Détection du cancer dans les images de tomographie par cohérence optique plein champ

Cancer Detection in Full Field Optical Coherence Tomography Images

• Auteur / Autrice : Diana Mandache
• Direction : Jean-Christophe Olivo-Marin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/12/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pasteur (Paris). Unité d'Analyse d'images biologiques
• Jury : Président / Présidente : Christine Decaestecker
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vannary Meas-Yedid, Auguste Genovesio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Petr Dokladal, Nedra Mellouli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage supervisé (intelligence artificielle)

Réseaux neuronaux (informatique)

Cancer -- Diagnostic

Tomographie en cohérence optique

Mots clés libres

Tomographie par cohérence optique plein champ

Réseaux de neurones convolutifs

Apprentissage de représentations

Pathologie numérique

Détection du cancer

Aide au diagnostic

Full-field optical coherence tomography

Convolutional neural networks

Representation learning

Digital pathology

Cancer detection

Aid to diagnosis

Résumé

Le cancer est une des principales cause de décès dans le monde et donc un problème majeur de santé publique. Plusieurs techniques d'imagerie biomédicale servent à la recherche et aux efforts cliniques pour améliorer le pronostic du patient. Nous étudions l'utilisation d'une nouvelle famille de techniques d'imagerie, la tomographie par cohérence optique plein champ statique et dynamique, qui permet une analyse du tissu plus rapide que la technique de référence en histopathologie. Afin de faciliter l'interprétation de cette nouvelle imagerie, nous développons plusieurs méthodes exploratoires basées sur des données issues d'études cliniques. Nous proposons une méthode analytique pour une meilleure caractérisation du signal interférométrique dynamique brut, ainsi que de multiples méthodes d'aide au diagnostic à partir des images. Pour cela, des réseaux neuronaux convolutifs ont été exploités sous différents paradigmes: (i) apprentissage entièrement supervisé, dont la capacité de prédiction dépasse la performance du pathologiste; (ii) apprentissage par instances multiples, qui permet de surmonter le manque d’annotations d’experts; (iii) apprentissage contrastif, qui exploite la multi-modalité des données. Nous portons une grande attention à la validation et au décryptage des modèles boîte noire pour garantir leur bonne généralisation et enfin trouver des biomarqueurs spécifiques.

Cancer is a leading cause of death worldwide making it a major public health concern. Different biomedical imaging techniques accompany both research and clinical efforts towards improving patient outcome. In this work we explore the use of a new family of imaging techniques, static and dynamic full field optical coherence tomography, which allow for a faster tissue analysis than gold standard histology. In order to facilitate the interpretation of this new imaging, we develop several exploratory methods based on data curated from clinical studies. We propose an analytical method for a better characterization of the raw dynamic interferometric signal, as well as multiple diagnostic support methods for the images. Accordingly, convolutional neural networks were exploited under various paradigms: (i) fully supervised learning, whose prediction capability surpasses the pathologist performance; (ii) multiple instance learning, which accommodates the lack of expert annotations; (iii) contrastive learning, which exploits the multi-modality of the data. Moreover, we highly focus on method validation and decoding the trained "black box" models to ensure their good generalization and to ultimately find specific biomarkers.