Multimodal radiomics in neuro-oncology

par Taman Upadhaya

Thèse de doctorat en Analyse et traitement de l'information et des images médicales

Sous la direction de Eric Stindel.

Le président du jury était Philippe Lambin.

Le jury était composé de Eric Stindel, Philippe Lambin, Fabrice Mériaudeau, Samuel Valable, Mathieu Hatt.

Les rapporteurs étaient Fabrice Mériaudeau, Samuel Valable.

  • Titre traduit

    Radiomique multimodale en neuro-oncologie


  • Résumé

    Le glioblastome multiforme (GBM) est une tumeur de grade IV représentant 49% de toutes les tumeurs cérébrales. Malgré des modalités de traitement agressives (radiothérapie, chimiothérapie et résection chirurgicale), le pronostic est mauvais avec une survie globale médiane de 12 à 14 mois. Les aractéristiques issues de la neuro imagerie des GBM peuvent fournir de nouvelles opportunités pour la classification, le pronostic et le développement de nouvelles thérapies ciblées pour faire progresser la pratique clinique. Cette thèse se concentre sur le développement de modèles pronostiques exploitant des caractéristiques de radiomique extraites des images multimodales IRM (T1 pré- et post-contraste, T2 et FLAIR). Le contexte méthodologique proposé consiste à i) recaler tous les volumes multimodaux IRM disponibles et en segmenter un volume tumoral unique, ii) extraire des caractéristiques radiomiques et iii) construire et valider les modèles pronostiques par l’utilisation d’algorithmes d’apprentissage automatique exploitant des cohortes cliniques multicentriques de patients. Le coeur des méthodes développées est fondé sur l’extraction de radiomiques (incluant des paramètres d’intensité, de forme et de textures) pour construire des modèles pronostiques à l’aide de deux algorithmes d’apprentissage, les machines à vecteurs de support (support vector machines, SVM) et les forêts aléatoires (random forest, RF), comparées dans leur capacité à sélectionner et combiner les caractéristiques optimales. Les bénéfices et l’impact de plusieurs étapes de pré-traitement des images IRM (re-échantillonnage spatial des voxels, normalisation, segmentation et discrétisation des intensités) pour une extraction de métriques fiables ont été évalués. De plus les caractéristiques radiomiques ont été standardisées en participant à l’initiative internationale de standardisation multicentrique des radiomiques. La précision obtenue sur le jeu de test indépendant avec les deux algorithmes d’apprentissage SVM et RF, en fonction des modalités utilisées et du nombre de caractéristiques combinées atteignait 77 à 83% en exploitant toutes les radiomiques disponibles sans prendre en compte leur fiabilité intrinsèque, et 77 à 87% en n’utilisant que les métriques identifiées comme fiables.Dans cette thèse, un contexte méthodologique a été proposé, développé et validé, qui permet la construction de modèles pronostiques dans le cadre des GBM et de l’imagerie multimodale IRM exploitée par des algorithmes d’apprentissage automatique. Les travaux futurs pourront s’intéresser à l’ajout à ces modèles des informations contextuelles et génétiques. D’un point de vue algorithmique, l’exploitation de nouvelles techniques d’apprentissage profond est aussi prometteuse.


  • Résumé

    Glioblastoma multiforme (GBM) is a WHO grade IV tumor that represents 49% of ail brain tumours. Despite aggressive treatment modalities (radiotherapy, chemotherapy and surgical resections) the prognosis is poor, as médian overall survival (OS) is 12-14 months. GBM’s neuroimaging (non-invasive) features can provide opportunities for subclassification, prognostication, and the development of targeted therapies that could advance the clinical practice. This thesis focuses on developing a prognostic model based on multimodal MRI-derived (Tl pre- and post-contrast, T2 and FLAIR) radiomics in GBM. The proposed methodological framework consists in i) registering the available 3D multimodal MR images andsegmenting the tumor volume, ii) extracting radiomics iii) building and validating a prognostic model using machine learning algorithms applied to multicentric clinical cohorts of patients. The core component of the framework rely on extracting radiomics (including intensity, shape and textural metrics) and building prognostic models using two different machine learning algorithms (Support Vector Machine (SVM) and Random Forest (RF)) that were compared by selecting, ranking and combining optimal features. The potential benefits and respective impact of several MRI pre-processing steps (spatial resampling of the voxels, intensities quantization and normalization, segmentation) for reliable extraction of radiomics was thoroughly assessed. Moreover, the standardization of the radiomics features among methodological teams was done by contributing to “Multicentre Initiative for Standardisation of Radiomics”. The accuracy obtained on the independent test dataset using SVM and RF reached upto 83%- 77% when combining ail available features and upto 87%-77% when using only reliable features previously identified as robust, depending on number of features and modality. In this thesis, I developed a framework for developing a compréhensive prognostic model for patients with GBM from multimodal MRI-derived “radiomics and machine learning”. The future work will consists in building a unified prognostic model exploiting other contextual data such as genomics. In case of new algorithm development we look forward to develop the Ensemble models and deep learning-based techniques.


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