Modélisation 3D de la lame criblée en tomographie de cohérence optique (OCT)

3D Modeling of the Lamina Cribrosa in OCT Data

• Auteur / Autrice : Nan Ding
• Direction : Florence Rossant, Michel Paques
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 04/06/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Informatique, télécommunications et électronique de Paris (1992-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d’Informatique, Signal et Image, Électronique et Télécommunication (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Kate Grieve
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gwenolé Quellec, Pierre Charbonnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux neuronaux (informatique)

Glaucome

Nerf optique

Modélisation tridimensionnelle

Tomographie en cohérence optique

Mots clés libres

OCT

Lame criblée

Reconstruction 3D

Recalage d'images 3D

Segmentation des pores

U-Net

OCT

Lamina cribrosa

3D reconstruction

3D image reginstration

Pore segmentation

U-Net

Résumé

La lame criblée (LC), située dans la tête du nerf optique, joue un rôle crucial dans le diagnostic et l'étude du glaucome, la deuxième cause de cécité. Il s'agit d'un maillage collagénique 3D formé de pores, par lesquels les fibres nerveuses passent pour atteindre le cerveau. L'observation 3D in vivo des pores de la LC est désormais possible grâce aux progrès de l'imagerie de tomographie de cohérence optique (OCT). Dans cette étude, nous visons à réaliser automatiquement la reconstruction 3D des pores à partir de volumes OCT, afin d'étudier le remodelage de la LC au cours du glaucome. La résolution limitée de l'OCT conventionnel ainsi que le faible rapport signal à bruit (SNR) posent des problèmes pour caractériser les chemins axonaux avec suffisamment de fiabilité et de précision, sachant qu'il est difficile, même pour des experts, d'identifier les pores dans une seule image en-face. Ainsi, notre première contribution est une méthode innovante de recalage et de fusion de deux volumes OCT 3D orthogonaux pour l'amélioration de la qualité d'image et le rehaussement des pores, ce qui, à notre connaissance, n'avait jamais été réalisé. Les résultats expérimentaux démontrent que notre algorithme est robuste et conduit à un alignement précis. Notre deuxième contribution est la conception d'un réseau de neurones profond, de type attention U-net, pour segmenter les pores de la LC dans les images 2D en-face. Il s'agit de la première tentative de résolution de ce problème par apprentissage profond, les défis posés relevant de l'incomplétude des annotations pour l'apprentissage, et du faible contraste et de la mauvaise résolution des pores. L'analyse comparative avec d'autres méthodes montre que notre approche conduit aux meilleurs résultats. La fusion des volumes OCT et la segmentation des pores dans les images en-face constituent les deux étapes préliminaires à la reconstruction 3D des trajets axonaux, notre troisième contribution. Nous proposons une méthode de suivi des pores fondée sur un algorithme de contour actif paramétrique appliqué localement. Notre modèle intègre les caractéristiques de faible intensité et de régularité des pores. Combiné aux cartes de segmentation 2D, il nous permet de reconstituer plan par plan les chemins axonaux en 3D. Ces résultats ouvrent la voie au calcul de biomarqueurs et facilitent l'interprétation médicale.

The lamina cribrosa (LC) is a 3D collagenous mesh in theoptic nerve head that plays a crucial role in themechanisms and diagnosis of glaucoma, the second leading cause of blindness in the world. The LC is composed of so-called “pores”, namely axonal paths within the collagenous mesh, through which the axons pass to reach the brain. In vivo 3D observation of the LC pores is now possible thanks to advances in Optical Coherence Tomography (OCT) technology. In this study, we aim to automatically perform the 3D reconstruction of pore paths from OCT volumes, in order to study the remodeling of the lamina cribrosa during glaucoma and better understand this disease.The limited axial resolution of conventional OCT as well as the low signal to noise ratio (SNR) poses challenges for the robust characterization of axonal paths with enough reliability, knowing that it is difficult even for experts to identify the pores in a single en-face image. To this end, our first contribution introduces an innovative method to register and fuse 2 orthogonal 3D OCT volumes in order to enhance the pores. This is, to our knowledge, the first time that orthogonal OCT volumes are jointly exploited to achieve better image quality. Experimental results demonstrate that our algorithm is robust and leads to accurate alignment.Our second contribution presents a context-aware attention U-Net method, a deep learning approach using partial points annotation for the accurate pore segmentation in every 2D en-face image. This work is also, to the best of our knowledge, the first attempt to look into the LC pore reconstruction problem using deep learning methods. Through a comparative analysis with other state-of-the-art methods, we demonstrate the superior performance of the proposed approach.Our robust and accurate pore registration and segmentation methods provide a solid foundation for 3D reconstruction of axonal pathways, our third contribution. We propose a pore tracking method based on a locally applied parametric active contour algorithm. Our model integrates the characteristics of low intensity and regularity of pores. Combined with the 2D segmentation maps, it enables us to reconstruct the axonal paths in 3D plane by plane. These results pave the way for the calculation of biomarkers characterizing the LC and facilitate medical interpretation.