Classification des images IRM multimodales par l’apprentissage profond : Application au diagnostique de la maladie d’Alzheimer

Classification of multimodal MRI images using Deep Learning : Application to the diagnosis of Alzheimer’s disease.

• Auteur / Autrice : Karim Aderghal
• Direction : Jenny Benois Pineau, Karim Afdel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 26/02/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Université Ibn Zohr (Agadir)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de mathématiques et informatique (Talence, Gironde ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire bordelais de recherche en informatique
• Jury : Président / Présidente : Pascal Desbarats
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jenny Benois Pineau, Karim Afdel, Christine Fernandez-Maloigne, Mohamed Sagdal, Mohamed El Adnani, Mohamed El Ansari, Su Ruan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Fernandez-Maloigne, Mohamed Sagdal, Mohamed El Adnani, Mohamed El Ansari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage profond

Imagerie par résonance magnétique

Alzheimer, Maladie d'

Traitement d'images -- Techniques numériques

Mots clés libres

Maladie d’Alzheimer

Imagerie par Résonance Magnétique

Apprentissage Profond

Réseaux neuronaux convolutifs

Traitement d’image

Deep Learning

Alzheimer’s Disease

Magnetic Resonance Imaging

Diffusion Tensor Imaging

Image processing

Résumé

Dans cette thèse, nous nous intéressons à la classification automatique des images IRM cérébrales pour le diagnostic de la maladie d’Alzheimer (MA). Nous cherchons à construire des modèles intelligents qui fournissent au clinicien des décisions sur l’état de la maladie d’un patient à partir de caractéristiques visuelles extraites d’images IRM. L’objectif consiste à classifier les patients (sujets) en trois catégories principales : sujets sains (NC), sujets atteints de troubles cognitifs légers (MCI), et sujets atteints de la maladie d’Alzheimer (AD). Nous utilisons des méthodes d’apprentissage profond (Deep learning), plus précisément les réseaux neuronaux convolutifs (CNN) basés sur des biomarqueurs visuels à partir d’images IRM multimodales (IRM structurelle et l’IRM de tenseur de diffusion - DTI), pour détecter les changements structurels dans le cerveau, en particulier dans la région hippocampique du cortex limbique. Nous proposons une approche appelée "2-D+e" appliquée sur notre ROI (Region-of-Interest): hippocampe. Cette approche permet d’extraire des coupes 2D à partir de trois plans (sagittale, coronale et axiale) de notre région en préservant les dépendances spatiales entre les coupes adjacentes selon chaque dimension. Nous présentons une étude complète de différentes méthodes artificielles d’augmentation de données, ainsi que différentes approches d’équilibrage de données pour analyser l’impact de ces conditions sur nos modèles pendant la phase d’entraînement. Ensuite, nous proposons nos méthodes pour combiner des informations provenant de différentes sources (projections/modalités) avec notamment deux stratégies de fusion (fusion précoce et fusion tardive). Enfin, nous présentons des schémas d’apprentissage par transfert en introduisant trois cadres : (i) un schéma inter-modale (IRM structurelle et DTI), (ii) un schéma inter-domaine qui implique des données externes (MNIST), (iii) et un schéma hybride avec ces deux méthodes (i) et (ii). Les méthodes que nous proposons conviennent à l’utilisation des réseaux (CNN) peu profonds pour les images IRM multimodales. Elles donnent des résultats encourageants même si le modèle est entraîné sur de petits ensembles de données, ce qui est souvent le cas en analyse d’images médicales.

In this thesis, we are interested in the automatic classification of brain MRI images to diagnose Alzheimer’s disease (AD). We aim to build intelligent models that provide decisions about a patient’s disease state to the clinician based on visual features extracted from MRI images. The goal is to classify patients (subjects) into three main categories: healthy subjects (NC), subjects with mild cognitive impairment (MCI), and subjects with Alzheimer’s disease (AD). We use deep learning methods, specifically convolutional neural networks (CNN) based on visual biomarkers from multimodal MRI images (structural MRI and DTI), to detect structural changes in the brain hippocampal region of the limbic cortex. We propose an approach called "2-D+e" applied to our ROI (Region-of-Interest): the hippocampus. This approach allows extracting 2D slices from three planes (sagittal, coronal, and axial) of our region by preserving the spatial dependencies between adjacent slices according to each dimension. We present a complete study of different artificial data augmentation methods and different data balancing approaches to analyze the impact of these conditions on our models during the training phase. We propose our methods for combining information from different sources (projections/modalities), including two fusion strategies (early fusion and late fusion). Finally, we present transfer learning schemes by introducing three frameworks: (i) a cross-modal scheme (using sMRI and DTI), (ii) a cross-domain scheme that involves external data (MNIST), and (iii) a hybrid scheme with these two methods (i) and (ii). Our proposed methods are suitable for using shallow CNNs for multimodal MRI images. They give encouraging results even if the model is trained on small datasets, which is often the case in medical image analysis.