EP4233014A1 - Method for classifying an input image representing a particle in a sample - Google Patents

Method for classifying an input image representing a particle in a sample

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Publication number
EP4233014A1
EP4233014A1 EP21807185.0A EP21807185A EP4233014A1 EP 4233014 A1 EP4233014 A1 EP 4233014A1 EP 21807185 A EP21807185 A EP 21807185A EP 4233014 A1 EP4233014 A1 EP 4233014A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
image
input image
target particle
feature map
Prior art date
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Pending
Application number
EP21807185.0A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Pierre Mahé
Meriem EL AZAMI
Elodie DEGOUT-CHARMETTE
Zohreh SEDAGHAT
Quentin JOSSO
Fabian ROL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Biomerieux SA
Bioaster
Original Assignee
Biomerieux SA
Bioaster
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Biomerieux SA, Bioaster filed Critical Biomerieux SA
Publication of EP4233014A1 publication Critical patent/EP4233014A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/20Special algorithmic details
    • G06T2207/20084Artificial neural networks [ANN]
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    • G06T2207/20Special algorithmic details
    • G06T2207/20112Image segmentation details
    • G06T2207/20132Image cropping

Definitions

  • the present invention relates to the field of optical acquisition of biological particles.
  • the biological particles can be microorganisms such as bacteria, fungi or yeasts for example. It can also be cells, multicellular organisms, or any other particle of the polluting particle type, dust.
  • the invention finds a particularly advantageous application for analyzing the state of a biological particle, for example to know the metabolic state of a bacterium following the application of an antibiotic.
  • the invention makes it possible, for example, to carry out an antibiogram of a bacterium.
  • An antibiogram is a laboratory technique aimed at testing the phenotype of a bacterial strain against one or more antibiotics.
  • An antibiogram is conventionally carried out by culturing a sample containing bacteria and an antibiotic.
  • European patent application No. 2,603,601 describes a method for carrying out an antibiogram by visualizing the state of the bacteria after an incubation period in the presence of an antibiotic. To visualize the bacteria, the bacteria are labeled with fluorescent markers to reveal their structures. The measurement of the fluorescence of the markers then makes it possible to determine whether the antibiotic has acted effectively on the bacteria.
  • the conventional process for determining the antibiotics that are effective on a bacterial strain consists of taking a sample containing said strain (eg from a patient, an animal, a food batch, etc.) then sending the sample to an analysis center.
  • the analysis center receives the sample, it first proceeds to the culture of the bacterial strain to obtain at least one colony of it, culture between 24 hours and 72 time. He then prepares from this colony several samples comprising different antibiotics and/or different concentrations of antibiotics, then puts the samples again to incubate. After a new culture period also between 24 and 72 hours, each sample is analyzed manually to determine whether the antibiotic has acted effectively. The results are then transmitted to the practitioner to apply the most effective antibiotic and/or antibiotic concentration.
  • the labeling process is particularly long and complex to perform and these chemical markers have a cytotoxic effect on bacteria. It follows that this mode of visualization does not make it possible to observe the bacteria at several times during the culture of the bacteria, hence the need to use a sufficiently long culture time, of the order of 24 to 72 hours. , to guarantee the reliability of the measurement.
  • Other methods of viewing biological particles use a microscope, allowing non-destructive measurement of a sample.
  • Digital holographic microscopy or DHM (Digital Holography Microscopy) is an imaging technique that overcomes the depth of field constraints of conventional optical microscopy. Schematically, it consists in recording a hologram formed by the interference between the light waves diffracted by the observed object and a reference wave exhibiting spatial coherence. This technique is described in the review article by Myung K. Kim entitled “Principles and techniques of digital holography microscopy” published in SPIE Reviews Vol. 1 , No. 1, January 2010.
  • the international application WO2017/207184 describes a method for acquiring a particle integrating a simple acquisition without focusing associated with a digital reconstruction of the focusing, making it possible to observe a biological particle while limiting the acquisition time.
  • this solution makes it possible to detect the structural modifications of a bacterium in the presence of an antibiotic after an incubation of only about ten minutes, and its sensitivity after two hours (detection of the presence or absence of a division or a pattern encoding the division) unlike the conventional process previously described which can take several days. Indeed, the measurements being non-destructive, it is possible to carry out analyzes very early in the culture process without risking destroying the sample and therefore prolonging the analysis time.
  • the objective technical problem of the present invention is, therefore, to be able to have a solution that is both more efficient and lighter for classifying images of a biological particle.
  • the present invention relates to a method for classifying at least one input image representing a target particle in a sample, the method being characterized in that it comprises the implementation, by processing means customer data, steps of:
  • the particles are represented in a homogeneous way in the input image and in each elementary image, in particular centered and aligned according to a predetermined direction.
  • the method comprises a step (a) of extracting said input image from a global image of the sample, so as to represent said target particle in said homogeneous manner.
  • Step (a) comprises segmenting said global image so as to detect said target particle in the sample, then cropping the input image onto said detected target particle.
  • Step (a) comprises obtaining said overall image from an intensity image of the sample acquired by an observation device.
  • Step (b) is implemented using a feature extraction subnet of said pre-trained convolutional neural network.
  • Said pre-trained convolutional neural network is an image classification network, in particular of the VGG, AlexNet, Inception or ResNet type.
  • a global pooling layer is added at the end of said feature extraction sub-network so that the extracted feature map has a spatial size of 1x1.
  • Step (c) is implemented by means of a classifier, the method comprising a step (aO) of learning, by data processing means of a server, the parameters of said classifier from a learning base of maps of already classified characteristics of particles in said sample.
  • Said classifier is chosen from among a support vector machine, a k-nearest neighbors algorithm, or a convolutional neural network.
  • Step (c) involves reducing the number of variables in the feature map using the t-SNE algorithm.
