Apprentissage profond pour la segmentation robuste et l’analyse explicable des images cardiaques volumiques et dynamiques

par Qiao Zheng

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

Sous la direction de Nicholas Ayache et de Hervé Delingette.

Soutenue le 27-03-2019

à Côte d'Azur , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) , en partenariat avec Université de Nice (1965-2019) (établissement de préparation) , Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) (laboratoire) et de E-Patient : Images, données & mOdèles pour la médeciNe numériquE (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Clarysse.

Le jury était composé de Patrick Clarysse, Alistair Young, Nicolas Duchateau.

Les rapporteurs étaient Patrick Clarysse, Alistair Young.


  • Résumé

    L’IRM cardiaque est largement utilisée par les cardiologues car elle permet d’extraire des informations riches dans les images. Toutefois, si cela est fait manuellement, le processus d’extraction des informations est fastidieux et prend beaucoup de temps. Compte tenu des progrès de l’intelligence artificielle, je développe des méthodes d’apprentissage profond pour traiter l’automatisation de plusieurs tâches essentielles de l’analyse de l’IRM cardiaque. Tout d’abord, je propose une méthode basée sur les réseaux de neurones convolutifs pour effectuer la segmentation cardiaque sur des ensembles d’images IRM petit axe. Dans cette méthode, étant donné que la prédiction d’une segmentation d’une coupe dépend de celle d’une coupe adjacente, la cohérence 3D et la robustesse sont explicitement imposées. De plus, je propose une méthode de classification de plusieurs pathologies cardiaques, avec une nouvelle approche d’apprentissage profond pour extraire des attributs dérivés des images afin de caractériser la forme et le mouvement du cœur. En particulier, le modèle de classification est explicable, simple et flexible. Enfin et surtout, la même méthode d’extraction d’éléments est appliquée à un ensemble de données exceptionnellement volumineux (UK Biobank). La classification non supervisée des données est ensuite effectuée sur les attributs extraits pour caractériser ces pathologies cardiaques. Pour conclure, je discute de plusieurs prolongements possibles de mes recherches.

  • Titre traduit

    Deep learning for robust segmentation and explainable analysis of 3d and dynamic cardiac images


  • Résumé

    Cardiac MRI is widely used by cardiologists as it allows extracting rich information from images. However, if done manually, the information extraction process is tedious and time-consuming. Given the advance of artificial intelligence, I develop deep learning methods to address the automation of several essential tasks on cardiac MRI analysis. First, I propose a method based on convolutional neural networks to perform cardiac segmentation on short axis MRI image stacks. In this method, since the prediction of a segmentation of a slice is dependent upon the already existing segmentation of an adjacent slice, 3D-consistency and robustness is explicitly enforced. Second, I develop a method to classify cardiac pathologies, with a novel deep learning approach to extract image-derived features to characterize the shape and motion of the heart. In particular, the classification model is explainable, simple and flexible. Last but not least, the same feature extraction method is applied to an exceptionally large dataset (UK Biobank). Unsupervised cluster analysis is then performed on the extracted features in search of their further relation with cardiac pathology characterization. To conclude, I discuss several possible extensions of my research.


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