Modélisation interprétable du diagnostic de pathologies rétiniennes par apprentissage profond

Cette thèse traite de la reconnaissance automatique des pathologies rétiniennes au sein de deux modalités : la Tomographie par Cohérence Optique (OCT) et le fond d’oeil. Les travaux menés s’appuient sur différents types de réseaux de neurones pour la reconnaissance des maladies, mais en s’imposant une condition supplémentaire nécessaire à leur acceptabilité clinique : au delà de la performance d’un algorithme, il faut optimiser sa capacité à produire une prédiction interprétable par un opérateur humain. Plusieurs approches ont été expérimentées. La première consiste à utiliser un modèle de segmentation pour décomposer une image en un ensemble de structures sémantiques significatives pour le diagnostic. Un réseau de neurones convolutif est entraîné à segmenter quatre classes de lésions dans l’imagerie de fond d’oeil. Plusieurs bases de données sont utilisées à cette fin, dont la caractérisation détaillée révèle l’hétérogénéité. Or, celle-ci entraîne des contraintes additionnelles sur l’entraînement du modèle dans la mesure où les styles d’annotations divergent fortement. Elle questionne donc sur la capacité de généralisation du modèle. Celle-ci est étudiée sous le prisme de la compatibilité inter-bases et aboutit à la création d’un modèle généraliste capable d’adopter, de manière modulaire, les divers styles de segmentation. L’adaptation est obtenue à partir du concept des attaques adversariales portées sur une sonde d’identification de l’origine d’une image placée au coeur de l’encodeur du réseau. Il en résulte un modèle aux multiples styles de segmentation, configurable par l’utilisateur de façon prédictible, sans ré-entraînement ni même modification de ce dernier. La segmentation obtenue est convertie en une représentation sous forme de graphe, permettant de préserver la localité des lésions dans un format allégé de l’image. Ce graphe est utilisé pour la gradation automatique de la rétinopathie diabétique, en comparant une architecture existante avec une proposition originale, toutes deux basées sur le principe des GNNs (Graph Neural Networks). En limitant la structure du graphe aux lésions segmentées, le lien causal reliant ces dernières au diagnostic est intrinsèquement induit dans le modèle ; ce qui distingue ce dernier de l’état de l’art et favorise la transparence de la prise de décision. La seconde approche étudiée se focalise sur un modèle récent de classification d’image, le Transformer. Un nouveau mécanisme est introduit, basé sur le ré-échantillonnage, d’abord par simple interpolation mais ensuite conditionnel de manière stochastique, de la séquence fournie en entrée. Dans ce second cas, la sélection conditionnelle se fait suivant la carte d’attention autogénérée du modèle. L’algorithme, appelé Attention Concentrée, produit une carte d’attribution locale indiquant les structures lues dans l’image par le réseau de manière précise, contribuant ainsi également à une autre forme d’interprétabilité du diagnostic automatisé. Pour éprouver les algorithmes et modèles développés, deux applications cliniques seront étudiées : la première, dédiée au suivi de l’évolution longitudinale de la dégénérescence maculaire liée à l’âge au sein d’une cohorte de patients et la seconde au développement d’une plateforme d’aide au diagnostic à des fins de télédépistage. Ce travail a donné lieu à plusieurs contributions techniques originales. Dans le cadre de la généralisation, l’approche par attaque adversariale permet une adaptation multi-domaines d’une unique architecture conventionnelle, sans modifier ni ré-entraîner celle-ci ; ce qui la distingue des travaux existants dans la littérature. Elle trace une voie vers un entraînement d’un même modèle à partir de données hétérogènes pour lesquelles il n’existe pas nécessairement de domaines source et cible. En termes d’interprétabilité, les travaux sur les architectures Transformers aboutissent à une technique de génération de cartes d’attributions approuvées par les cliniciens. Les Transformers ne permettent pas de manipuler des images de hautes dimensions : l’Attention Concentrée pave le chemin vers de nouvelles architectures se libérant de ces contraintes mémoires.