Représentation réduite de la segmentation et du suivi des images cardiaques pour l’analyse longitudinale de groupe

Reduced representation of segmentation and tracking in cardiac images for group-wise longitudinal analysis

• Auteur / Autrice : Marc-Michel Rohé
• Direction : Xavier Pennec, Maxime Sermesant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 03/07/2017
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Analysis and Simulation of Biomedical Images
• Jury : Président / Présidente : Patrick Clarysse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xavier Pennec, Maxime Sermesant, Patrick Clarysse, Julia Schnabel, Alistair Young, Andrew M. Taylor
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julia Schnabel, Alistair Young

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles linéaires (statistique)

Apprentissage automatique

Recalage d'images

Imagerie médicale

Mots clés libres

Analyse d’images médicales

Recalage non-rigide

Apprentissage profond

Réduction statistique de modèle

Analyse longitudinale

Medical image analysis

Non-rigid registration

Deep learning

Statistical model reduction

Longitudinal analysis

Résumé

Cette thèse présente des méthodes d’imagerie pour l’analyse du mouvement cardiaque afin de permettre des statistiques groupées, un diagnostic automatique et une étude longitudinale. Ceci est réalisé en combinant des méthodes d’apprentissage et de modélisation statistique. En premier lieu, une méthode automatique de segmentation du myocarde est définie. Pour ce faire, nous développons une méthode de recalage très rapide basée sur des réseaux neuronaux convolutifs qui sont entrainés à apprendre le recalage cardiaque inter-sujet. Ensuite, nous intégrons cette méthode de recalage dans une pipeline de segmentation multi-atlas. Ensuite, nous améliorons des méthodes de suivi du mouvement cardiaque afin de définir des représentations à faible dimension. Deux méthodes différentes sont développées, l’une s’appuyant sur des sous-espaces barycentriques construits sur des frames de référence de la séquence et une autre basée sur une représentation d’ordre réduit du mouvement avec des transformations polyaffine. Enfin, nous appliquons la représentation précédemment définie au problème du diagnostic et de l’analyse longitudinale. Nous montrons que ces représentations en- codent des caractéristiques pertinentes permettant le diagnostic des patients atteint d’infarct et de Tétralogie de Fallot ainsi que l’analyse de l’évolution dans le temps du mouvement cardiaque des patients atteints de cardiomyopathies ou d’obésité. Ces trois axes forment un cadre pour l’étude du mouvement cardiaque de bout en bout de l’acquisition des images médicales jusqu’à leur analyse automatique afin d’améliorer la prise de décision clinique grâce à un traitement personnalisé assisté par ordinateur.

This thesis presents image-based methods for the analysis of cardiac motion to enable group-wise statistics, automatic diagnosis and longitudinal study. This is achieved by combining advanced medical image processing with machine learning methods and statistical modelling. The first axis of this work is to define an automatic method for the segmentation of the myocardium. We develop a very-fast registration method based on convolutional neural networks that is trained to learn inter-subject heart registration. Then, we embed this registration method into a multi-atlas segmentation pipeline. The second axis of this work is focused on the improvement of cardiac motion tracking methods in order to define relevant low-dimensional representations. Two different methods are developed, one relying on Barycentric Subspaces built on ref- erences frames of the sequence, and another based on a reduced order representation of the motion from polyaffine transformations. Finally, in the last axis, we apply the previously defined representation to the problem of diagnosis and longitudinal analysis. We show that these representations encode relevant features allowing the diagnosis of infarcted patients and Tetralogy of Fallot versus controls and the analysis of the evolution through time of the cardiac motion of patients with either cardiomyopathies or obesity. These three axes form an end to end framework for the study of cardiac motion starting from the acquisition of the medical images to their automatic analysis. Such a framework could be used for diagonis and therapy planning in order to improve the clinical decision making with a more personalised computer-aided medicine.