Tous les projets
Étude de cas · 04

Recherche · IA · Biomédical

Université de Florence

Stage de recherche de douze semaines au laboratoire d’intelligence artificielle de l’Université de Florence, autour de la détection automatique de cellules dans des volumes cérébraux 3D humains et murins acquis en microscopie.

Statut
Stage international de recherche — 2025
Mon rôle
Développement du pipeline de détection, génération de données synthétiques, métriques d’évaluation, interface Napari et automatisation du choix des paramètres.
Stack
Python · NumPy · scikit-learn · Napari · Mean Shift pondéré · PCA · Random Forest · Grid Search
04

Détecter des cellules dans des images cérébrales 3D

01

Contexte

Les données manipulées sont des volumes 3D de cerveaux humains et murins acquis en microscopie et enregistrés au format TIFF. Ces volumes cumulent bruit, variations d’intensité et forte volumétrie — un terrain exigeant pour une détection fiable des centres cellulaires. L’objectif était d’améliorer cette détection et de construire une chaîne d’expérimentation reproductible pour comparer les résultats.

02

Pipeline de détection

Le pipeline final enchaîne plusieurs étapes complémentaires, du volume brut jusqu’aux centres cellulaires détectés.

PythonNumPy
  • Prétraitement du volume
  • Découpage en sous-volumes avec recouvrement
  • Seuillage adaptatif et génération de points candidats (seeds)
  • Clustering par Mean Shift pondéré
  • Fusion des centres détectés à l’échelle du volume complet
  • Post-traitement morphologique optionnel

03

Prétraitement et passage à l’échelle

Une première implémentation directe donnait des résultats corrects sur des volumes synthétiques simples, mais devenait trop coûteuse sur des volumes biologiques réels. Le prétraitement combine filtrage et réduction du bruit ; le volume est ensuite découpé en sous-volumes avec recouvrement, ce qui réduit l’usage mémoire, permet de traiter les blocs indépendamment et évite de perdre les cellules situées aux frontières entre deux sous-volumes. Certaines étapes coûteuses ont été parallélisées pour accélérer les expérimentations.

Comparaison avant/après prétraitement d’un sous-volume : réduction du bruit et amélioration du contraste.
Sous-volume avant (gauche) et après (droite) prétraitement.
Volume complet avec un sous-volume mis en évidence par un cadre, illustrant le découpage avec recouvrement.
Découpage en sous-volumes avec recouvrement, pour éviter de couper les cellules aux frontières.

04

Mean Shift pondéré

À partir des points candidats, chaque point est déplacé itérativement vers le centre de masse de son voisinage local, pondéré par l’intensité des voxels environnants, jusqu’à convergence vers une zone de forte densité. Les centres suffisamment proches sont ensuite fusionnés pour obtenir un centre cellulaire unique.

Mean Shift pondéré
Volume 3D avec les centres cellulaires détectés, en vert, par le Mean Shift pondéré.
Centres détectés par le Mean Shift pondéré, superposés au volume 3D.

05

Interface Napari

Une interface interactive développée avec Napari regroupe le pipeline dans un outil exploitable visuellement, qui sert à la fois d’outil de visualisation, d’analyse et de validation expérimentale.

Napari
  • Chargement d’un volume 3D et de ses annotations de référence
  • Réglage des paramètres de détection
  • Lancement du pipeline complet, avec activation optionnelle du post-traitement
  • Visualisation des centres détectés dans le volume, en distinguant vrais positifs, faux positifs et faux négatifs
  • Affichage des métriques d’évaluation et sauvegarde des centres détectés
Interface Napari : chargement du volume et des annotations, réglage des paramètres du Mean Shift pondéré et visualisation 3D.
Interface Napari regroupant chargement, paramètres, pipeline et évaluation.

06

Grid Search et évaluation

Une recherche en grille explore l’influence des principaux paramètres du Mean Shift pondéré. Chaque configuration est évaluée par précision, rappel et F1, avec génération de heatmaps permettant de comparer les résultats sur un volume ou sur un ensemble complet de volumes.

Grid Search
  • F1 Macro — moyenne des scores F1 calculés par volume
  • F1 Micro — calcul global à partir des vrais positifs, faux positifs et faux négatifs cumulés
Heatmaps de grid search : score F1 Macro et F1 Micro en fonction des paramètres r et R du Mean Shift pondéré.
F1 Macro (haut) et F1 Micro (bas) selon les paramètres r et R.

07

Automatisation

Une approche complémentaire utilise un modèle de régression Random Forest multi-sortie afin de prédire automatiquement les paramètres du pipeline à partir de caractéristiques extraites des volumes, pour réduire le réglage manuel et améliorer la reproductibilité de la détection.

Random Forest
  • Recherche en grille pour produire des configurations de référence
  • Extraction automatique de caractéristiques des volumes
  • Apprentissage d’un modèle Random Forest multi-sortie
  • Prédiction des paramètres et exécution complète du pipeline
  • Évaluation automatique des résultats

08

Limites expérimentales

Les métriques ne doivent pas être interprétées indépendamment de la qualité de la vérité terrain. Certaines annotations de référence ne sont pas parfaitement alignées avec les volumes traités, ce qui peut pénaliser artificiellement précision, rappel et F1 même lorsque les détections restent visuellement cohérentes avec les structures observées. Cette limite a conduit à conserver une analyse à la fois quantitative et visuelle des résultats.

Comparaison entre les annotations de vérité terrain et le volume 3D : les structures visibles ne correspondent pas toujours aux points de référence.
Vérité terrain et volume 3D : un désalignement qui limite l’interprétation directe des métriques.

09

Chaîne de bout en bout

Le pipeline relie traitement d’images 3D, clustering, optimisation de paramètres, apprentissage automatique, visualisation interactive et évaluation dans une même chaîne expérimentale. Il permet d’explorer, comparer et automatiser différentes stratégies de détection de centres cellulaires sur des volumes biomédicaux 3D.

Projet suivant

QR Menu SaaS