Nouvelles techniques de l'intelligence artificielle pour le diagnostic médical basé sur la vision par ordinateur

New Artificial Intelligence techniques for Computer vision based medical diagnosis

• Auteur / Autrice : Safaa El Morabit
• Direction : Atika Rivenq, Abdelmalik Taleb-Ahmed
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique et télécommunications
• Date : Soutenance le 11/04/2023
• Etablissement(s) : Valenciennes, Université Polytechnique Hauts-de-France
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale polytechnique Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement délivrant conjointement le doctorat : Institut national des sciences appliquées Hauts-de-France (Valenciennes, Nord ; 2019-....)
• Jury : Président / Présidente : Yassine Ruichek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Atika Rivenq, Abdelmalik Taleb-Ahmed, Yassine Ruichek, Salima Ouadfel, Sebastien Jacques, Raja Elassali, Laila Chakour
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yassine Ruichek, Salima Ouadfel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vision par ordinateur en médecine

Reconnaissance automatique des émotions

Évaluation de la douleur

Algologie (médecine)

Mots clés libres

Expression faciale

Estimation de la douleur

Réseau de neurones convolutifs

Transformateurs

Détection de la douleur

Douleur authentique

Douleur posée

Facial expression

Pain estimation

Convolutional neural network

Transformers

Pain detection

Genuine pain

Posed pain

Résumé

La capacité à ressentir la douleur est cruciale pour la vie, car elle sert de système d’alerteprécoce en cas de dommages potentiels pour le corps. La majorité des évaluations dela douleur reposent sur les rapports des patients. En revanche, les patients incapablesd’exprimer leur douleur doivent plutôt se fier aux rapports de tierces personnes sur leursouffrance. En raison des biais potentiel de l’observateur, les rapports sur la douleurpeuvent contenir des inexactitudes. En outre, il serait impossible de surveiller les patients 24 heures sur 24. Afin de mieux gérer la douleur, notamment chez les patients avec des difficultés de communication, des techniques de détection automatique de la douleur pourraient être mises en œuvre pour aider les soignants et compléter leur service. Les expressions faciales sont utilisées par la plupart des systèmes d’évaluation de la douleur basés sur l’observation, car elles constituent un indicateur fiable de la douleur et peuvent être interprétées à distance.En considérant que la douleur génère généralement un comportement facial spontané, les expressions faciales pourraient être utilisées pour détecter la présence de la douleur. Dans cette thèse, nous analysons les expressions faciales de la douleur afin d’aborder l’estimation de la douleur. Tout d’abord, nous présentons une analyse approfondie du problème en comparant de nombreuses architectures CNN (réseau de neurones convolutifs) courantes, telles que MobileNet, GoogleNet, ResNeXt-50, ResNet18et DenseNet-161. Nous utilisons ces réseaux dans deux modes uniques : autonome et extraction de caractéristiques. En mode autonome, les modèles (c’est-à-dire les réseaux)sont utilisés pour estimer directement la douleur. En mode extracteur de caractéristiques, les "valeurs" de la couche intermédiaire sont extraites et introduites dans desclassificateurs tels que la régression à vecteur de support (SVR) et la régression à forêtsd’arbres décisionnels (RFR).Les CNN ont obtenu des résultats significatifs dans la classification d’images et ontconnu un grand succès. Plus récemment, l’efficacité des Transformers en vision par ordinateur a été démontrée par plusieurs études. Des architectures basées sur les Transformers ont été proposées dans la deuxième section de cette thèse. Ces deux architectures distinctes ont été présentées pour répondre à deux problèmes distincts liés àla douleur : la détection de la douleur (douleur vs absence de douleur) et la distinction entre la douleur authentique et la douleur simulée. L’architecture innovante pourl’identification binaire de la douleur faciale est basée sur des transformateurs d’imagesefficaces en termes de données (Deit). Deux bases de données, UNBC-McMaster shoulder pain et BioVid heat pain, ont été utilisées pour affiner et évaluer le modèle formé. Ladeuxième architecture proposée, repose sur des transformateurs de vision pour la détection de douleurs authentiques et simulées à partir des expressions faciales (ViT). Pour distinguer la douleur authentique de la douleur simulée, le modèle doit accorder uneattention particulière aux changements subtils des expressions faciales dans le temps.L’approche employée prend en compte l’aspect séquentiel et capture les variations des expressions faciales. Les expériences ont été menées sur la base de données BioVid HeatPain démontrent l’efficacité de notre stratégie.

The ability to feel pain is crucial for life, since it serves as an early warning system forpotential harm to the body. The majority of pain evaluations rely on patient reports. Patients who are unable to express their own pain must instead rely on third-party reportsof their suffering. Due to potential observer bias, pain reports may contain inaccuracies. In addition, it would be impossible for people to keep watch around the clock. Inorder to better manage pain, especially in noncommunicative patients, automatic paindetection technologies might be implemented to aid human caregivers and complementtheir service. Facial expressions are used by all observer-based pain assessment systemsbecause they are a reliable indicator of pain and can be interpreted from a distance.Taking into consideration that pain generally generates spontaneous facial behavior,these facial expressions could be used to detect the presence of pain. In this thesis, weanalyze facial expressions of pain in order to address pain estimation. First, we presenta thorough analysis of the problem by comparing numerous common CNN (Convolutional Neural Network) architectures, such as MobileNet, GoogleNet, ResNeXt-50, ResNet18, and DenseNet-161. We employ these networks in two unique modes: standalone and feature extraction. In standalone mode, models (i.e., networks) are utilized to directly estimate pain. In feature extractor mode, "values" from the middle layer are extracted and fed into classifiers like Support Vector Regression (SVR) and Random Forest Regression (RFR).CNNs have achieved significant results in image classification and have achievedgreat success. The effectiveness of Transformers in computer vision has been demonstrated through recent studies. Transformer-based architectures were proposed in the second section of this thesis. Two distinct Transformer-based frameworks were presented to address two distinct pain issues: pain detection (pain vs no pain) and thedistinction between genuine and posed pain. The innovative architecture for binaryidentification of facial pain is based on data-efficient image transformers (Deit). Twodatasets, UNBC-McMaster shoulder pain and BioVid heat pain, were used to fine-tuneand assess the trained model. The suggested architecture is built on Vision Transformers for the detection of genuine and simulated pain from facial expressions (ViT). Todistinguish between Genuine and Posed Pain, the model must pay particular attentionto the subtle changes in facial expressions over time. The employed approach takes intoaccount the sequential aspect and captures the variations in facial expressions. Experiments on the publicly accessible BioVid Heat Pain Database demonstrate the efficacy of our strategy.