Towards automatic segmentation of the organs at risk in brain cancer context via a deep learning classification scheme

Vers la segmentation automatique des organes à risque dans le contexte de la prise en charge des tumeurs cérébrales par l’application des technologies de classification de deep learning

Jose Dolz (1)

1 ONCO-THAI - Thérapies Laser Assistées par l'Image pour l'Oncologie - U 1189

Brain cancer is a leading cause of death and disability worldwide, accounting for 14.1 million of new cancer cases and 8.2 million deaths only in 2012. Radiotherapy and radiosurgery are among the arsenal of available techniques to treat it. Because both techniques involve the delivery of a very high dose of radiation, tumor as well as surrounding healthy tissues must be precisely delineated. In practice, delineation is manually performed by experts, or with very few machine assistance. Thus, it is a highly time consuming process with significant variation between labels produced by different experts. Radiation oncologists, radiology technologists, and other medical specialists spend, therefore, a substantial portion of their time to medical image segmentation. If by automating this process it is possible to achieve a more repeatable set of contours that can be agreed upon by the majority of oncologists, this would improve the quality of treatment. Additionally, any method that can reduce the time taken to perform this step will increase patient throughput and make more effective use of the skills of the oncologist.Nowadays, automatic segmentation techniques are rarely employed in clinical routine. In case they are, they typically rely on registration approaches. In these techniques, anatomical information is exploited by means of images already annotated by experts, referred to as atlases, to be deformed and matched on the patient under examination. The quality of the deformed contours directly depends on the quality of the deformation. Nevertheless, registration techniques encompass regularization models of the deformation field, whose parameters are complex to adjust, and its quality is difficult to evaluate. Integration of tools that assist in the segmentation task is therefore highly expected in clinical practice.The main objective of this thesis is therefore to provide radio-oncology specialists with automatic tools to delineate organs at risk of patients undergoing brain radiotherapy or stereotactic radiosurgery. To achieve this goal, main contributions of this thesis are presented on two major axes. First, we consider the use of one of the latest hot topics in artificial intelligence to tackle the segmentation problem, i.e. deep learning. This set of techniques presents some advantages with respect to classical machine learning methods, which will be exploited throughout this thesis. The second axis is dedicated to the consideration of proposed image features mainly associated with texture and contextual information of MR images. These features, which are not present in classical machine learning based methods to segment brain structures, led to improvements on the segmentation performance. We therefore propose the inclusion of these features into a deep network.We demonstrate in this work the feasibility of using such deep learning based classification scheme for this particular problem. We show that the proposed method leads to high performance, both in accuracy and efficiency. We also show that automatic segmentations provided by our method lie on the variability of the experts. Results demonstrate that our method does not only outperform a state-of-the-art classifier, but also provides results that would be usable in the radiation treatment planning.

Les tumeurs cérébrales sont une cause majeure de décès et d'invalidité dans le monde, ce qui représente 14,1 millions de nouveaux cas de cancer et 8,2 millions de décès en 2012. La radiothérapie et la radiochirurgie sont parmi l'arsenal de techniques disponibles pour les traiter. Ces deux techniques s’appuient sur une irradiation importante nécessitant une définition précise de la tumeur et des tissus sains environnants. Dans la pratique, cette délinéation est principalement réalisée manuellement par des experts avec éventuellement un faible support informatique d’aide à la segmentation. Il en découle que le processus est fastidieux et particulièrement chronophage avec une variabilité inter ou intra observateur significative. Une part importante du temps médical s’avère donc nécessaire à la segmentation de ces images médicales. L’automatisation du processus doit permettre d’obtenir des ensembles de contours plus rapidement, reproductibles et acceptés par la majorité des oncologues en vue d'améliorer la qualité du traitement. En outre, toute méthode permettant de réduire la part médicale nécessaire à la délinéation contribue à optimiser la prise en charge globale par une utilisation plus rationnelle et efficace des compétences de l'oncologue.De nos jours, les techniques de segmentation automatique sont rarement utilisées en routine clinique. Le cas échéant, elles s’appuient sur des étapes préalables de recalages d’images. Ces techniques sont basées sur l’exploitation d’informations anatomiques annotées en amont par des experts sur un « patient type ». Ces données annotées sont communément appelées « Atlas » et sont déformées afin de se conformer à la morphologie du patient en vue de l’extraction des contours par appariement des zones d’intérêt. La qualité des contours obtenus dépend directement de la qualité de l’algorithme de recalage. Néanmoins, ces techniques de recalage intègrent des modèles de régularisation du champ de déformations dont les paramètres restent complexes à régler et la qualité difficile à évaluer. L’intégration d’outils d’assistance à la délinéation reste donc aujourd’hui un enjeu important pour l’amélioration de la pratique clinique.L'objectif principal de cette thèse est de fournir aux spécialistes médicaux (radiothérapeute, neurochirurgien, radiologue) des outils automatiques pour segmenter les organes à risque des patients bénéficiant d’une prise en charge de tumeurs cérébrales par radiochirurgie ou radiothérapie.Pour réaliser cet objectif, les principales contributions de cette thèse sont présentées sur deux axes principaux. Tout d'abord, nous considérons l'utilisation de l'un des derniers sujets d'actualité dans l'intelligence artificielle pour résoudre le problème de la segmentation, à savoir le «deep learning ». Cet ensemble de techniques présente des avantages par rapport aux méthodes d'apprentissage statistiques classiques (Machine Learning en anglais). Le deuxième axe est dédié à l'étude des caractéristiques d’images utilisées pour la segmentation (principalement les textures et informations contextuelles des images IRM). Ces caractéristiques, absentes des méthodes classiques d'apprentissage statistique pour la segmentation des organes à risque, conduisent à des améliorations significatives des performances de segmentation. Nous proposons donc l'inclusion de ces fonctionnalités dans un algorithme de réseau de neurone profond (deep learning en anglais) pour segmenter les organes à risque du cerveau.Nous démontrons dans ce travail la possibilité d'utiliser un tel système de classification basée sur techniques de « deep learning » pour ce problème particulier. Finalement, la méthodologie développée conduit à des performances accrues tant sur le plan de la précision que de l’efficacité.

Mots clés: Machine learning; Support vector machines; Deep learning; Stacked denoising auto-encoders; Radiotherapy

Mots clés: Segmentation des organes à risque; Radiochirurgie; Radiothérapie; Réseau de neurone profond

Domaines: Médecine humaine et pathologie

Jose Dolz. Towards automatic segmentation of the organs at risk in brain cancer context via a deep learning classification scheme. Human health and pathology. Université du Droit et de la Santé - Lille II, 2016. English. ⟨NNT : 2016LIL2S059⟩. ⟨tel-01759294⟩