Conception d’un algorithme de vision par ordinateur « top-down » dédié à la reconnaissance des sillons corticaux

We are seven billion humans with unique cortical folding patterns. The cortical folding process occurs during the last trimester of pregnancy, during the emergence of cortical architecture. The folding patterns are impacted by architectural features specific to each individual. Hence, they could reveal signatures of abnormal developments that can lead to psychiatric syndroms. For the last 25 years, the image analysis lab of Neurospin has been designing dedicated computer vision tools to tackle the research of such signatures. The resulting tools are distributed to the community (http://brainvisa.info).This thesis has resulted in the emergence of a new generation of tools based on machine learning techniques. The first proposed tool automatically classifies local patterns of cortical folds, a problem that had never been addressed before. The second tool aims at the automatic labeling of cortical sulci by modeling the top-down recognition mechanisms necessary to overcome weaknesses of the current bottom-up systems. Thus, in addition to having higher recognition rates and shorter execution time, the proposed new model is robust to sub-segmentation errors, which is one of the greatest weaknesses of the old system. To realize these two tools, several machine learning algorithms were implemented and compared. These algorithms are inspired on the one hand by multi-atlas methods, in particular the patch approach, which are widely used for the anatomical segmentation of medical images and on the other hand by the deep learning methods that are revolutionizing the world of computer vision. The work of this thesis confirms the incredible effectiveness of deep learning techniques to adapt well to complex problems. However, the performances obtained with these techniques are generally equivalent to those of patch approaches, or even worse if the training database is limited. What makes deep learning a particularly interesting tool in practice is its fast execution, especially for the analysis of the huge databases now available.Les plissements du cortex caractérisent de manière unique chaque être humain. Ils apparaissent pendant le dernier trimestre de grossesse, c’est-à-dire pendant la mise en place de l’architecture cérébrale. Les motifs de ces plis sont impactés par les spécificités de cette architecture propres à chaque individu. Ils pourraient donc dévoiler les signatures de certaines anomalies du développement à l’origine de pathologies psychiatriques. Le laboratoire d’analyse d’images de Neurospin développe depuis 25 ans un programme de recherche visant à mettre en évidence de telles signatures grâce à la conception d’outils de vision par ordinateur dédiés qu’il diffuse à la communauté (http://brainvisa.info).Cette thèse a permis l’émergence d’une nouvelle génération d’outils basés sur des techniques d’apprentissage automatique. Le premier outil proposé classifie automatiquement des motifs locaux de plissements du cortex, un problème qui n’avait jamais été abordé jusqu’ici. Le second outil vise l’étiquetage automatique des sillons corticaux en modélisant des mécanismes de reconnaissance « top-down » nécessaires pour pallier les faiblesses des démarches « bottom-up » développées jusqu’à présent. Ainsi, en plus d'avoir des taux de reconnaissances plus élevés et un temps d’exécution plus court, le nouveau modèle proposé est robuste aux erreurs de sous-segmentation, ce qui est l'une des plus grandes faiblesses de l'ancien système. Pour réaliser ces deux outils, plusieurs algorithmes d'apprentissage automatique ont été implémentés et comparés. Ces algorithmes s'inspirent d'une part des méthodes multi-atlas, en particulier de l'approche par patch, qui sont largement utilisées pour la segmentation anatomique d'images médicales et d'autre part des méthodes d'apprentissage profond qui révolutionnent aujourd'hui le monde de la vision par ordinateur. Les travaux de cette thèse confirment l'incroyable efficacité des techniques d'apprentissage profond pour s'adapter à des problèmes complexes. Cependant, les performances obtenues avec ces techniques sont généralement équivalentes à celles des approches par patch, voire moins bonnes si la base de données d'apprentissage est restreinte. Ce qui fait de l'apprentissage profond un outil particulièrement intéressant en pratique n'est autre que sa rapidité d'exécution, d'autant plus pour l'analyse des bases de données colossales aujourd'hui disponibles