Deep learning motion estimation in ultrasound imaging : Application to myocardial deformation quantification
Apprentissage profond pour l'estimation de mouvement en imagerie ultrasonore : Application à la quantification des déformations du myocarde
Résumé
Ultrasound is the most widely used imaging modality in clinical practice because it is fast, non-invasive and less expensive than other modalities. In echocardiography, several metrics characterizing the cardiac function can be extracted from these acquisitions, among which the global longitudinal strain (GLS) plays an important role in establishing a diagnosis. However, the estimation of this index suffers from a lack of reproducibility due to the specific ultrasound’s characteristics. Indeed, traditional methods such as optical flow or block matching do not handle typical artifacts such as ultrasound texture decorrelation. Recently, deep learning approaches have beaten state-of-the-art methods in motion estimation, driven by applications to robotics or autonomous cars. In the first part of this thesis, we present a pilot study to evaluate the ability of deep learning methods to estimate motion in ultrasound imaging despite the many underlying artifacts. To do so, we created a database composed of simulated and in-vitro ultrasound images including a rotating disk with varying speeds. In the second part of this thesis, we detail the pyramidal neural network that we have developed to estimate the deformation of the myocardial muscle and that significantly improves the performances of the state-of-the-art methods. To train and evaluate our learning method, we also implemented a simulation pipeline to generate realistic echocardiographic image sequences with a dense reference field and with high anatomical and functional variability.
La modalité d’imagerie la plus utilisée en pratique clinique est actuellement l’imagerie ultrasonore car celle-ci est peu couteuse, rapide et non-invasive. En échocardiographie, plusieurs indices caractérisant la fonction cardiaque peuvent être extraits de ces acquisitions, parmi lesquels la déformation globale longitudinale joue un rôle important dans l'établissement d'un diagnostic. Cependant l’estimation de cet indice souffre d’un manque de reproductibilité du fait des caractéristiques inhérentes à l’imagerie ultrasonore. En effet, les méthodes traditionnelles comme le flux optique ou la correspondance de blocs ne permettent pas de gérer des artéfacts types tels que la décorrélation de texture ultrasonore. Récemment, les approches d’apprentissage profond ont battu les méthodes l’état de l’art en estimation de mouvement, portées par les applications à la robotique ou les voitures autonomes. Dans la première partie de cette thèse, nous présentons une étude pilote afin d'évaluer la capacité des méthodes d’apprentissage profond à estimer le mouvement en imagerie ultrasonore malgré les nombreux artéfacts sous-jacents. Pour ce faire, nous avons créé une base de données composée d'images ultrasonores simulées et in-vitro incluant un disque tournant avec des vitesses variables. Dans la seconde partie de cette thèse, nous détaillons le réseau de neurones pyramidal que nous avons développé afin d'estimer la déformation du muscle myocardique et qui améliore de façon significative les performances des méthodes de l’état de l’art. Pour entrainer et évaluer notre méthode d’apprentissage, nous avons également implémenté un pipeline de simulations permettant de générer des séquences d'images échocardiographiques réalistes avec un champ dense de référence et présentant une grande variabilité anatomique et fonctionnelle.
Origine : Version validée par le jury (STAR)