Contributions to Mean Shift filtering and segmentation : Application to MRI ischemic data

par Thing Li

Thèse de doctorat en Informatique et traitement d'images

Sous la direction de Hugues Benoit-Cattin et de Thomas Grenier.

Le président du jury était Philippe Bolon.

Le jury était composé de Hugues Benoit-Cattin, Thomas Grenier, Philippe Bolon, Pierre Gouton, Ludovic Macaire, Marlène Wiart.

Les rapporteurs étaient Pierre Gouton, Ludovic Macaire.

  • Titre traduit

    Contributions au filtrage Mean Shift à la segmentation : Application à l’ischémie cérébrale en imagerie IRM


  • Résumé

    De plus en plus souvent, les études médicales utilisent simultanément de multiples modalités d'acquisition d'image, produisant ainsi des données multidimensionnelles comportant beaucoup d'information supplémentaire dont l'interprétation et le traitement deviennent délicat. Par exemple, les études sur l'ischémie cérébrale se basant sur la combinaison de plusieurs images IRM, provenant de différentes séquences d'acquisition, pour prédire l'évolution de la zone nécrosée, donnent de bien meilleurs résultats que celles basées sur une seule image. Ces approches nécessitent cependant l'utilisation d'algorithmes plus complexes pour réaliser les opérations de filtrage, segmentation et de clustering. Une approche robuste pour répondre à ces problèmes de traitements de données multidimensionnelles est le Mean Shift qui est basé sur l'analyse de l'espace des caractéristiques et l'estimation non-paramétrique par noyau de la densité de probabilité. Dans cette thèse, nous étudions les paramètres qui influencent les résultats du Mean Shift et nous cherchons à optimiser leur choix. Nous examinons notamment l'effet du bruit et du flou dans l'espace des caractéristiques et comment le Mean Shift doit être paramétrés pour être optimal pour le débruitage et la réduction du flou. Le grand succès du Mean Shift est principalement du au réglage intuitif de ces paramètres de la méthode. Ils représentent l'échelle à laquelle le Mean Shift analyse chacune des caractéristiques. En se basant sur la méthode du Plug In (PI) monodimensionnel, fréquemment utilisé pour le filtrage Mean Shift et permettant, dans le cadre de l'estimation non-paramétrique par noyau, d'approximer le paramètre d'échelle optimal, nous proposons l'utilisation du PI multidimensionnel pour le filtrage Mean Shift. Nous évaluons l'intérêt des matrices d'échelle diagonales et pleines calculées à partir des règles du PI sur des images de synthèses et naturelles. Enfin, nous proposons une méthode de segmentation automatique et volumique combinant le filtrage Mean Shift et la croissance de région ainsi qu'une optimisation basée sur les cartes de probabilité. Cette approche est d'abord étudiée sur des images IRM synthétisées. Des tests sur des données réelles issues d'études sur l'ischémie cérébrale chez le rats et l'humain sont aussi conduits pour déterminer l'efficacité de l'approche à prédire l'évolution de la zone de pénombre plusieurs jours après l'accident vasculaire et ce, à partir des IRM réalisées peu de temps après la survenue de cet accident. Par rapport aux segmentations manuelles réalisées des experts médicaux plusieurs jours après l'accident, les résultats obtenus par notre approche sont mitigés. Alors qu'une segmentation parfaite conduirait à un coefficient DICE de 1, le coefficient est de 0.8 pour l'étude chez le rat et de 0.53 pour l'étude sur l'homme. Toujours en utilisant le coefficient DICE, nous déterminons la combinaison de d'images IRM conduisant à la meilleure prédiction.


  • Résumé

    Medical studies increasingly use multi-modality imaging, producing multidimensional data that bring additional information that are also challenging to process and interpret. As an example, for predicting salvageable tissue, ischemic studies in which combinations of different multiple MRI imaging modalities (DWI, PWI) are used produced more conclusive results than studies made using a single modality. However, the multi-modality approach necessitates the use of more advanced algorithms to perform otherwise regular image processing tasks such as filtering, segmentation and clustering. A robust method for addressing the problems associated with processing data obtained from multi-modality imaging is Mean Shift which is based on feature space analysis and on non-parametric kernel density estimation and can be used for multi-dimensional filtering, segmentation and clustering. In this thesis, we sought to optimize the mean shift process by analyzing the factors that influence it and optimizing its parameters. We examine the effect of noise in processing the feature space and how Mean Shift can be tuned for optimal de-noising and also to reduce blurring. The large success of Mean Shift is mainly due to the intuitive tuning of bandwidth parameters which describe the scale at which features are analyzed. Based on univariate Plug-In (PI) bandwidth selectors of kernel density estimation, we propose the bandwidth matrix estimation method based on multi-variate PI for Mean Shift filtering. We study the interest of using diagonal and full bandwidth matrix with experiment on synthesized and natural images. We propose a new and automatic volume-based segmentation framework which combines Mean Shift filtering and Region Growing segmentation as well as Probability Map optimization. The framework is developed using synthesized MRI images as test data and yielded a perfect segmentation with DICE similarity measurement values reaching the highest value of 1. Testing is then extended to real MRI data obtained from animals and patients with the aim of predicting the evolution of the ischemic penumbra several days following the onset of ischemia using only information obtained from the very first scan. The results obtained are an average DICE of 0.8 for the animal MRI image scans and 0.53 for the patients MRI image scans; the reference images for both cases are manually segmented by a team of expert medical staff. In addition, the most relevant combination of parameters for the MRI modalities is determined.


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