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Theses Year : 2014

Probabilistic atlas statistical estimation with multimodal datasets and its application to atlas based segmentation

Estimation statistique d'atlas probabiliste avec les données multimodales et son application à la segmentation basée sur l'atlas

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Abstract

Computerized anatomical atlases play an important role in medical image analysis. While an atlas usually refers to a standard or mean image also called template, that presumably represents well a given population, it is not enough to characterize the observed population in detail. A template image should be learned jointly with the geometric variability of the shapes represented in the observations. These two quantities will in the sequel form the atlas of the corresponding population. The geometric variability is modelled as deformations of the template image so that it fits the observations. In the first part of the work, we provide a detailed analysis of a new generative statistical model based on dense deformable templates that represents several tissue types observed in medical images. Our atlas contains both an estimation of probability maps of each tissue (called class) and the deformation metric. We use a stochastic algorithm for the estimation of the probabilistic atlas given a dataset. This atlas is then used for atlas-based segmentation method to segment the new images. Experiments are shown on brain T1 MRI datasets. Traditional analyses of Functional Magnetic Resonance Imaging use little anatomical information. The registration of the images to a template is based on the individual anatomy and ignores functional information; subsequently detected activations are not confined to gray matter. In the second part of the work, we propose a statistical model to estimate a probabilistic atlas from functional and T1 MRIs that summarizes both anatomical and functional information and the geometric variability of the population. Registration and Segmentation are performed jointly along the atlas estimation and the functional activity is constrained to the gray matter, increasing the accuracy of the atlas. Inferring protein abundances from peptide intensities is the key step in quantitative proteomics. The inference is necessarily more accurate when many peptides are taken into account for a given protein. Yet, the information brought by the peptides shared by different proteins is commonly discarded. In the third part of the work, we propose a statistical framework based on a hierarchical modeling to include that information. Our methodology, based on a simultaneous analysis of all the quantified peptides, handles the biological and technical errors as well as the peptide effect. In addition, we propose a practical implementation suitable for analyzing large datasets. Compared to a method based on the analysis of one protein at a time (that does not include shared peptides), our methodology proved to be far more reliable for estimating protein abundances and testing abundance changes.
Les atlases d'anatomie informatisé jouent un rôle important dans l'analyse d'images médicales. Cependant un atlas se réfère généralement à une image standard ou une moyenne d'image aussi appelé template, qui probablement représente bien d'une population observée, il ne suffit pas pour caractériser la population observée en détail. Un template doit être apprises conjointement avec la variabilité géométrique des formes représentées dans les observations. Ces deux quantités seront par la suite former l'atlas de la population correspondante. La variabilité géométrique est modélisée comme des déformations du template de sorte qu'il s'adapte aux observations. Dans la première partie du travail, nous fournissons un nouveau modèle statistique générative basée sur des templates déformables denses qui représente plusieurs types de tissus observés dans les images médicales. Notre atlas contient à la fois une estimation des templates probabiliste de chaque tissu (appelée classes) et la métrique de déformation. Nous utilisons un algorithme stochastique pour l'estimation de l'atlas probabilistes donné un ensemble de données. Cet atlas est ensuite utilisé pour la méthode de segmentation basée sur l'atlas pour segmenter les nouvelles images. Expériences sont montrées sur les images T1 du cerveau. Les analyses traditionnelles d'imagerie de résonance magnétique fonctionnelle utilisent peu d'informations anatomies. Le recalage des images vers un template est basé sur l'anatomie individuelle et ne tient pas compte des informations fonctionnelles, donc les activations détectées ne se limitent pas à la matière grise. Dans la deuxième partie du travail, on propose un modèle statistique pour estimer un atlas probabiliste de l'IRM fonctionnelle et T1 qui résume à la fois des informations anatomies et fonctionnelles et la variabilité géométrique de la population. Le recalage et la segmentation sont effectuées conjointement pendant l'estimation de l'atlas et l'activité fonctionnelle est limitée à la matière grise, augmenter la précision de l'atlas. Inférer l'abondance des protéines de l'intensité de peptides est l'étape clé dans la protéomique quantitative. La conclusion est nécessairement plus précis quand de nombreux peptides sont pris en compte pour une protéine donnée. Pourtant, l'information apportée par les peptides partagées par différentes protéines est souvent jeté. Dans la troisième partie du travail, nous proposons un système statistique basée sur une modèle hiérarchique à inclure cette information. Notre méthodologie, basée sur une analyse simultanée de tous les peptides quantifiés, gère les erreurs biologiques et techniques ainsi que l'effet des peptides. En outre, nous proposons une mise en œuvre pratique adapté à l'analyse de grandes bases de données. Par rapport à une méthode basée sur l'analyse d'une protéine à la fois (ce qui ne comprend pas les peptides partagés), notre méthodologie s'est révélée être beaucoup plus fiable pour estimer l'abondance de protéines et de tester les changements d'abondance.
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Dates and versions

pastel-00969176 , version 1 (08-04-2014)

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  • HAL Id : pastel-00969176 , version 1

Cite

Hao Xu. Probabilistic atlas statistical estimation with multimodal datasets and its application to atlas based segmentation. Statistics [math.ST]. Ecole Polytechnique X, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00969176⟩
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