Analyse vidéo pour la chirurgie de la cataracte augmentée

The digital era is increasingly changing the world due to the sheer volume of data produced every day. The medical domain is highly affected by this revolution, because analysing this data can be a source of education/support for the clinicians. In this thesis, we propose to reuse the surgery videos recorded in the operating rooms for computer-assisted surgery system. We are chiefly interested in recognizing the surgical gesture being performed at each instant in order to provide relevant information. To achieve this goal, this thesis addresses the surgical tool recognition problem, with applications in cataract surgery. The main objective of this thesis is to address the surgical tool recognition problem in cataract surgery videos.In the surgical field, those tools are partially visible in videos and highly similar to one another. To address the visual challenges in the cataract surgical field, we propose to add an additional camera filming the surgical tray. Our goal is to detect the tool presence in the two complementary types of videos: tool-tissue interaction and surgical tray videos. The former records the patient's eye and the latter records the surgical tray activities.Two tasks are proposed to perform the task on the surgical tray videos: tools change detection and tool presence detection.First, we establish a similar pipeline for both tasks. It is based on standard classification methods on top of visual learning features. It yields satisfactory results for the tools change task, howev-lateer, it badly performs the surgical tool presence task on the tray. Second, we design deep learning architectures for the surgical tool detection on both video types in order to address the difficulties in manually designing the visual features.To alleviate the inherent challenges on the surgical tray videos, we propose to generate simulated surgical tray scenes along with a patch-based convolutional neural network (CNN).Ultimately, we study the temporal information using RNN processing the CNN results. Contrary to our primary hypothesis, the experimental results show deficient results for surgical tool presence on the tray but very good results on the tool-tissue interaction videos. We achieve even better results in the surgical field after fusing the tool change information coming from the tray and tool presence signals on the tool-tissue interaction videos.L’ère numérique change de plus en plus le monde en raison de la quantité de données récoltées chaque jour. Le domaine médical est fortement affecté par cette explosion, car l’exploitation de ces données est un véritable atout pour l’aide à la pratique médicale. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser les vidéos chirurgicales dans le but de créer un système de chirurgie assistée par ordinateur. Nous nous intéressons principalement à reconnaître les gestes chirurgicaux à chaque instant afin de fournir aux chirurgiens des recommandations et des informations pertinentes. Pour ce faire, l’objectif principal de cette thèse est de reconnaître les outils chirurgicaux dans les vidéos de chirurgie de la cataracte. Dans le flux vidéo du microscope, ces outils sont partiellement visibles et certains se ressemblent beaucoup. Pour relever ces défis, nous proposons d'ajouter une caméra supplémentaire filmant la table opératoire. Notre objectif est donc de détecter la présence des outils dans les deux types de flux vidéo : les vidéos du microscope et les vidéos de la table opératoire. Le premier enregistre l'oeil du patient et le second enregistre les activités de la table opératoire. Deux tâches sont proposées pour détecter les outils dans les vidéos de la table : la détection des changements et la détection de présence d'outil. Dans un premier temps, nous proposons un système similaire pour ces deux tâches. Il est basé sur l’extraction des caractéristiques visuelles avec des méthodes de classification classique. Il fournit des résultats satisfaisants pour la détection de changement, cependant, il fonctionne insuffisamment bien pour la tâche de détection de présence des outils sur la table. Dans un second temps, afin de résoudre le problème du choix des caractéristiques, nous utilisons des architectures d’apprentissage profond pour la détection d'outils chirurgicaux sur les deux types de vidéo. Pour surmonter les défis rencontrés dans les vidéos de la table, nous proposons de générer des vidéos artificielles imitant la scène de la table opératoire et d’utiliser un réseau de neurones à convolutions (CNN) à base de patch. Enfin, nous exploitons l'information temporelle en utilisant un réseau de neurones récurrent analysant les résultats de CNNs. Contrairement à notre hypothèse, les expérimentations montrent des résultats insuffisants pour la détection de présence des outils sur la table, mais de très bons résultats dans les vidéos du microscope. Nous obtenons des résultats encore meilleurs dans les vidéos du microscope après avoir fusionné l’information issue de la détection des changements sur la table et la présence des outils dans l’oeil