Quantitative follow-up of pulmonary diseases using deep learning models

par Sebastian Roberto Tarando

Thèse de doctorat en Signal et images

Sous la direction de Catalin Iulian Fetita.

Soutenue le 16-05-2018

à Evry, Institut national des télécommunications , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Université Pierre et Marie Curie (Paris) (1971-2017) (Université) , Services répartis- Architectures- MOdélisation- Validation- Administration des Réseaux / SAMOVAR (laboratoire) et de Département Advanced Research And Techniques For Multidimensional Imaging Systems / ARTEMIS (laboratoire) .

Le président du jury était Philippe Grenier.

Le jury était composé de Philippe Grenier, Bertrand Thirion, Eric Petit, Julie Delon, Jean-Yves Brillet.

Les rapporteurs étaient Bertrand Thirion, Eric Petit.

  • Titre traduit

    Suivi quantitatif de pathologies pulmonaires à base de modèles d'apprentissage profond


  • Résumé

    Les pathologies infiltrantes diffuses recensent un large groupe de désordres pulmonaires et nécessitent un suivi régulier en imagerie tomodensitométrique (TDM). Une évaluation quantitative est nécessaire pour établir la progression (régionale) de la maladie et/ou l’impact thérapeutique. Cela implique le développement d’outils automatiques de diagnostic assisté par ordinateur (DAO) pour la segmentation du tissu pathologique dans les images TDM, problème adressé comme classification de texture. Traditionnellement, une telle classification repose sur une analyse des caractéristiques texturales 2D dans les images TDM axiales selon des critères définis par l’utilisateur. Récemment, des techniques d’intelligence artificielle fondées sur l’apprentissage profond, notamment les réseaux neuronaux convolutionnels (CNN), ont démontré des performances meilleures pour résoudre des tâches visuelles. Toutefois, pour les architectures CNN « classiques » il a été prouvé que les performances étaient moins bonnes en classification de texture par rapport à la reconnaissance d’objets, en raison de la dimensionnalité intrinsèque élevée des données texturales. Dans ce contexte, ce travail propose un système automatique pour l’analyse quantitative des pathologies infiltrantes diffuses du poumon fondé sur une architecture CNN en cascade (conçue spécialement pour l’analyse de texture) et sur un prétraitement spécifique des données d’entrée par filtrage localement connexe (permettant d’atténuer l’intensité des vaisseaux pulmonaires et d’augmenter ainsi le contraste des régions pathologiques). La classification, s’appliquant à l’ensemble du volume pulmonaire, atteint une précision moyenne de 84% (75.8% pour le tissu normal, 90% pour l’emphysème et la fibrose, 81.5% pour le verre dépoli)


  • Résumé

    Infiltrative lung diseases (ILDs) enclose a large group of irreversible lung disorders which require regular follow-up with computed tomography (CT) imaging. A quantitative assessment is mandatory to establish the (regional) disease progression and/or the therapeutic impact. This implies the development of automated computer-aided diagnosis (CAD) tools for pathological lung tissue segmentation, problem addressed as pixel-based texture classification. Traditionally, such classification relies on a two-dimensional analysis of axial CT images by means of handcrafted features. Recently, the use of deep learning techniques, especially Convolutional Neural Networks (CNNs) for visual tasks, has shown great improvements with respect to handcrafted heuristics-based methods. However, it has been demonstrated the limitations of "classic" CNN architectures when applied to texture-based datasets, due to their inherently higher dimension compared to handwritten digits or other object recognition datasets, implying the need of redesigning the network or enriching the system to learn meaningful textural features from input data. This work addresses an automated quantitative assessment of different disorders based on lung texture classification. The proposed approach exploits a cascade of CNNs (specially redesigned for texture categorization) for a hierarchical classification and a specific preprocessing of input data based on locally connected filtering (applied to the lung images to attenuate the vessel densities while preserving high opacities related to pathologies). The classification targeting the whole lung parenchyma achieves an average of 84% accuracy (75.8% for normal, 90% for emphysema and fibrosis, 81.5% for ground glass)


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