Statistical analysis of quantitative MRI based on mixture models : Application to the localization and characterization of brain tumors

Analyse statistique d'IRM quantitatives par modèles de mélange : application à la localisation et la caractérisation de tumeurs cérébrales

Alexis Arnaud (1)

1 LJK - Laboratoire Jean Kuntzmann

We present in this thesis a generic and automatic method for the localization and the characterization of brain lesions such as primary tumor using multi-contrast MRI. From the recent generalization of scale mixtures of Gaussians, we reach to model a large variety of interactions between the MRI parameters, with the aim of capturing the heterogeneity inside the healthy and damaged brain tissues. Using these probability distributions we propose an all-in-one protocol to analyze multi-contrast MRI: starting from quantitative MRI data this protocol determines if there is a lesion and in this case the localization and the type of the lesion based on probability models. We also develop two extensions for this protocol. The first one concerns the selection of mixture components in a Bayesian framework. The second one is about taking into account the spatial structure of MRI data by the addition of a random Markov field to our protocol.

Nous présentons dans cette thèse une méthode générique et automatique pour la localisation et la caractérisation de lésions cérébrales telles que les tumeurs primaires à partir de multiples contrastes IRM. Grâce à une récente généralisation des lois de probabilités de mélange par l'échelle de distributions gaussiennes, nous pouvons modéliser une large variété d'interactions entre les paramètres IRM mesurés, et cela afin de capter l'hétérogénéité présent dans les tissus cérébraux sains et endommagés. En nous basant sur ces lois de probabilités, nous proposons un protocole complet pour l'analyse de données IRM multi-contrastes : à partir de données quantitatives, ce protocole fournit, s'il y a lieu, la localisation et le type des lésions détectées au moyen de modèles probabilistes. Nous proposons également deux extensions de ce protocole. La première extension concerne la sélection automatique du nombre de composantes au sein du modèle probabiliste, sélection réalisée via une représentation bayésienne des modèles utilisés. La seconde extension traite de la prise en compte de la structure spatiale des données IRM par l'ajout d'un champ de Markov latent au sein du protocole développé.

Mots clés: Mixture model; Model selection; MRI analysis; Bayesian analysis; Markov models; Brain tumor

Mots clés: Modèle de mélange; Sélection de modèles; Analyse d'IRM; Analyse bayésienne; Modèles de Markov; Tumeur cérébrale

Domaines: Statistiques [math.ST]

Alexis Arnaud. Analyse statistique d'IRM quantitatives par modèles de mélange : application à la localisation et la caractérisation de tumeurs cérébrales. Statistiques [math.ST]. Université Grenoble Alpes, 2018. Français. ⟨NNT : 2018GREAM052⟩. ⟨tel-01971217v3⟩