Quantification automatique, par traitement d'images, d'agrégats cellulaires pour la toxicologie

par Youssef Hojeij

Thèse de doctorat en Traitement du signal et de l'image

Sous la direction de Jean Le Bihan.

Soutenue en 2007

à Brest .

mots clés

• Traitement d'images -- Techniques numériques
• Toxicologie cellulaire

Résumé

Cette thèse est consacrée à l’étude des structures cellulaires issues de cultures de CFU-MK après déshydratation. Elle traite du problème de la conception et de la réalisation d’un système de vision par ordinateur permettant de passer d’une mesure strictement visuelle à une mesure automatique basée sur l’utilisation de techniques de traitement d’images. La mesure visuelle consiste à repérer et à quantifier 3 types d’agrégats: les micro-clusters de moins de 20 cellules, les colonies pour plus de 50 cellules et les macro-clusters pour des amas intermédiaires. L’intérêt d’une automatisation apparaît rapidement lorsque l’on connaît le caractère très long et fastidieux de l’analyse visuelle, ainsi que le taux de reproductibilité relativement faible atteint par un lecteur expert qui évolue de 56 % pour l’évaluation de micros-clusters à 86% pour les colonies. En s’inspirant de la démarche du lecteur expert, nous proposons ici un système d’analyse qui comporte trois modules: segmentation de l’image, regroupement des cellules et classification des agrégats. Par une technique classique basée soit sur la minimisation de la variance, soit sur la maximisation de l’entropie, nous avons pu séparer les cellules du fond de l’image. Pour le regroupement des cellules nous proposons et évaluons quatre techniques: une basée sur un gabarit de synthèse, une utilisant la morphologie mathématique et deux autres à base de transformée de Fourier et de transformée de distance. Pour la classification, nous utilisons une machine à vecteurs supports. Dans ce but nous avons construit une base d’apprentissage de 189 exemples qui a permis de généraliser la définition de trois types d’agrégats. Nous présentons ensuite les résultats en montrant le gain de reproductibilité obtenu par rapport au lecteur expert. Enfin, nous montrons le passage vers une analyse tridimensionnelle, avec des essais d’acquisition par trois techniques différentes : la tomographie en optique cohérente (OCT), la microscopie non linéaire et la microscopie confocale. Pour chaque technique, nous montrons les difficultés auxquelles nous sommes confrontés pour réaliser une acquisition correcte du milieu.

Titre traduit

Automatic quantification of cellular agregates for the toxicology by image processing

Résumé

This thesis is devoted to the study of the cellular structures resulting from cultures of CFU-MK after dehydration. It deals with the problem of design and realization of a computerised system of vision to pass from a strictly visual measurement to an automatic measurement based on image processing techniques. Visual measurement consists in locating and quantifying 3 types of aggregates: the micro-clusters of less than 20 cells, colonies for more than 50 cells and the macro-clusters for intermediate clusters. The interest of an automation appears clearly when one knows the very long and tiresome character of visual analysis, as well as the relatively low rate of reproductibility by an expert reader which reaches 56% for the evaluation of micro-clusters and 86% for the colonies. Based on tee expert reader’s approach, tee analysis system we propose hem consists in three modules: image segmentation, regrouping of the cells and classification of the aggregates. By a traditional technique based either on the minimization of the variance, or on the entropy maximization, we can separate the cells from the background of the image. For the cells regrouping we propose and evaluate four techniques: one based on a synthesis model, one using mathematical morphology and two others based on the Fourier transform and the distance transform. For classification, we use support vector machines. To this purpose we built a training base of 189 examples which generalizes the definition of three types of aggregates. We have then shown the results by comparing the profit of reproducibility obtained compared to that of to the expert reader’s one. Lastly, we show the passage towards a three-dimensional analysis, to achieve the acquisition by three different techniques: Optical Coherent Tomography (OCT), nonlinear microscopy and confocal microscopy. For each technique, we show the difficulties we have to face to carry out a correct acquisition of the medium.