Analyse automatique de la fonction cardiaque par intelligence artificielle : approche multimodale pour un dispositif d'échocardiographie portable

Automatic analysis of cardiac function with artificial intelligence : multimodal approach for portable echocardiographic devices

• Auteur / Autrice : Yingyu Yang
• Direction : Maxime Sermesant, Pamela Moceri
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, traitement du signal et des images
• Date : Soutenance le 19/12/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Bernard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maxime Sermesant, Pamela Moceri, Olivier Bernard, Julia Schnabel, Andrew King, Maria Alejandra Zuluaga Valencia, Mehdi Benchoufi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julia Schnabel, Andrew King

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitement d'images -- Techniques numériques

Électrocardiographie

Échocardiographie

Apprentissage profond

Infarctus du myocarde

Maladies cardiovasculaires -- Diagnostic

Intelligence artificielle en médecine

Mots clés libres

Analyse de la fonction cardiaque

Apprentissage profond

Segmentation de l’échocardiographie

Suivi du mouvement en échocardiographie

Décomposition de l’électrocardiogramme

Apprentissage multimodal

Apprentissage profond avec incertitude

Cardiac function analysis

Deep learning

Echocardiography segmentation

Echocardiography motion tracking

Electrocardiogram decomposition

Multi-modal learning

Deep learning with uncertainty

Résumé

Selon le rapport annuel de la Fédération Mondiale du Cœur de 2023, les maladies cardiovasculaires (MCV) représentaient près d'un tiers de tous les décès mondiaux en 2021. Comparativement aux pays à revenu élevé, plus de 80% des décès par MCV surviennent dans les pays à revenu faible et intermédiaire. La répartition inéquitable des ressources de diagnostic et de traitement des MCV demeure toujours non résolue. Face à ce défi, les dispositifs abordables d'échographie de point de soins (POCUS) ont un potentiel significatif pour améliorer le diagnostic des MCV. Avec l'aide de l'intelligence artificielle (IA), le POCUS permet aux non-experts de contribuer, améliorant ainsi largement l'accès aux soins, en particulier dans les régions moins desservies.L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes robustes et automatiques pour analyser la fonction cardiaque à l'aide de dispositifs POCUS, en mettant l'accent sur l'échocardiographie et l'électrocardiogramme. Notre premier objectif est d'obtenir des caractéristiques cardiaques explicables à partir de chaque modalité individuelle. Notre deuxième objectif est d'explorer une approche multimodale en combinant les données d'échocardiographie et d'électrocardiogramme.Nous commençons par présenter deux nouvelles structures d'apprentissage profond (DL) pour la segmentation de l'échocardiographie et l'estimation du mouvement. En incorporant des connaissance a priori de forme et de mouvement dans les modèles DL, nous démontrons, grâce à des expériences approfondies, que de tels a priori contribuent à améliorer la précision et la généralisation sur différentes séries de données non vues. De plus, nous sommes en mesure d'extraire la fraction d'éjection du ventricule gauche (FEVG), la déformation longitudinale globale (GLS) et d'autres indices utiles pour la détection de l'infarctus du myocarde (IM).Ensuite, nous proposons un modèle DL explicatif pour la décomposition non supervisée de l'électrocardiogramme. Ce modèle peut extraire des informations explicables liées aux différentes sous-ondes de l'ECG sans annotation manuelle. Nous appliquons ensuite ces paramètres à un classificateur linéaire pour la détection de l'infarctus du myocarde, qui montre une bonne généralisation sur différentes séries de données.Enfin, nous combinons les données des deux modalités pour une classification multimodale fiable. Notre approche utilise une fusion au niveau de la décision intégrant de l'incertitude, permettant l'entraînement avec des données multimodales non appariées. Nous évaluons ensuite le modèle entraîné à l'aide de données multimodales appariées, mettant en évidence le potentiel de la détection multimodale de l'IM surpassant celle d'une seule modalité.Dans l'ensemble, nos algorithmes proposés robustes et généralisables pour l'analyse de l'échocardiographie et de l'ECG démontrent un potentiel significatif pour l'analyse de la fonction cardiaque portable. Nous anticipons que notre cadre pourrait être davantage validé à l'aide de dispositifs portables du monde réel.

According to the 2023 annual report of the World Heart Federation, cardiovascular diseases (CVD) accounted for nearly one third of all global deaths in 2021. Compared to high-income countries, more than 80% of CVD deaths occurred in low and middle-income countries. The inequitable distribution of CVD diagnosis and treatment resources still remains unresolved. In the face of this challenge, affordable point-of-care ultrasound (POCUS) devices demonstrate significant potential to improve the diagnosis of CVDs. Furthermore, by taking advantage of artificial intelligence (AI)-based tools, POCUS enables non-experts to help, thus largely improving the access to care, especially in less-served regions.The objective of this thesis is to develop robust and automatic algorithms to analyse cardiac function for POCUS devices, with a focus on echocardiography (ECHO) and electrocardiogram (ECG). Our first goal is to obtain explainable cardiac features from each single modality respectively. Our second goal is to explore a multi-modal approach by combining ECHO and ECG data.We start by presenting two novel deep learning (DL) frameworks for echocardiography segmentation and motion estimation tasks, respectively. By incorporating shape prior and motion prior into DL models, we demonstrate through extensive experiments that such prior can help improve the accuracy and generalises well on different unseen datasets. Furthermore, we are able to extract left ventricle ejection fraction (LVEF), global longitudinal strain (GLS) and other useful indices for myocardial infarction (MI) detection.Next, we propose an explainable DL model for unsupervised electrocardiogram decomposition. This model can extract interpretable information related to different ECG subwaves without manual annotation. We further apply those parameters to a linear classifier for myocardial infarction detection, which showed good generalisation across different datasets.Finally, we combine data from both modalities together for trustworthy multi-modal classification. Our approach employs decision-level fusion with uncertainty, allowing training with unpaired multi-modal data. We further evaluate the trained model using paired multi-modal data, showcasing the potential of multi-modal MI detection to surpass that from a single modality.Overall, our proposed robust and generalisable algorithms for ECHO and ECG analysis demonstrate significant potential for portable cardiac function analysis. We anticipate that our novel framework could be further validated using real-world portable devices. We envision that such advanced integrative tools may significantly contribute towards better identification of CVD patients.