Spatial random forests for brain lesions segmentation in MRIs and model-based tumor cell extrapolation

par Ezequiel Geremia

Thèse de doctorat en Automatique, traitement du signal et des images

Sous la direction de Nicholas Ayache et de Hervé Delingette.

Le président du jury était Gábor Székely.

Le jury était composé de Nicholas Ayache, Hervé Delingette, Gábor Székely, Guido Gerig, Koen Van Leemput, Antonio Criminisi.

  • Titre traduit

    Forêts aléatoires spatiales pour la segmentation de lésions cérébrales et l'estimation de densités cellulaires dans les images par résonance magnétique


  • Résumé

    La grande quantité de données issues des l'imagerie médicale contribue au succès des méthodes supervisées pour l'annotation sémantique des images. Notre étude porte sur la détection de lésions cérébrales dans les images par résonance magnétique (IRMs) en utilisant un outil générique et efficace: les forêts aléatoires. Trois contributions majeures se distinguent. D'abord, la segmentation des lésions cérébrales, essentielle pour établir diagnostics, pronostics et le traitement. La conception d'une forêt aléatoire intégrant le contexte spatial cible particulièrement la segmentation automatique de lésions de sclérose en plaques et des gliomes dans les IRMs. La méthode intègre l'information multi-séquences des IRMs, les atlas de répartition des tissus. Deuxième contribution : l'estimation de la densité de cellules tumorales à partir des IRMs. Une méthode de couplage de modèles génératifs et discriminatifs est conçue pour apprendre la densité de cellules tumorales latente à partir de modélisations associées à des images synthétiques. Le modèle génératif est un simulateur bio-physiologique de croissance tumorale en libre accès. Le modèle discriminatif est une forêt aléatoire pour la régression multi-variée de la densité de cellules tumorales à partir des IRMs. Enfin, nous présentons les “forêts aléatoires spatialement adaptables” regroupant les avantages des approches multi-échelles avec ceux de forêts aléatoires, avec une application aux scénarios de classification et de segmentation précédemment cités. Une évaluation quantitative des méthodes proposées sur des bases de données annotées et librement accessibles démontre des résultats comparables à l'état de l'art.


  • Résumé

    The large size of the datasets produced by medical imaging protocols contributes to the success of supervised discriminative methods for semantic labelling of images. Our study makes use of a general and efficient emerging framework, discriminative random forests, for the detection of brain lesions in multi-modal magnetic resonance images (MRIs). The contribution is three-fold. First, we focus on segmentation of brain lesions which is an essential task to diagnosis, prognosis and therapy planning. A context-aware random forest is designed for the automatic multi-class segmentation of MS lesions, low grade and high grade gliomas in MR images. It uses multi-channel MRIs, prior knowledge on tissue classes, symmetrical and long-range spatial context to discriminate lesions from background. Then, we investigate the promising perspective of estimating the brain tumor cell density from MRIs. A generative-discriminative framework is presented to learn the latent and clinically unavailable tumor cell density from model-based estimations associated with synthetic MRIs. The generative model is a validated and publicly available biophysiological tumor growth simulator. The discriminative model builds on multi-variate regression random forests to estimate the voxel-wise distribution of tumor cell density from input MRIs. Finally, we present the “Spatially Adaptive Random Forests” which merge the benefits of multi-scale and random forest methods and apply it to previously cited classification and regression settings. Quantitative evaluation of the proposed methods are carried out on publicly available labeled datasets and demonstrate state of the art performance.


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