Analyse du potentiel migratoire des cellules cancéreuses par prétraitement et segmentation d'image et classification des données

Analysis of the migratory potential of cancerous cells by image preprocessing, segmentation and classification

• Auteur / Autrice : Tahir Qasim Syed
• Direction : Sylvie Lelandais Bonadè, Christophe Montagne, Vincent Vigneron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement des images et du signal
• Date : Soutenance le 13/12/2011
• Etablissement(s) : Evry-Val d'Essonne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie (Evry ; 2008-2015)
• Jury : Président / Présidente : Éric Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Georgia Barlovatz-Meimon, Jean-Pierre Triboulet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Lezoray, Nicole Vincent

Mots clés

Mots clés contrôlés

Filtres adaptatifs

Bassins hydrographiques

Traitement d'images -- Techniques numériques

Mots clés libres

Classification de données et l'apprentissage machine

Data classification and machine learning

Résumé

Ce travail de thèse s’insère dans un projet de recherche plus global dont l’objectif est d’analyser le potentiel migratoire de cellules cancéreuses. Dans le cadre de ce doctorat, on s’intéresse à l’utilisation du traitement des images pour dénombrer et classifier les cellules présentes dans une image acquise via un microscope. Les partenaires biologistes de ce projet étudient l’influence de l’environnement sur le comportement migratoire de cellules cancéreuses à partir de cultures cellulaires pratiquées sur différentes lignées de cellules cancéreuses. Le traitement d’images biologiques a déjà donné lieu `a un nombre important de publications mais, dans le cas abordé ici et dans la mesure où le protocole d’acquisition des images acquises n'était pas figé, le défi a été de proposer une chaîne de traitements adaptatifs ne contraignant pas les biologistes dans leurs travaux de recherche. Quatre étapes sont détaillées dans ce mémoire. La première porte sur la définition des prétraitements permettant d’homogénéiser les conditions d’acquisition. Le choix d’exploiter l’image des écarts-type plutôt que la luminosité est un des résultats issus de cette première partie. La deuxième étape consiste à compter le nombre de cellules présentent dans l’image. Un filtre original, nommé filtre «halo», permettant de renforcer le centre des cellules afin d’en faciliter leur comptage, a été proposé. Une étape de validation statistique de ces centres permet de fiabiliser le résultat obtenu. L’étape de segmentation des images, sans conteste la plus difficile, constitue la troisième partie de ce travail. Il s’agit ici d’extraire des «vignettes», contenant une seule cellule. Le choix de l’algorithme de segmentation a été celui de la «Ligne de Partage des Eaux», mais il a fallu adapter cet algorithme au contexte des images faisant l’objet de cette étude. La proposition d’utiliser une carte de probabilités comme données d’entrée a permis d’obtenir une segmentation au plus près des bords des cellules. Par contre cette méthode entraine une sur-segmentation qu’il faut réduire afin de tendre vers l’objectif : «une région = une cellule». Pour cela un algorithme utilisant un concept de hiérarchie cumulative basée morphologie mathématique a été développée. Il permet d’agréger des régions voisines en travaillant sur une représentation arborescente de ces régions et de leur niveau associé. La comparaison des résultats obtenus par cette méthode à ceux proposés par d’autres approches permettant de limiter la sur-segmentation a permis de prouver l’efficacité de l’approche proposée. L’étape ultime de ce travail consiste dans la classification des cellules. Trois classes ont été définies : cellules allongées (migration mésenchymateuse), cellules rondes «blebbantes» (migration amiboïde) et cellules rondes «lisses» (stade intermédiaire du mode de migration). Sur chaque vignette obtenue à la fin de l’étape de segmentation, des caractéristiques de luminosité, morphologiques et texturales ont été calculées. Une première analyse de ces caractéristiques a permis d’élaborer une stratégie de classification, à savoir séparer dans un premier temps les cellules rondes des cellules allongées, puis séparer les cellules rondes «lisses» des «blebbantes». Pour cela on divise les paramètres en deux jeux qui vont être utilisés successivement dans ces deux étapes de classification. Plusieurs algorithmes de classification ont été testés pour retenir, au final, l’utilisation de deux réseaux de neurones permettant d’obtenir plus de 80% de bonne classification entre cellules longues et cellules rondes, et près de 90% de bonne classification entre cellules rondes «lisses» et «blebbantes».

This thesis is part of a broader research project which aims to analyze the potential migration of cancer cells. As part of this doctorate, we are interested in the use of image processing to count and classify cells present in an image acquired usinga microscope. The partner biologists of this project study the influence of the environment on the migratory behavior of cancer cells from cell cultures grown on different cancer cell lines. The processing of biological images has so far resulted in a significant number of publications, but in the case discussed here, since the protocol for the acquisition of images acquired was not fixed, the challenge was to propose a chain of adaptive processing that does not constrain the biologists in their research. Four steps are detailed in this paper. The first concerns the definition of pre-processing steps to homogenize the conditions of acquisition. The choice to use the image of standard deviations rather than the brightness is one of the results of this first part. The second step is to count the number of cells present in the image. An original filter, the so-called “halo” filter, that reinforces the centre of the cells in order to facilitate counting, has been proposed. A statistical validation step of the centres affords more reliability to the result. The stage of image segmentation, undoubtedly the most difficult, constitutes the third part of this work. This is a matter of extracting images each containing a single cell. The choice of segmentation algorithm was that of the “watershed”, but it was necessary to adapt this algorithm to the context of images included in this study. The proposal to use a map of probabilities as input yielded a segmentation closer to the edges of cells. As against this method leads to an over-segmentation must be reduced in order to move towards the goal: “one region = one cell”. For this algorithm the concept of using a cumulative hierarchy based on mathematical morphology has been developed. It allows the aggregation of adjacent regions by working on a tree representation ofthese regions and their associated level. A comparison of the results obtained by this method with those proposed by other approaches to limit over-segmentation has allowed us to prove the effectiveness of the proposed approach. The final step of this work consists in the classification of cells. Three classes were identified: spread cells (mesenchymal migration), “blebbing” round cells (amoeboid migration) and “smooth” round cells (intermediate stage of the migration modes). On each imagette obtained at the end of the segmentation step, intensity, morphological and textural features were calculated. An initial analysis of these features has allowed us to develop a classification strategy, namely to first separate the round cells from spread cells, and then separate the “smooth” and “blebbing” round cells. For this we divide the parameters into two sets that will be used successively in Two the stages of classification. Several classification algorithms were tested, to retain in the end, the use of two neural networks to obtain over 80% of good classification between long cells and round cells, and nearly 90% of good Classification between “smooth” and “blebbing” round cells.