Fusion de données multimodales pour l’apprentissage automatique : application au diagnostic médical

Abstract

Nowadays, information about a phenomenon can be acquired using various modalities; and this led to the emergence of the concept of multi-modal data fusion. In fact, one of the application domains that strongly relies on multi-modal data acquisition is radiation therapy (RT), in which computed tomography (CT) imaging and magnetic resonance imaging (MRI) are the main modalities employed. The latter offers superior soft-tissue visualisation, hence it is used for tumour contouring, whereas the former contains the necessary electron density information for radiation dose computation. However, the pipeline of RT treatment planning presents many flaws from which is the excessive radiation exposure due to repetitive CT acquisitions. Recently, an idea to remediate for this main limitation and others has emerged; it consists in synthesising a CT image called pseudo-CT (pCT) from MRI images. In this dissertation, we aim to meet this objective by analysing existing work and proposing two variants of pCT image estimation methods employing multi-modal data fusion and machine learning. The first approach is designated hybrid; and combines image registration, unsupervised learning, image fusion and a new Hounsfield Unit (HU) values correction technique. This approach aims to predict a pCT image from T2-weighted MR images while attempting to reduce prediction error by using information from MR images. The second approach employs multi-modal shape, texture and spatial feature extraction, reduction and fusion of T1-weighted and T2-weighted MR images. In addition, we designed an ensemble learning model with stacked generalisation that builds a mapping from these features to HU values over two levels of learning. Results showed a significant improvement achieved by the proposed methods.

Description

De nos jours, des informations sur un phénomène peuvent être acquises à travers diverses modalités ; ceci a conduit à l'émergence du concept de la fusion de données multimodales. L'un des domaines d'application qui s'appuie fortement sur l'acquisition de données multimodales est la radiothérapie (RT), dans laquelle l’imagerie par la tomodensitométrie (TDM) et l’imagerie par résonance magnétique (IRM) sont les deux principales modalités utilisées. Cette dernière offre une visualisation supérieure des tissus mous, elle est donc utilisée pour la définition de tumeur, tandis que la première contient les informations nécessaires sur la densité d’électron pour le calcul de dose d'irradiation. Cependant, ce processus de planification du traitement de la RT présente de nombreux défauts, parmi lesquels l’exposition excessive aux rayonnements due aux acquisitions répétitives par TDM. Récemment, une idée pour remédier à cette limitation principale et d’autres a émergée ; elle consiste à synthétiser une image TDM appelée pseudo-tomodensitométrie (pTDM) à partir d'images RM. Dans cette thèse, nous cherchons à atteindre cet objectif en analysant les travaux existants et en proposant deux variantes des méthodes d'estimation d’image pTDM utilisant la fusion de données multimodale et l'apprentissage automatique. La première approche est dite hybride ; elle combine le recalage d'image, l’apprentissage non supervisé, la fusion d'image et une nouvelle technique de correction des valeurs Hounsfield Unit (HU). Cette approche vise à prédire une image pTDM à partir des images RM T2- pondérée tout en essayant de réduire les erreurs de prédiction en utilisant des informations provenant des images RM. La deuxième approche utilise la fusion des caractéristiques sur la forme, la texture et l'information spatiale multimodales d’images RM T1-pondérée et T2-pondérée. De plus, nous avons conçu un modèle d'apprentissage d'ensemble avec une généralisation empilée qui crée une correspondance de ces caractéristiques aux valeurs HU sur deux niveaux d'apprentissage. Les résultats ont montré une amélioration significative obtenue par les méthodes proposées.

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