Reduced Representation of Segmentation and Tracking in Cardiac Images for Group-Wise Longitudinal Analysis
Représentation réduite de la segmentation et du suivi des images cardiaques pour l’analyse longitudinale de groupe
Résumé
This thesis presents image-based methods for the analysis of cardiac
motion to enable group-wise statistics, automatic diagnosis and longitudinal study.
This is achieved by combining advanced medical image processing with machine
learning methods and statistical modelling.
The first axis of this work is to define an automatic method for the segmentation
of the myocardium. We develop a very-fast registration method based on convolu-
tional neural networks that is trained to learn inter-subject heart registration. Then,
we embed this registration method into a multi-atlas segmentation pipeline.
The second axis of this work is focused on the improvement of cardiac motion
tracking methods in order to define relevant low-dimensional representations. Two
different methods are developed, one relying on Barycentric Subspaces built on ref-
erences frames of the sequence, and another based on a reduced order representation
of the motion from polyaffine transformations.
Finally, in the last axis, we apply the previously defined representation to the
problem of diagnosis and longitudinal analysis. We show that these representations
encode relevant features allowing the diagnosis of infarcted patients and Tetralogy
of Fallot versus controls and the analysis of the evolution through time of the cardiac
motion of patients with either cardiomyopathies or obesity.
These three axes form an end to end framework for the study of cardiac motion
starting from the acquisition of the medical images to their automatic analysis. Such
a framework could be used for diagonis and therapy planning in order to improve
the clinical decision making with a more personalised computer-aided medicine.
Cette thèse présente des méthodes d’imagerie pour l’analyse du mou-
vement cardiaque afin de permettre des statistiques groupées, un diagnostic au-
tomatique et une étude longitudinale. Ceci est réalisé en combinant des méthodes
d’apprentissage et de modélisation statistique.
En premier lieu, une méthode automatique de segmentation du myocarde est
définie. Pour ce faire, nous développons une méthode de recalage très rapide basée
sur des réseaux neuronaux convolutifs qui sont entrainés à apprendre le recalage
cardiaque inter-sujet. Ensuite, nous intégrons cette méthode de recalage dans une
pipeline de segmentation multi-atlas.
Ensuite, nous améliorons des méthodes de suivi du mouvement cardiaque afin
de définir des représentations à faible dimension. Deux méthodes différentes sont
développées, l’une s’appuyant sur des sous-espaces barycentriques construits sur des
frames de référence de la séquence et une autre basée sur une représentation d’ordre
réduit du mouvement avec des transformations polyaffine.
Enfin, nous appliquons la représentation précédemment définie au problème du
diagnostic et de l’analyse longitudinale. Nous montrons que ces représentations en-
codent des caractéristiques pertinentes permettant le diagnostic des patients atteint
d’infarct et de Tétralogie de Fallot ainsi que l’analyse de l’évolution dans le temps
du mouvement cardiaque des patients atteints de cardiomyopathies ou d’obésité.
Ces trois axes forment un cadre pour l’étude du mouvement cardiaque de bout
en bout de l’acquisition des images médicales jusqu’à leur analyse automatique afin
d’améliorer la prise de décision clinique grâce à un traitement personnalisé assisté
par ordinateur.
Domaines
Traitement des images [eess.IV]
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