des signes de maladie. La visibilité à l’intérieur de l’intestin est également très variée, souvent avec peu de lumière et toutes sortes de débris. Les images ont également une mauvaise résolution et rien ne garantit que ce qui pourrait être l’image la plus importante sera nette et claire.
C’est là qu’il est important de pouvoir reconstruire un modèle tridimensionnel à partir d’une seule image, comme l’ont fait Floor et ses collègues. Les nouveaux modèles 3D pourront contribuer à rendre les examens gastro-intestinaux plus précis et moins exigeants – et, à terme, conduire à un meilleur traitement.
Peut être utilisé dans de nombreux domaines
Floor et ses collègues ont formulé plusieurs recommandations sur la façon dont la conception de la technologie pourrait être améliorée pour obtenir des images de qualité encore supérieure. Ils pensent également que la technique pourrait facilement être transférée à d’autres domaines où il serait utile de générer des formes et des modèles tridimensionnels à partir d’images.
Les chercheurs ont écrit que cela pourrait inclure le patrimoine culturel, la robotique et les diagnostics médicaux, pour n'en citer que quelques-uns.
Cet effort fait partie du module de travail 2 du projet du Conseil norvégien de la recherche intitulé « Détection améliorée de pathologies dans les images d'endoscopie par capsule sans fil grâce à l'intelligence artificielle et à la reconstruction 3D (CAPSULE).
Floor fait l'éloge de la collaboration avec Innlandet Hospital Trust, Gjøvik, et affirme qu'elle a été cruciale pour l'avancement du projet. Leurs spécialistes ont joué un rôle crucial, tant dans le choix de la méthodologie que dans l’évaluation des modèles en cours de route.
« Sans les retours de ces médecins, nous serions en grande partie dans l'ignorance », a-t-il déclaré.
