Analysis of neuro-degenerative disorders using deep learning
Analyse des pathologies neuro-dégénératives par apprentissage profond
Résumé
Monitoring and predicting the cognitive state of a subject affected by a neuro-degenerative disorder is crucial to provide appropriate treatment as soon as possible. Thus, these patients are followed for several years, as part of longitudinal medical studies. During each visit, a large quantity of data is acquired : risk factors linked to the pathology, medical imagery (MRI or PET scans for example), cognitive tests results, sampling of molecules that have been identified as bio-markers, etc. These various modalities give information about the disease's progression, some of them are complementary and others can be redundant. Several deep learning models have been applied to bio-medical data, notably for organ segmentation or pathology diagnosis. This PhD is focused on the conception of a deep neural network model for cognitive decline prediction, using multimodal data, here both structural brain MRI images and clinical data. In this thesis we propose an architecture made of sub-modules tailored to each modality : 3D convolutional network for the brain MRI, and fully connected layers for the quantitative and qualitative clinical data. To predict the patient's evolution, this model takes as input data from two medical visits for each patient. These visits are compared using a siamese architecture. After training and validating this model with Alzheimer's disease as our use case, we look into knowledge transfer to other neuro-degenerative pathologies, and we use transfer learning to adapt our model to Parkinson's disease. Finally, we discuss the choices we made to take into account the temporal aspect of our problem, both during the ground truth creation using the long-term evolution of a cognitive score, and for the choice of using pairs of visits as input instead of longer sequences.
Le suivi et l'établissement de pronostics sur l'état cognitif des personnes affectées par une maladie neurologique sont cruciaux, car ils permettent de fournir un traitement approprié à chaque patient, et cela le plus tôt possible. Ces patients sont donc suivis régulièrement pendant plusieurs années, dans le cadre d'études longitudinales. À chaque visite médicale, une grande quantité de données est acquise : présence de facteurs de risque associés à la maladie, imagerie médicale (IRM ou PET-scan), résultats de tests cognitifs, prélèvements de molécules identifiées comme biomarqueurs de la maladie, etc. Ces différentes modalités apportent des informations sur la progression de la maladie, certaines complémentaires et d'autres redondantes. De nombreux modèles d'apprentissage profond ont été appliqués avec succès aux données biomédicales, notamment pour des problématiques de segmentation d'organes ou de diagnostic de maladies. Ces travaux de thèse s'intéressent à la conception d'un modèle de type "réseau de neurones profond" pour la prédiction du déclin cognitif de patients à l'aide de données multimodales. Ainsi, nous proposons une architecture composée de sous-modules adaptés à chaque modalité : réseau convolutif 3D pour les IRM de cerveau, et couches entièrement connectées pour les données cliniques quantitatives et qualitatives. Pour évaluer l'évolution du patient, ce modèle prend en entrée les données de deux visites médicales quelconques. Ces deux visites sont comparées grâce à une architecture siamoise. Après avoir entraîné et validé ce modèle en utilisant comme cas d'application la maladie d'Alzheimer, nous nous intéressons au transfert de connaissance avec d'autres maladies neuro-dégénératives, et nous utilisons avec succès le transfert d'apprentissage pour appliquer notre modèle dans le cas de la maladie de Parkinson. Enfin, nous discutons des choix que nous avons pris pour la prise en compte de l'aspect temporel du problème, aussi bien lors de la création de la vérité terrain en fonction de l'évolution au long terme d'un score cognitif, que pour le choix d'utiliser des paires de visites au lieu de plus longues séquences.
Origine : Version validée par le jury (STAR)