Réalisation d’une aide au diagnostic en orthodontie par apprentissage profond

Realization of a diagnostic aid in orthodontics by deep learning

• Auteur / Autrice : Tien Tai Doan
• Direction : Blaise Hanczar
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Informatique, Biologie Intégrative et Systèmes Complexes (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : AROBAS : Algorithmique, Recherche Opérationnelle, Bioinformatique et Apprentissage Statistique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université d'Évry-Val-d'Essonne (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Informatique et sciences du numérique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Hedi Tabia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nataliya Sokolovska, Younès Bennani, François-Xavier Jollois
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nataliya Sokolovska, Younès Bennani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Apprentissage non supervisé (intelligence artificielle)

Réseaux neuronaux (informatique)

Apprentissage profond

Dents

Malocclusion dentaire

Orthodontie -- Appareils et matériel

Mots clés libres

Application à l'orthodontie

Classification supervisée

Analyse d'image

Image analysis

Supervised classification

Orthodontic applicatiion

Résumé

L'analyse et le diagnostic précis à partir d'images dentaires sont un facteur essentiel de la réussite des traitements orthodontiques. De nombreux procédés de traitement d'image ont été proposés pour résoudre ce problème. Cependant, ces études fonctionnent principalement sur de petits ensembles de données de radiographies dans des conditions de laboratoire et ne sont pas vraiment applicables en tant que produits ou services complets. Dans cette thèse, nous construisons des modèles d'apprentissage profond pour diagnostiquer des problèmes dentaires tels que la gingivite et les dents chevauchées à l'aide de photos prises par de téléphones portables. Nous étudions les couches cachées de ces modèles pour trouver les forces et les limites de chaque méthode. Nous proposons un pipeline complet intégrant le prétraitement des images, l'apprentissage du modèle et le post-traitement des résultats pour créer un processus d'analyse complet prêt à être mis en production en situation réel. Afin d'améliorer la fiabilité des modèles, nous avons étudié différentes méthodes d'augmentation des données, en particulier les méthodes d'adaptation de domaine en utilisant des approche de transfert d'images, à la fois supervisée et non supervisée, et obtenons des résultats prometteurs. Les approches de transformation d'images sont également utilisés pour simplifier le choix des appareils orthodontiques par les patients en leur montrant à quoi pourraient ressembler leurs dents pendant le traitement. Nos méthodes permettent de générées des images réalistes et en haute définition. Nous proposons également un nouveau modèle de transformation d'image non supervisé qui peut manipuler les caractéristiques de l'image sans nécessiter d'annotation supplémentaire. Notre modèle surpasse les techniques de pointe sur plusieurs applications de transformation d'images et est également étendu pour les problèmes de « few-shot learning ».

Accurate processing and diagnosis of dental images is an essential factor determining the success of orthodontic treatment. Many image processing methods have been proposed to address this problem. Those studies mainly work on small datasets of radiographs under laboratory conditions and are not highly applicable as complete products or services. In this thesis, we train deep learning models to diagnose dental problems such as gingivitis and crowded teeth using mobile phones' images. We study feature layers of these models to find the strengths and limitations of each method. Besides training deep learning models, we also embed each of them in a pipeline, including preprocessing and post-processing steps, to create a complete product. For the lack of training data problem, we studied a variety of methods for data augmentation, especially domain adaptation methods using image-to-image translation models, both supervised and unsupervised, and obtain promising results. Image translation networks are also used to simplifying patients' choice of orthodontic appliances by showing them how their teeth could look like during treatment. Generated images have are realistic and in high resolution. Researching further into unsupervised image translation neural networks, we propose an unsupervised imageto- image translation model which can manipulate features of objects in the image without requiring additional annotation. Our model outperforms state-of-the-art techniques on multiple image translation applications and is also extended for few-shot learning problems.