Décompositions parcimonieuses pour l'analyse avancée de données en spectrométrie pour la Santé

Sparse decompositions for advanced data analysis of hyperspectral data in biological applications

• Auteur / Autrice : Jérémy Rapin
• Direction : Jean-Luc Starck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie informatique, automatique et traitement du signal
• Date : Soutenance le 19/12/2014
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'intégration des systèmes et des technologies (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2001-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Larzabal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Starck, Pascal Larzabal, Christian Jutten, Gabriel Peyré, Anthony Larue, David Brie, Pierre Vandergheynst
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Jutten, Gabriel Peyré

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séparation de sources (traitement du signal)

Optimisation non différentiable

Ondelettes

Mots clés libres

NMF

SSA

LC-MS

Parcimonie

Ondelettes

Positivité

NMF

BSS

LC-MS

Sparsity

Wavelets

Non-negativity

Résumé

La séparation de sources en aveugle (SSA) vise à rechercher des signaux sources inconnus et mélangés de manière inconnue au sein de plusieurs observations. Cette approche très générique et non-supervisée ne fournit cependant pas nécessairement des résultats exploitables. Il est alors nécessaire d’ajouter des contraintes, notamment physiques, afin de privilégier la recherche de sources ayant une structure particulière. La factorisation en matrices positives (non-negative matrix factorization, NMF) qui fait plus précisément l’objet de cette thèse recherche ainsi des sources positives observées au travers de mélanges linéaires positifs.L’ajout de davantage d’information reste cependant souvent nécessaire afin de pouvoir séparer les sources. Nous nous intéressons ainsi au concept de parcimonie qui permet d’améliorer le contraste entre celles-ci tout en produisant des approches très robustes, en particulier au bruit. Nous montrons qu’afin d’obtenir des solutions stables, les contraintes de positivité et la régularisation parcimonieuse doivent être appliqués de manière adéquate. Aussi, l’utilisation de la parcimonie dans un espace transformé potentiellement redondant, permettant de capturer la structure de la plu- part des signaux naturels, se révèle difficile à appliquer au côté de la contrainte de positivité dans l’espace direct. Nous proposons ainsi un nouvel algorithme de NMF parcimonieuse, appelé nGMCA (non-negative Generalized Morphological Component Analysis), qui surmonte ces difficultés via l’utilisation de techniques de calcul proximal. Des expérimentations sur des données simulées montrent que cet algorithme est robuste à une contamination par du bruit additif Gaussien, à l’aide d’une gestion automatique du paramètre de parcimonie. Des comparaisons avec des algorithmes de l’état-de-l’art en NMF sur des données réalistes montrent l’efficacité ainsi que la robustesse de l’approche proposée.Finalement, nous appliquerons nGMCA sur des données de chromatographie en phase liquide - spectrométrie de masse (liquid chromatography - mass spectrometry, LC-MS). L’observation de ces données montre qu’elles sont contaminées par du bruit multiplicatif, lequel détériore grandement les résultats des algorithmes de NMF. Une extension de nGMCA conçue pour prendre en compte ce type de bruit à l’aide d’un a priori non-stationnaire permet alors d’obtenir d’excellents résultats sur des données réelles annotées.

Blind source separation aims at extracting unknown source signals from observations where these sources are mixed together by an unknown process. However, this very generic and non-supervised approach does not always provide exploitable results. Therefore, it is often necessary to add more constraints, generally arising from physical considerations, in order to favor the recovery of sources with a particular sought-after structure. Non-negative matrix factorization (NMF), which is the main focus of this thesis, aims at searching for non-negative sources which are observed through non-negative linear mixtures.In some cases, further information still remains necessary in order to correctly separate the sources. Here, we focus on the sparsity concept, which helps improving the contrast between the sources, while providing very robust approaches, even when the data are contaminated by noise. We show that in order to obtain stable solutions, the non-negativity and sparse constraints must be applied adequately. In addition, using sparsity in a potentially redundant transformed domain could allow to capture the structure of most of natural image, but this kind of regularization proves difficult to apply together with the non-negativity constraint in the direct domain. We therefore propose a sparse NMF algorithm, named nGMCA (non-negative Generalized Morphological Component Analysis), which overcomes these difficulties by making use of proximal calculus techniques. Experiments on simulated data show that this algorithm is robust to additive Gaussian noise contamination, with an automatic control of the sparsity parameter. This novel algorithm also proves to be more efficient and robust than other state-of-the-art NMF algorithms on realistic data.Finally, we apply nGMCA on liquid chromatography - mass spectrometry data. Observation of these data show that they are contaminated by multiplicative noise, which greatly deteriorates the results of the NMF algorithms. An extension of nGMCA was designed to take into account this type of noise, thanks to the use of a non-stationary prior. This extension is then able to obtain excellent results on annotated real data.