Performance Evaluation of the Deep Learning Model TransUNet for Automatic Segmentation in Medical Imaging / Ratiba Mebarki

Public ISBD Titre : Performance Evaluation of the Deep Learning Model TransUNet for Automatic Segmentation in Medical Imaging Type de document : document électronique Auteurs : Ratiba Mebarki, Auteur ; Imene Guerioune, Auteur ; Hacene Azizi, Directeur de thèse Editeur : Setif:UFA Année de publication : 2025 Importance : 1 vol (50 f.) Format : 29 cm Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Physique Mots-clés : Medical imaging Automatic segmentation Deep learning TransUNet SegNet Microultrasound Prostate Index. décimale : 530 - Physique Résumé : Medical image segmentation is a crucial step in many clinical procedures, particularly in oncology and radiotherapy. However, manual segmentation remains tedious, subject to inter-practitioner variability, and difficult to reproduce accurately. This thesis is part of an effort to automate this process through advances in deep learning. We studied and implemented the TransUNet model, known for its ability to combine the strengths of convolutional networks and transformers in segmentation tasks. Applying this model to micro-ultrasound images of the prostate allowed us to evaluate its performance using robust metrics, such as the Dice coefficient and the Hausdorff Distance (HD). The results obtained—Dice = 94% and Hausdorff Distance = 1.960—confirm the model’s reliability, as it successfully reproduces the contours of the prostate while ensuring spatial consistency and good generalization. This work concretely illustrates how artificial intelligence (AI) can reduce the workload of healthcare professionals and improve diagnostic quality. It also opens the door to promising prospects, notably the extension of its application to other anatomical structures and the clinical integration of such tools. Note de contenu : Sommaire Remerciement i Liste des figures vi Liste des tableaux xi Liste des abr´eviations xii Introduction 1 1 ´Etat de l’art :Segmentation des images m´edicales 3 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 La segmentation en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 ´Evolution des diff´erentes m´ethodes de segmentation dans l’imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 D´efinition de la segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 Les diff´erentes m´ethodes de segmentation . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.3.1 M´ethodes classiques de Segmentation : . . . . . . . . . 7 1.3.3.2 M´ethodes bas´ees sur l’IA . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.4 Comparaison entre les m´ethodes classiques et profondes dans la segmentation d’images m´edicales . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Les Objectifs de la segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5 Applications Cliniques de la segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Radioth´erapie et Oncologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Ophtalmologie et R´etinopathie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5.3 Cardiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Application d’apprentissage profond dans la segmentation des images m´edicale 17 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 M´ethodes d’apprentissage en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 D´efinition et concepts de l’intelligence artificielle . . . . . . . . 18 2.2.2 Apprentissage automatique : techniques et applications en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2.1 Apprentissage supervis´e . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2.2 Apprentissage non supervis´e . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3 Apprentissage profond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.4 Comparaison entre la Machine Learning et Deep Learning . . . 21 2.2.5 Applications en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Introduction aux r´eseaux de neurones profonds . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Architectures des r´eseaux de neurones profonds . . . . . . . . . 22 2.3.2 R´eseaux de neurones convolutifs . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Techniques de segmentation en apprentissage profond . . . . . . . . . . 24 2.4.1 Segmentation par U-Net . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.2 Segmentation par SegNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.3 Segmentation par Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Mat´eriels et M´ethodes 29 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Description des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Base de donn´ees MicroSegNet (MicroSegNet Dataset) . . . . . . 30 3.3 Mat´eriels utilis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Python et Google Colab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.2 Mod`ele d’architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2.1 MicroSegNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2.2 Composants cl´es de TransUNet int´egr´es dans MicroSegNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4 Param`etres du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5 hyperparam`etres d’entraˆınement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6 Les m´etriques d’´evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 R´esultats et Discussions 36 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 Protocole d’Entraˆınement de Mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 R´esultats d’entrainement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3.1 Comparaison qualitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3.2 Comparaison quantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.2.1 M´etrique d’´evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.2.2 Fonction de coˆut pour l’apprentissage du mod`ele . . . 