L'Intelligence Artificielle: la belle ou la bête? - Dr Gaspard d'Assignies Groupe SFR IA - Collège des Enseignants ...

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L'Intelligence Artificielle: la belle ou la bête? - Dr Gaspard d'Assignies Groupe SFR IA - Collège des Enseignants ...
L'Intelligence Artificielle: la belle
            ou la bête?
            Dr Gaspard d’Assignies
                Groupe SFR IA
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Innovation
• Xray
                  • Echo           • CT

 • MRI       • PACS - EMR   • AI
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Algorithme et médecine
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IA en médecine
       Système expert                   Machine learning

Règles …………..Conclusions            Données -------------Règles

     Données cliniques            - Pas de théorie
                                  - Grand nombre de variable
      Étudiant idéal              - Model de régression
                                  - Sources de données divers
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Deep learning
                                     Deep Learning
                                           =
                                      Deep Neural
                                       Network
         Intelligence artificielle

        Machine Learning

         Deep Learning
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L’apprentissage machine, comment ça marche ?...

                                                   Comme une boîte

 On rentre des données                                                      réponse

         D                                                                     L      Bonne ...

                                                                                      Ou mauvaise
         L     D                                                               X
                   D
                       D
                           D
    le label                   D
               L                   D                         Entrainement
                   L                   D
                       L                   D
                           L                D
                               L
                                   L
                                       L
                                           L
                                               L
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Machine Learning
 = Classifieur

                   Chat

                   Lapin
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Machine Learning
 = Classifieur

                                  Lapin

                   Entrainement
Machine Learning

           - Contours
           - Densité
           - Texture    Chat

Deep Neural Network

                         Chat
Exemples : radio/nature dermato
IMAGE NET
Réseau de neurones
Mc Cullog & Pitt - Formal Neurone
                               Sortie
                                      1953
         X1          W1

                     W2
         X2                        Fonction
                                                      Y
                                  d’activation
                     W3
         X3

Bengio Hinton LeCun - Deep Neural Network 2006
              Couche d’entrée   Couches cachées   Couche de sortie
1. Algorithmes      Backpropagation

2. Data            3. Puissance de calcul
Deep learning
       Entrée                                Classification
                                  Sortie
                                             Régression

 Signal d’ Entrée   Sortie

 Son                Reconnaissance vocale

 Texte              NLP, traduction

                    Reconnaissance d’image
 Image

 Vidéo              Analyse 4D, voiture autonome
Deep Neural Network
       = Super Classifieur
         Couche     Couches   Couche de
         d’entrée   cachées   sortie

                                               Pas
                                               Chat

                                               Chat

                                     Siamois      Angora
Deep Neural Network
       = Super Classifieur
         Couche     Couches   Couche de
         d’entrée   cachées   sortie

                                             Pas de
                                             lésion

                                             lésion

                                     bénin       malin
3. Applications Cliniques du Deep Learning

             Détection
                  /          Caractérisation
            Classification

           Segmentation      Suivi/Pronostic
Autres ?

  Thorax    Tuberculose
            Lajhani et al. Radiology 2017

   Neuro    MicroBleed
             Dou Q et ql. Trans
             Med Imaging 2016

  Dermato    Mélanome
            (Esteva A. Nature 2017)

 Ophtalmo     Rétinopathie
              (Gulshan V et al, JAMA 2016)

             Fracture
   MSK        Olczac J et al. Acta
              othopaedica2017          …
Sein
Étude rétrospective
Screening année 2012 n= 3228 (n=143 KC)
3 radiologues = ground truth

                                     Beckers AS et al, Invest Radiol
                                     2017 Jul;52(7):434-440
Poumon
 Détection de nodule
 n = 1010 (base publique LIDC)

 Sens : 92-98 %
 FP : 1.0 / patient

                                 Setio et al. Med Image Anal. 2017 Jul

 Challenge 2017
Poumon
 Classification TDM 6 en catégories :
 - Normal
 - Emphysème
 - Verre dépoli
 - Fibrose
 - Micro nodule
 - Condensation

