Hierarchical clustering using equivalence test : application on automatic segmentation of dynamic contrast enhanced image sequence
Clustering hiérarchique en utilisant le test d'équivalent : application à la segmentation automatique des séries dynamiques de perfusion
par Liu Fuchen sous la direction de Rozenholc Yves et de Cuenod Charles-André
Thèse de doctorat en Mathe¿matiques informatique
École doctorale Interdisciplinaire Européenne Frontières du Vivant

Soutenue le Tuesday 11 July 2017 à Sorbonne Paris Cité

Sujets
  • Cancer -- Diagnostic
  • Imagerie médicale
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Mots clés
DCE-HiSET, SNR, Segmentation, Région d'intérêt, Test d'équivalence, Clustering hiérarchique, Classification, Raffinement automatique, Série dynamique de perfusion
Resumé
L'imagerie de perfusion permet un accès non invasif à la micro-vascularisation tissulaire. Elle apparaît comme un outil prometteur pour la construction de biomarqueurs d'imagerie pour le diagnostic, le pronostic ou le suivi de traitement anti-angiogénique du cancer. Cependant, l'analyse quantitative des séries dynamiques de perfusion souffre d'un faible rapport signal sur bruit (SNR). Le SNR peut être amélioré en faisant la moyenne de l'information fonctionnelle dans de grandes régions d'intérêt, qui doivent néanmoins être fonctionnellement homogènes. Pour ce faire, nous proposons une nouvelle méthode pour la segmentation automatique des séries dynamiques de perfusion en régions fonctionnellement homogènes, appelée DCE-HiSET. Au coeur de cette méthode, HiSET (Hierarchical Segmentation using Equivalence Test ou Segmentation hiérarchique par test d'équivalence) propose de segmenter des caractéristiques fonctionnelles ou signaux (indexées par le temps par exemple) observées discrètement et de façon bruité sur un espace métrique fini, considéré comme un paysage, avec un bruit sur les observations indépendant Gaussien de variance connue. HiSET est un algorithme de clustering hiérarchique qui utilise la p-valeur d'un test d'équivalence multiple comme mesure de dissimilarité et se compose de deux étapes. La première exploite la structure de voisinage spatial pour préserver les propriétés locales de l'espace métrique, et la seconde récupère les structures homogènes spatialement déconnectées à une échelle globale plus grande. Etant donné un écart d'homogénéité $\delta$ attendu pour le test d'équivalence multiple, les deux étapes s'arrêtent automatiquement par un contrôle de l'erreur de type I, fournissant un choix adaptatif du nombre de régions. Le paramètre $\delta$ apparaît alors comme paramètre de réglage contrôlant la taille et la complexité de la segmentation. Théoriquement, nous prouvons que, si le paysage est fonctionnellement constant par morceaux avec des caractéristiques fonctionnelles bien séparées entre les morceaux, HiSET est capable de retrouver la partition exacte avec grande probabilité quand le nombre de temps d'observation est assez grand. Pour les séries dynamiques de perfusion, les hypothèses, dont dépend HiSET, sont obtenues à l'aide d'une modélisation des intensités (signaux) et une stabilisation de la variance qui dépend d'un paramètre supplémentaire $a$ et est justifiée a posteriori. Ainsi, DCE-HiSET est la combinaison d'une modélisation adaptée des séries dynamiques de perfusion avec l'algorithme HiSET. A l'aide de séries dynamiques de perfusion synthétiques en deux dimensions, nous avons montré que DCE-HiSET se révèle plus performant que de nombreuses méthodes de pointe de clustering. En terme d'application clinique de DCE-HiSET, nous avons proposé une stratégie pour affiner une région d'intérêt grossièrement délimitée par un clinicien sur une série dynamique de perfusion, afin d'améliorer la précision de la frontière des régions d'intérêt et la robustesse de l'analyse basée sur ces régions tout en diminuant le temps de délimitation. La stratégie de raffinement automatique proposée est basée sur une segmentation par DCE-HiSET suivie d'une série d'opérations de type érosion et dilatation. Sa robustesse et son efficacité sont vérifiées grâce à la comparaison des résultats de classification, réalisée sur la base des séries dynamiques associées, de 99 tumeurs ovariennes et avec les résultats de l'anapathologie sur biopsie utilisés comme référence. Finalement, dans le contexte des séries d'images 3D, nous avons étudié deux stratégies, utilisant des structures de voisinage des coupes transversales différentes, basée sur DCE-HiSET pour obtenir la segmentation de séries dynamiques de perfusion en trois dimensions. (...)