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Theses Year : 2020

Robust medical image registration and motion modeling based on machine learning

Le recalage robuste d’images médicales et la modélisation du mouvement basée sur l’apprentissage profond

Abstract

This thesis presents new computational tools for quantifying deformations and motion of anatomical structures from medical images as required by a large variety of clinical applications. Generic deformable registration tools are presented that enable deformation analysis useful for improving diagnosis, prognosis and therapy guidance. These tools were built by combining state-of-the-art medical image analysis methods with cutting-edge machine learning methods.First, we focus on difficult inter-subject registration problems. By learning from given deformation examples, we propose a novel agent-based optimization scheme inspired by deep reinforcement learning where a statistical deformation model is explored in a trial-and-error fashion showing improved registration accuracy. Second, we develop a diffeomorphic deformation model that allows for accurate multiscale registration and deformation analysis by learning a low-dimensional representation of intra-subject deformations. The unsupervised method uses a latent variable model in form of a conditional variational autoencoder (CVAE) for learning a probabilistic deformation encoding that is useful for the simulation, classification and comparison of deformations.Third, we propose a probabilistic motion model derived from image sequences of moving organs. This generative model embeds motion in a structured latent space, the motion matrix, which enables the consistent tracking of structures and various analysis tasks. For instance, it leads to the simulation and interpolation of realistic motion patterns allowing for faster data acquisition and data augmentation.Finally, we demonstrate the importance of the developed tools in a clinical application where the motion model is used for disease prognosis and therapy planning. It is shown that the survival risk for heart failure patients can be predicted from the discriminative motion matrix with a higher accuracy compared to classical image-derived risk factors.
Cette thèse présente de nouveaux outils informatiques pour quantifier les déformations et le mouvement de structures anatomiques à partir d’images médicales dans le cadre d’une grande variété d’applications cliniques. Des outils génériques de recalage déformable sont présentés qui permettent l’analyse de la déformation de tissus anatomiques pour améliorer le diagnostic, le pronostic et la thérapie. Ces outils combinent des méthodes avancées d’analyse d’images médicales avec des méthodes d’apprentissage automatique performantes.Dans un premier temps, nous nous concentrons sur les problèmes de recalages inter-sujets difficiles. En apprenant à partir d’exemples de déformation donnés, nous proposons un nouveau schéma d’optimisation basé sur un agent inspiré de l’apprentissage par renforcement profond dans lequel un modèle de déformation statistique est exploré de manière itérative montrant une précision améliorée de recalage. Dans un second temps, nous développons un modèle de déformation difféomorphe qui permet un recalage multi-échelle précis et une analyse de déformation en apprenant une représentation de faible dimension des déformations intra-sujet. La méthode non supervisée utilise un modèle de variable latente sous la forme d’un autoencodeur variationnel conditionnel (CVAE) pour apprendre une représentation probabiliste des déformations qui est utile pour la simulation, la classification et la comparaison des déformations. Troisièmement, nous proposons un modèle de mouvement probabiliste dérivé de séquences d’images d’organes en mouvement. Ce modèle génératif décrit le mouvement dans un espace latent structuré, la matrice de mouvement, qui permet le suivi cohérent des structures ainsi que l’analyse du mouvement. Ainsi cette approche permet la simulation et l’interpolation de modèles de mouvement réalistes conduisant à une acquisition et une augmentation des données plus rapides.Enfin, nous démontrons l’intérêt des outils développés dans une application clinique où le modèle de mouvement est utilisé pour le pronostic de maladies et la planification de thérapies. Il est démontré que le risque de survie des patients souffrant d’insuffisance cardiaque peut être prédit à partir de la matrice de mouvement discriminant avec une précision supérieure par rapport aux facteurs de risque classiques dérivés de l’image.
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tel-02954033 , version 1 (30-09-2020)
tel-02954033 , version 2 (08-02-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-02954033 , version 2

Cite

Julian Krebs. Robust medical image registration and motion modeling based on machine learning. Medical Imaging. Université Côte d'Azur, 2020. English. ⟨NNT : 2020COAZ4032⟩. ⟨tel-02954033v2⟩
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