La modélisation 3D d’une seule image du côlon peut permettre un diagnostic rapide de la maladie

En utilisant une seule image provenant d’une caméra d’endoscopie par capsule, les scientifiques ont réussi à créer un modèle tridimensionnel du côlon. Cette nouvelle méthode fournit des images nettement meilleures et peut aider les spécialistes à identifier les maladies plus rapidement.

Notre travail montre qu’il est possible de créer un modèle tridimensionnel (3D) assez précis des côlons de certains patients sur la base d’une seule image capturée par une caméra d’endoscopie par capsule – même s’il s’agit d’une image de faible qualité.

Pål Anders Floor, chercheur, Faculté d’informatique, NTNU

Objectif : de meilleures images, des diagnostics plus rapides

Il travaille depuis plusieurs années à reconstruire un modèle 3D presque identique de l’intestin à l’aide d’images de caméras d’endoscopie par capsule. Ces caméras ont été utilisées pour la première fois il y a plus de 20 ans, mais la mauvaise qualité d’image et le bruit ont empêché cette technologie intelligente de devenir véritablement courante. La nouvelle étude, « Reconstruction 3D d’images endoscopiques à partir d’une seule image » a été récemment publié dans le Journal d’imagerie. Cela fait partie de la thèse de doctorat de Bilal Ahmad sous la direction de Floor et du 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. Vous pourrez alors identifier plus facilement les maladies et poser des diagnostics plus rapidement. Il s’agit d’étapes importantes vers l’objectif ultime : lutter contre le cancer du côlon, le deuxième cancer le plus répandu en Norvège.

Un côlon en caoutchouc, un endoscope et des mathématiques

À l’aide d’un côlon artificiel, d’images individuelles enregistrées par endoscopie et d’un algorithme spécial, les chercheurs du NTNU ont réussi à reconstruire un modèle tridimensionnel de l’intestin. L’endoscope remplit la même tâche 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 l’algorithme 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.

Véritable copie intestinale, recréée sur PC

Lorsque les algorithmes reçoivent des images bruitées ou dont la couleur est déformée, les erreurs se propagent 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 gros avantages pour les médecins

Floor et ses collègues ont également travaillé au développement de modèles 3D basés sur des séquences de plusieurs images capturées par des caméras à capsule. Cela permet aux modèles de reproduire des parties plus longues du côlon. Les modèles sont destinés à permettre de découvrir exactement où se trouvent des anomalies et des signes de maladie dans l’intestin.

« Nous avons déjà montré que les médecins trouvent ce type de modèle utile pour évaluer les patients, ainsi que la vidéo d’une caméra capsule. “Nous avons maintenant montré que nous pouvons calculer des modèles 3D relativement précis en utilisant des images réelles et la technologie existante”, a déclaré Floor.

Mieux, plus rapide, plus précis

Dans leur nouveau travail, les chercheurs reconstruisent des images intestinales tridimensionnelles de relativement haute qualité, basées sur 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 côlon sont probablement très différentes de celles de votre voisin. De nouveaux modèles 3D peuvent être personnalisés pour chaque patient. Ils permettent aux spécialistes d’examiner et d’activer le tube digestif sous différents angles sur le PC. Cela permet aux médecins de mieux planifier et de déterminer exactement où une opération doit avoir lieu et peuvent donc s’entraîner avant des procédures particulièrement difficiles, réduisant ainsi le risque que quelque chose se produise faux », dit Floor.

Un pas de plus sur le chemin

La grande question est de savoir si ces nouvelles méthodes pourraient représenter une avancée décisive dans la lutte contre le cancer du côlon.

« Il est encore trop tôt pour tirer des conclusions définitives. Premièrement, nous devons affiner ce que nous avons développé et faire davantage de recherches. Cela pourrait prendre beaucoup de temps avant d’obtenir des résultats statistiquement valides.

Leader en statistiques sur le cancer

Les chiffres du registre norvégien du cancer (en norvégien) montrent que la Norvège est en tête des statistiques mondiales en matière de prévalence du cancer. Décès dus au cancer du côlon. Avec 4 912 cancers du côlon diagnostiqués en 2023, c’est le deuxième cancer le plus répandu dans le pays.

Les chercheurs avaient initialement des attentes très élevées à l’égard de 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 se soumettre à un tel examen.

Appareil photo dans une capsule

Les caméras à capsule, en revanche, peuvent examiner tous les recoins de l’intestin de manière presque imperceptible 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 des dizaines de milliers d’images sont transmises. Aussi bonne soit-elle, cette innovation n’a pas le même effet positif sur l’ensemble du tube digestif. La caméra capsule est le meilleur moyen d’examiner l’intestin grêle. En ce qui concerne le côlon, le chemin est encore long avant de pouvoir remplacer la coloscopie.

Cela s’explique en partie par le fait que l’examen et l’analyse d’une telle quantité de données prennent beaucoup de temps, ce qui signifie qu’il est possible que des signes de maladie passent inaperçus. La capsule suit les mouvements des intestins et avance 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’une zone critique présentant des signes de maladie. La vue à l’intérieur de l’intestin est également très différente, souvent avec peu de lumière et toutes sortes de dépôts. De plus, les images ont une mauvaise résolution et il n’y a aucune garantie que ce qui pourrait être l’image la plus importante soit nette et claire.

C’est là tout l’importance de pouvoir reconstruire un modèle tridimensionnel à partir d’une seule image, comme Floor et ses collègues sont désormais parvenus à le faire. Les nouveaux modèles 3D peuvent contribuer à rendre les examens gastro-intestinaux plus précis et moins exigeants – et finalement 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 produire des images de qualité encore supérieure. Ils pensent également que la technique pourrait être facilement 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, entre autres, le patrimoine culturel, la robotique et les diagnostics médicaux.

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 utilisant l’intelligence artificielle et la reconstruction 3D (CAPSULE) ».

Floor fait l’éloge de la collaboration avec Innlandet Hospital Trust de Gjøvik, affirmant 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.

« Sans les retours de ces médecins, nous serions en grande partie dans le flou », a-t-il déclaré.