Analyse automatique des images des frottis sanguins : intérêt de la phase en microscopie ptychographique de Fourier

Automatic analysis of blood smears images : contribution of phase modality in Fourier Ptychographic Microscopy

• Auteur / Autrice : Houda Hassini
• Direction : Yaneck Gottesman, Bernadette Dorizzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique, données, IA
• Date : Soutenance le 25/06/2024
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SAMOVAR - Services répartis, Architectures, Modélisation, Validation, Administration des Réseaux - Institut Polytechnique de Paris / IP Paris - Département Electronique et Physique / TSP - EPH - ARMEDIA / ARMEDIA-SAMOVAR
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Télécom SudParis (Evry ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Elsa D. Angelini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jihad Zallat, Laurent Barthès, Pauline Trouvé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jihad Zallat, Laurent Barthès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (physiologie)

Imagerie

Mots clés libres

Microscopie ptychographique de Fourier

Réseaux de neurones profonds

Réseaux antagonistes génératifs

Hématopathologie

Fourier Ptychographic Microscopy

Deep neural networks

Generative Adversarial Network

Hematopathology

Résumé

La pathologie numérique constitue aujourd'hui un outil fondamental pour le diagnostic médical, exploitant les avancées technologiques en matière de numérisation pour transformer les échantillons biologiques en données numériques, facilitant ainsi leur visualisation et leur analyse. Cependant, ces méthodes, souvent basées sur la microscopie conventionnelle, rencontrent des limitations qui entravent parfois leur efficacité. Dans ce contexte, des méthodes d'imagerie non conventionnelles telles que la microscopie ptychographique de Fourier (FPM) offrent des perspectives prometteuses pour surmonter ces limitations. En effet, la FPM offre un accès à la phase en complément de l'intensité et permet d'examiner un large champ de vision à haute résolution à un coût de conception raisonnable. Cette thèse explore le potentiel de la microscopie ptychographique de Fourier dans l'analyse des frottis sanguins minces. Plusieurs résultats ont été obtenus grâce à une approche multidisciplinaire intégrant l'apprentissage en profondeur et la microscopie. Nous nous concentrons d'abord sur le problème limité de la détection des parasites pour le diagnostic du paludisme. L'exploitation conjointe de l'intensité et de la phase permet d'améliorer les performances d'un détecteur de réseau neuronal profond. À cette fin, un CNN à valeurs complexes a été introduit dans l'architecture Faster-RCNN pour une extraction efficace des caractéristiques. Ensuite, nous examinons une application plus complexe, à savoir la classification des globules blancs, où les avantages de l'exploitation conjointe de l'intensité et de la phase ont également été confirmés. Nous nous intéressons également au problème du déséquilibre des classes rencontré dans cette tâche, nous proposons un nouveau modèle GAN informé par la physique dédié à la génération d'images d'intensité et de phase. Ce modèle évite le problème de mode collapse rencontré avec l'implémentation habituelle des GAN. Enfin, nous considérons l'optimisation de la conception du microscope FPM. À cette fin, nous explorons des stratégies combinant simulations, réseaux neuronaux et modélisation de la formation d'images. Nous démontrons que la FPM peut utiliser des résolutions faibles sans compromettre significativement les performances. Cette thèse souligne l'intérêt d'adapter l'apprentissage automatique en lien avec les principes de la microscopie et met en évidence le potentiel de la microscopie ptychographique de Fourier pour les futurs systèmes de diagnostic automatisés.

Digital pathology presents today a fundamental tool for medical diagnosis, exploiting technological advances in digitalization to transform biological samples into digital data, thus facilitating their visualization and analysis. However, these methods, often based on conventional microscopy, encounter limitations that sometimes hinder their effectiveness.From this perspective, unconventional imaging methods such as Fourier ptychographic microscopy offer promising prospects for overcoming these limitations. Indeed, FPM offers access to the phase in complement of the intensity and allows examining a large Field of View at a high resolution at a reasonable design cost.This thesis explores Fourier ptychographic microscopy (FPM) 's potential in thin blood smear analysis. Several results have been obtained thanks to a multidisciplinary approach integrating deep learning and microscopy.We have first focused our attention on the problem of limited complexity of parasite detection for malaria diagnosis. The joint exploitation of intensity and phase is shown to improve the performance of a deep network detector. To this end, a complex-valued CNN has been introduced in Faster-RCNN architecture for efficient feature extraction.Secondly, we have considered a more complex application, namely the classification of white blood cells, where the benefits of joint exploitation of intensity and phase were also confirmed. Furthermore, to reduce the imbalance of classes encountered in this task, we propose a novel physics-informed GAN model dedicated to generating intensity and phase images. This model avoids the mode collapse problem faced with usual GAN implementation.Finally, we have considered optimizing the FPM microscope design. To this end, we explore strategies combining simulations, neural networks, and image formation modeling. We demonstrate that FPM can use low resolutions without significantly compromising performance.This thesis underscores the interest in tailoring machine learning in connection to microscopy principles and highlights the potential of Fourier ptychographic microscopy for future automated diagnosis systems.