                                         Shin et al.Trans Med Imaging 2016

Diagnostic de tuberculose :

N = 1007 Rx

AUC = 0.99

                                        Lajhani et al. Radiology 2017
Neurologie

Détection des micro-saignements

N : 320

Sens : 93.16 %
FP: 2.74/ patient

                                  Dou Q et ql. IEEE Trans Med Imaging 2016 Feb
MSK
 Detection de fracture

 256 000 Rx

 Poignet, main, cheville

 Acuracy : 83 %
Interprétation/classification
                                                       A
Jun-Goo rapporte un travail d’analyse automatique de
la radio de thorax par des réseaux de type Faster
Régional-CNN

Image A montre les propositions par la machine
 de régions d’intérêt sur la radio de thorax

Image B : Détection automatique des « lésions »
- Nodules
- Consolidations                                           B
- Intersticial opacity
- Cardiomégaly
- Pleural effusion …

Jun-Goo et Al. KJR 2017
Segmentation
 La segmentation automatique d’organe est un                           A
 important domaine de recherche qui connaît une
 rapide progression grâce au Deep learning et aux
 compétitions mondiales organisées autour de data en
 open-source.

 Image A : Segmentation sémantique automatique des
 structures ostéo-cartilagineuses du genou

                                  Jun-Goo et al. KJR 2017

 Le pancréas est un organe particulièrement difficile à
 segmenter. Ici une des premières études utilisant le DL
 montrant de très bons résultats

 Image B :
 - Contours verts : segmentation auto par DL                       B
 - contours rouge : référence manuelle

                    Summers et al. AJR Am J Roentgenol. 2016 Jul
500

450

400

350

300

250

200

150

100

50

 0
      1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

      Occurrence « Deep Learning » dans PubMed
CT  Data
         Etat de santé d’un patient / prédiction de sa longévité

• Deux profils phénotypiques
• Prédiction de la mortalité 5 ans

                                               87 % vs 8 %
Intégration avec les données massives de santé

                                   Génome, protéome, métabolome
            Internet des objets

                                                  Imagerie, radiomic

                                                          monitoring

             Médecine de précision basée sur
             les méga-données

                                                          Jun-Goo et Al. KJR 2017
4. Comment faire du Deep Learning

A. La boite à outils
- Les algorithmes
- Les données
- Le matériel
B. Comment se former ?
A. La boite à outils : Les algorithmes

                            Source : https://www.svds.com/getting-started-deep-learning/
Il a été notamment utilisé avec succès pour
différencier automatiquement les naevus des
mélanomes       avec    des     performances
comparables aux dermatologues experts lors
d’une parution très remarquée dans Nature
en 2017                     (Esteva A. Nature
2017)
                                                Tensorflow propose
                                                une visualisation de
                                                son fonctionnement
A. La boite à outil : Le matériel

La société Nvidia vient d’annoncer une nouvelle
génération de GPU dédié au deep learning, le Tesla
GV100. Il intègre 21,1 milliards de transistors dans
5376 cœurs, le tout ayant une puissance de calcul de
120 TFLOPS.
                                                       Sources : http://www.lesnumeriques.com/
A. La boite à outil : Les données

Le Deep learning a besoin de nombreuses données pour capturer la variabilité des
images rencontrées en pratique. En radiologie cela correspond a une très grande
quantité d’images labellisées.

Le set de données se divise en 3 catégories :
- Set d’entrainement (grande taille)  entrainer le modèle
- Set de Validation (petite taille)  choix de l’architecture opt.
- Test  évaluer la performance du modèle :
            - généralisable à de nouvelles données ?
            - ou trop collé au jeu d’entrainement (overfitting) ?