45 4.4 Le ”Benchmarking” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Conclusion G´en´erale & Perspectives 49 Bibliographie i Annexe v Côte titre : MAPH/0678 Performance Evaluation of the Deep Learning Model TransUNet for Automatic Segmentation in Medical Imaging [document électronique] / Ratiba Mebarki, Auteur ; Imene Guerioune, Auteur ; Hacene Azizi, Directeur de thèse . - [S.l.] : Setif:UFA, 2025 . - 1 vol (50 f.) ; 29 cm. Langues : Anglais (eng) Catégories : Thèses & Mémoires:Physique Mots-clés : Medical imaging Automatic segmentation Deep learning TransUNet SegNet Microultrasound Prostate Index. décimale : 530 - Physique Résumé : Medical image segmentation is a crucial step in many clinical procedures, particularly in oncology and radiotherapy. However, manual segmentation remains tedious, subject to inter-practitioner variability, and difficult to reproduce accurately. This thesis is part of an effort to automate this process through advances in deep learning. We studied and implemented the TransUNet model, known for its ability to combine the strengths of convolutional networks and transformers in segmentation tasks. Applying this model to micro-ultrasound images of the prostate allowed us to evaluate its performance using robust metrics, such as the Dice coefficient and the Hausdorff Distance (HD). The results obtained—Dice = 94% and Hausdorff Distance = 1.960—confirm the model’s reliability, as it successfully reproduces the contours of the prostate while ensuring spatial consistency and good generalization. This work concretely illustrates how artificial intelligence (AI) can reduce the workload of healthcare professionals and improve diagnostic quality. It also opens the door to promising prospects, notably the extension of its application to other anatomical structures and the clinical integration of such tools. Note de contenu : Sommaire Remerciement i Liste des figures vi Liste des tableaux xi Liste des abr´eviations xii Introduction 1 1 ´Etat de l’art :Segmentation des images m´edicales 3 1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.2 Imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.3 La segmentation en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.1 ´Evolution des diff´erentes m´ethodes de segmentation dans l’imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.2 D´efinition de la segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.3.3 Les diff´erentes m´ethodes de segmentation . . . . . . . . . . . . . 6 1.3.3.1 M´ethodes classiques de Segmentation : . . . . . . . . . 7 1.3.3.2 M´ethodes bas´ees sur l’IA . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3.4 Comparaison entre les m´ethodes classiques et profondes dans la segmentation d’images m´edicales . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Les Objectifs de la segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5 Applications Cliniques de la segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.1 Radioth´erapie et Oncologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5.2 Ophtalmologie et R´etinopathie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.5.3 Cardiologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2 Application d’apprentissage profond dans la segmentation des images m´edicale 17 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2 M´ethodes d’apprentissage en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1 D´efinition et concepts de l’intelligence artificielle . . . . . . . . 18 2.2.2 Apprentissage automatique : techniques et applications en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2.1 Apprentissage supervis´e . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.2.2 Apprentissage non supervis´e . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.3 Apprentissage profond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.4 Comparaison entre la Machine Learning et Deep Learning . . . 21 2.2.5 Applications en imagerie m´edicale . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Introduction aux r´eseaux de neurones profonds . . . . . . . . . . . . . 21 2.3.1 Architectures des r´eseaux de neurones profonds . . . . . . . . . 22 2.3.2 R´eseaux de neurones convolutifs . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.4 Techniques de segmentation en apprentissage profond . . . . . . . . . . 24 2.4.1 Segmentation par U-Net . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.4.2 Segmentation par SegNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.4.3 Segmentation par Transformer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3 Mat´eriels et M´ethodes 29 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.2 Description des donn´ees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.1 Base de donn´ees MicroSegNet (MicroSegNet Dataset) . . . . . . 30 3.3 Mat´eriels utilis´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.1 Python et Google Colab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.2 Mod`ele d’architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2.1 MicroSegNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.2.2 Composants cl´es de TransUNet int´egr´es dans MicroSegNet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.4 Param`etres du mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.5 hyperparam`etres d’entraˆınement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.6 Les m´etriques d’´evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 R´esultats et Discussions 36 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.2 Protocole d’Entraˆınement de Mod`ele . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 R´esultats d’entrainement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3.1 Comparaison qualitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3.2 Comparaison quantitative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.2.1 M´etrique d’´evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.3.2.2 Fonction de coˆut pour l’apprentissage du mod`ele . . . 45 4.4 Le ”Benchmarking” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Conclusion G´en´erale & Perspectives 49 Bibliographie i Annexe v Côte titre : MAPH/0678

Exemplaires (1)

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MAPH/0678	MAPH/0678	Mémoire	Bibliothèque des sciences	Anglais	Disponible Disponible

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