Unsupervised representation learning for anomaly detection on neuroimaging. Application to epilepsy lesion detection on brain MRI

par Zaruhi Alaverdyan

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

Sous la direction de Carole Lartizien.

Soutenue le 18-01-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon) , en partenariat avec Institut national des sciences appliquées de Lyon (Lyon ; 1957-....) (établissement opérateur d'inscription) , CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image pour la Santé (Lyon ; 2007-....) (laboratoire) et de Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé / CREATIS (laboratoire) .

Le président du jury était Elisa Fromont.

Le jury était composé de Carole Lartizien, Elisa Fromont, Jorge Cardoso, Diana Mateus, Gaëlle Bonnet, Julien Jung.

Les rapporteurs étaient Jorge Cardoso, Diana Mateus.

mots clés

• Imagerie médicale
• Neuroimagerie
• Détection d'épilepsie
• Détection d'anomalies
• Apprebntissage non supervisé
• Réseau siamois
• Acquisition IRM
• Épilepsie
• Imagerie interventionnelle par résonance magnétique

Titre traduit

Apprentissage de représentations non supervisé pour la détection d'anomalies en neuro-imagerie. Application à la détection de lésions d’épilepsie en IRM

Résumé

Cette étude vise à développer un système d’aide au diagnostic (CAD) pour la détection de lésions épileptogènes, reposant sur l’analyse de données de neuroimagerie, notamment, l’IRM T1 et FLAIR. L’approche adoptée, introduite précédemment par Azami et al., 2016, consiste à placer la tâche de détection dans le cadre de la détection de changement à l'échelle du voxel, basée sur l’apprentissage d’un modèle one-class SVM pour chaque voxel dans le cerveau. L'objectif principal de ce travail est de développer des mécanismes d’apprentissage de représentations, qui capturent les informations les plus discriminantes à partir de l’imagerie multimodale. Les caractéristiques manuelles ne sont pas forcément les plus pertinentes pour la tâche visée. Notre première contribution porte sur l'intégration de différents réseaux profonds non-supervisés, pour extraire des caractéristiques dans le cadre du problème de détection de changement. Nous introduisons une nouvelle configuration des réseaux siamois, mieux adaptée à ce contexte. Le système CAD proposé a été évalué sur l’ensemble d’images IRM T1 des patients atteints d'épilepsie. Afin d'améliorer la performance obtenue, nous avons proposé d'étendre le système pour intégrer des données multimodales qui possèdent des informations complémentaires sur la pathologie. Notre deuxième contribution consiste donc à proposer des stratégies de combinaison des différentes modalités d’imagerie dans un système pour la détection de changement. Ce système multimodal a montré une amélioration importante sur la tâche de détection de lésions épileptogènes sur les IRM T1 et FLAIR. Notre dernière contribution se focalise sur l'intégration des données TEP dans le système proposé. Etant donné le nombre limité des images TEP, nous envisageons de synthétiser les données manquantes à partir des images IRM disponibles. Nous démontrons que le système entraîné sur les données réelles et synthétiques présente une amélioration importante par rapport au système entraîné sur les images réelles uniquement.

mots clés

• Medical Imaging
• Neuroimaging
• Epilepsy lesion detection
• Anomaly Detection
• Unsupervised learning
• Siamese network
• MRI acquisitions

Résumé

This work represents one attempt to develop a computer aided diagnosis system for epilepsy lesion detection based on neuroimaging data, in particular T1-weighted and FLAIR MR sequences. Given the complexity of the task and the lack of a representative voxel-level labeled data set, the adopted approach, first introduced in Azami et al., 2016, consists in casting the lesion detection task as a per-voxel outlier detection problem. The system is based on training a one-class SVM model for each voxel in the brain on a set of healthy controls, so as to model the normality of the voxel. The main focus of this work is to design representation learning mechanisms, capturing the most discriminant information from multimodality imaging. Manual features, designed to mimic the characteristics of certain epilepsy lesions, such as focal cortical dysplasia (FCD), on neuroimaging data, are tailored to individual pathologies and cannot discriminate a large range of epilepsy lesions. Such features reflect the known characteristics of lesion appearance; however, they might not be the most optimal ones for the task at hand. Our first contribution consists in proposing various unsupervised neural architectures as potential feature extracting mechanisms and, eventually, introducing a novel configuration of siamese networks, to be plugged into the outlier detection context. The proposed system, evaluated on a set of T1-weighted MRIs of epilepsy patients, showed a promising performance but a room for improvement as well. To this end, we considered extending the CAD system so as to accommodate multimodality data which offers complementary information on the problem at hand. Our second contribution, therefore, consists in proposing strategies to combine representations of different imaging modalities into a single framework for anomaly detection. The extended system showed a significant improvement on the task of epilepsy lesion detection on T1-weighted and FLAIR MR images. Our last contribution focuses on the integration of PET data into the system. Given the small number of available PET images, we make an attempt to synthesize PET data from the corresponding MRI acquisitions. Eventually we show an improved performance of the system when trained on the mixture of synthesized and real images.