Le nombre exact d’images nécessaires pour entrainer un
réseau en fonction de la tâche n’est pas précisément connu.
On retient en première approximation la règle des 10 : Le
nombre de données doit être 10X supérieur au nombre de
paramètres de l’algorithme                                           Courtesy Chartrand G.
A. La boite à outils : Les données

Des jeux de données gratuites sont accessible pour la communauté
des chercheurs sur des plateformes d’échange publiques. C’est ce
qu’on appelle l’Open Data.
Sur ces données s’organisent des « challenges » mondiaux durant
lesquelles s’affrontent les meilleurs « deep learner » de la planète.

 Les principales plateformes :

 - The Cancer Imaging Archive http://www.cancerimagingarchive.net/
 - Grand-Challenge https://grand-challenge.org/All_Challenges/
 - Data science Bowl https://www.kaggle.com/c/data-science-bowl-2017
 - Dream Challenge http://dreamchallenges.org/

Les sujets couvrent un large panel de tâches à automatiser : détection
et caractérisation lésionnelle en Colon/Prostate/sein/poumon ;
segmentation d’organes ; radiomic …

 Les vainqueurs des challenges se partagent jusqu’à
                    1 000 000 $
A. La boite à outils : Les données
Malgré la présence de ressources en open data le nombre d’image disponible reste
faible, de quelques centaine à quelques milliers (< 5000) limitant la puissance des
algorithmes. De très larges bases d’images correctement labellisées ne sont pas
encore disponibles.

Pour s’affranchir de ces limites les chercheurs
élaborent d’autres méthodes :

- Apprentissage non supervisé pur visant à labelliser
automatiquement les données

- Méthode croisant l’analyse automatique des
comptes rendus radiologique (Texte) avec les
images pour réaliser une labellisation automatique.

      Ces techniques, bien que prometteuses,
      restent du domaine expérimental.                     Shin et al. IEEE, CPVR 2015
B. Se former au Deep learning
De multiples ressources existent online permettant d’augmenter sa culture générale (vous
venez de le faire ) jusqu’à obtenir une formation diplômante…

Citons à titre d’exemple, et du plus simple au plus compliqué :

Vidéo Youtube :
  je vous conseille l’excellent DeeplearningTV,
  des petites vidée d’animation de 2 à 8 minutes

Mooc :
- Le mythique cours d’Andrew Ng à Stanford
- Le cours de Columbia sur le machine learning
- Le cours d’Udemy sur le Deep learning

Congrès :     Conférence MICCAI et SIIM
Formation : ENS, Master Mathématique / Vision / Apprentissage
Limites actuelles…
3 problèmes principaux freinent le Deep Learning en médecine :

1. La difficulté à constituer des larges bases de données labellisées de bonne
   qualité

2. L’effet « black box », les critères de décision produits dans l’algorithme n’étant
   souvent pas accessibles à notre connaissance, difficile à accepter à l’ère de
   l’évidence based radiology.

3. Des considérations légales et éthiques multiples concernant :
         - les données de santé
         - la sécurité de ces logiciels et la responsabilité en cas de défaillance
Tang A, CAR Journal 2018
Remplacement ?
Tang A, CAR Journal 2018
Messages

  IA = Réseau de neurones
                            Tout le monde nous regarde !
  Pas magique et complexe
                            Il faut s’emparer du sujet !
   Détecter des éléments
       sémiologiques
Enjeux

                      Implémentation
  Cas d’usage
                      Groupe de                   Validation
                        travail
     …                 SFR-IA
                                                      Éducation
                        (JFR 2017)

  Impact économique
                               Éthique et légal
Rôle majeur à jouer en France – écosystèmes

Mission

     Standards             Recherche              Enseignement

cas d’usage            Radiologues – chercheurs
Algorithme                   – industriels          White Paper
Validation clinque
Intégration Workflow         Data center
Les acteurs de demain …

…. C’est vous !
Conclusion
Et grâce à notre connaissance du sujet vous éviterez ceci

              Pour aller vers cela …

Et si le sujet vous intéresse vous retrouverez bientôt
                                                         MERCI DE VOTRE
pleins d’information sur le site :     ai-radiology.fr
                                                         ATTENTION
Tang A, CAR Journal 2018
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