Geometrical Growth Models for Computational Anatomy

par Irène Kaltenmark

Thèse de doctorat en Mathématiques appliquées

Sous la direction de Alain Trouvé.

Soutenue le 10-10-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale de mathématiques Hadamard (Orsay, Essonne) , en partenariat avec École normale supérieure (Cachan, Val-de-Marne) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de mathématiques et de leurs applications (Cachan, Val-de-Marne) (laboratoire) .

Le président du jury était Mohamed Daoudi.

Le jury était composé de Alain Trouvé, Mohamed Daoudi, Gabriel Peyré, Peter Wolfram Michor, Jean-François Mangin, Joan Alexis Glaunès.

Les rapporteurs étaient Gabriel Peyré, Peter Wolfram Michor.

  • Titre traduit

    Modèles géométriques de croissance en anatomie computationnelle


  • Résumé

    Dans le domaine de l'anatomie, à l'investissement massif dans la constitution de base de données collectant des données d'imagerie médicale, doit répondre le développement de techniques numériques modernes pour une quantification de la façon dont les pathologies affectent et modifie les structures biologiques. Le développement d'approches géométriques via les espaces homogènes et la géométrie riemannienne en dimension infinie, initialisé il y a une dizaine d'années par Christensen et Miller, et simultanément Trouvé et Younes, et mettant en œuvre des idées originales de d'Arcy Thompson, a permis de construire ces dernières années un cadre conceptuel extrêmement efficace pour attaquer le problème de la modélisation et de l'analyse de la variabilité de populations de formes. Néanmoins, à l'intégration de l'analyse longitudinale des données, ont émergé des phénomènes biologiques de croissance ou de dégénérescence se manifestant via des déformations spécifiques de nature non difféomorphique. On peut en effet observer lors de la croissance d'un composant organique, une apparition progressive de matière qui ne s'apparente pas à un simple étirement du tissu initial. Face à cette observation, nous proposons de garder l'esprit géométrique qui fait la puissance des approches difféomorphiques dans les espaces de formes mais en introduisant un concept assez général de déploiement où l'on modélise les phénomènes de croissance comme le déploiement optimal progressif d'un modèle préalablement replié dans une région de l'espace. Nous présentons donc une généralisation des méthodes difféomorphiques classiques pour modéliser plus fidèlement l'évolution de chaque individu d'une population et saisir l'ensemble de la dynamique de croissance. Nous nous appuyons sur l'exemple concret de la croissance des cornes animales. La considération d'un a priori sur la dynamique de croissance de la corne, nous permet de construire un chemin continu dans un espace de formes, modélisant l'évolution de la corne de sa naissance, d'un état réduit à un point (comme l'état d'embryon pour un humain ou de graine pour une plante) à un âge adulte quelconque de corne bien déployée. Au lieu d'étirer la corne, nous anticipons l'arrivée matière nouvelle en des endroits prédéfinis. Pour cela, nous définissons une forme mère indépendante du temps dans un espace virtuel, qui est progressivement plongée dans l'espace ambiant en fonction d'un marqueur temporel prédéfini sur la forme mère. Finalement, nous aboutissons à un nouveau problème de contrôle optimal pour l'assimilation de données de surfaces évoluant dans le temps, conduisant à un problème intéressant dans le domaine du calcul des variations où le choix pour la représentation des données, courant ou varifold, joue un rôle inattendu.


  • Résumé

    The Large Deformation Diffeomorphic Metric Mapping (LDDMM) framework has proved to be highly efficient for addressing the problem of modelling and analysis of the variability of populations of shapes, allowing for the direct comparison and quantization of diffeomorphic morphometric changes. However, the analysis of medical imaging data also requires the processing of more complex changes, which especially appear during growth or aging phenomena. The observed organisms are subject to transformations over the time which are no longer diffeomorphic, at least in a biological sense. One reason might be a gradual creation of new material uncorrelated to the preexisting one. For this purpose, we offer to extend the LDDMM framework to address the problem of non diffeomorphic structural variations in longitudinal scenarios during a growth or degenerative process. We keep the geometric central concept of a group of deformations acting on a shape space. However, the shapes will be encoded by a new enriched mathematical object allowing through partial mappings an intrinsic evolution dissociated from external deformations. We focus on the specific case of the growth of animal horns.Ultimately, we integrate these growth priors into a new optimal control problem for assimilation of time-varying surface data, leading to an interesting problem in the field of the calculus of variations where the choice of the attachment term on the data, current or varifold, plays an unexpected role.


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