  • the method is a method of classifying a sequence of input images representing said target particle in a sample over time, wherein step (b) comprises concatenating the extracted feature maps for each image of entry of said sequence.
  • a system for classifying at least one input image representing a target particle in a sample comprising at least one client comprising data processing means, characterized in that said data processing means are configured to implement:
  • the system also comprises a device for observing said target particle in the sample.
  • a computer program product comprising code instructions for performing a method according to the first aspect for classifying at least one input image representing a target particle in a sample ; and a computer-readable storage means on which a computer program product includes code instructions for performing a method according to the first classification aspect of at least one input image representing a target particle in a sample.
  • FIG. 1 is a diagram of an architecture for implementing the method according to the invention
  • FIG. 2a shows an example of a device for observing particles in a sample used in a preferred embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3a illustrates the obtaining of the input image in an embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 3b illustrates the obtaining of the input image in a preferred embodiment of the method according to the invention
  • FIG. 5 shows an example of convolutional neural network architecture used in a preferred embodiment of the method according to the invention
  • the invention relates to a method for classifying at least one input image representative of a particle 11a-11f present in a sample 12, referred to as the target particle. It should be noted that the method can be implemented in parallel for all or some of the particles 11a-11f present in a sample 12, each being considered a target particle in turn.
  • this method may include one or more machine learning components, and in particular one or more classifiers, including a convolutional neural network, CNN.
  • one or more classifiers including a convolutional neural network, CNN.
  • the input or training data are of the image type, and represent the target particle 11a-11f in a sample 12 (in other words, these are images of the sample in which the target particle is visible). As will be seen, one can have as input a sequence of images of the same target particle 11a-11f (and if necessary a plurality of sequences of images of particles 11a-11f of the sample 12 if several particles are considered).
  • Sample 12 consists of a liquid such as water, a buffer solution, a culture medium or a reactive medium (including or not including an antibiotic), in which the particles 11a-11f to be observed are found.
  • sample 12 may be in the form of a solid medium, preferably translucent, such as agar-agar, in which particles 11a-11f are found. Sample 12 can also be a gaseous medium. Particles 11a-11f can be located inside the medium or on the surface of sample 12.
  • the particles 11a-11f can be microorganisms such as bacteria, fungi or yeasts. It can also be cells, multicellular organisms, or any other particle of the polluting particle type, dust. In the rest of the description, we will take the preferred example in which the particle is a bacterium (and as we will see the sample 12 incorporates an antibiotic)
  • the size of the particles 11a-11f observed varies between 500 nm and several hundred of pm, even a few millimeters.
  • the “classification” of an input image (or of a sequence of input images) consists in the determination of at least one class among a set of possible classes descriptive of the image.
  • a binary classification ie two possible classes of “division” or “no division” effect, respectively testifying to resistance or not to an antibiotic.
  • the present invention will not be limited to any kind of particular classification, even if the example of a binary classification of the effect of an antibiotic on said target particle 11a-11f will mainly be described.
  • the present methods are implemented within an architecture such as represented by FIG. 1, thanks to a server 1 and a client 2.
  • the server 1 is the learning equipment (implementing the learning method ) and the client 2 is user equipment (implementing the classification method), for example a terminal of a doctor or a hospital.
  • the two devices 1, 2 are combined, but preferably the server 1 is a remote device, and the client 2 is a device for the general public, in particular an office computer, a laptop, etc.
  • the client equipment 2 is advantageously connected to an observation device 10, so as to be able to directly acquire said input image (or as will be seen later “raw” acquisition data such as a global image sample 12, or even electromagnetic matrices), typically to process it live, alternatively the input image will be loaded onto the client equipment 2.
  • each device 1, 2 is typically a remote computer device connected to a local network or a wide area network such as the Internet network for the exchange of data.
  • Each comprises data processing means 3, 20 of the processor type, and data storage means 4, 21 such as a computer memory, for example a flash memory or a hard disk.
  • Client 2 typically includes a user interface 22 such as a screen for interacting.
  • the server 1 advantageously stores a training database, ie a set of images of particles 11a-11f under various conditions (see below) and/or a set of maps of characteristics already classified (for example, associated with “split” or “splitless” labels indicating antibiotic susceptibility or resistance).
  • a training database ie a set of images of particles 11a-11f under various conditions (see below) and/or a set of maps of characteristics already classified (for example, associated with “split” or “splitless” labels indicating antibiotic susceptibility or resistance).
  • the learning data may be associated with labels defining the test conditions, for example indicating for bacteria cultures “strains”, “antibiotic conditions", “time”, etc.
  • the present method can directly take as input any image of the target particle 11a-11f, obtained in any way.
  • the present method begins with a step (a) of obtaining the input image from data provided by an observation device 10.
  • DHM digital holographic microscopy techniques in particular as described in international application WO2017/207184.
  • a hologram which is not focused on the target particle (we speak of an “out-of-focus” image), and which can be processed by data processing means (integrated into the device 10 or those 20 of the client 2 for example, see below).
  • data processing means integrated into the device 10 or those 20 of the client 2 for example, see below. It is understood that the hologram "represents" in a certain way all the particles 11a-11f in the sample.
  • the sample 12 is placed between a light source 15, which is spatially and temporally coherent (e.g. a laser) or pseudo- coherent (e.g. a light-emitting diode, a laser diode), and a digital sensor 16 sensitive in the spectral range of the light source.
  • the light source 15 has a low spectral width, for example less than 200 nm, less than 100 nm or even less than 25 nm.
  • reference is made to the central emission wavelength of the light source for example in the visible range.
  • the light source 15 emits a coherent signal Sn oriented on a first face 13 of the sample, for example conveyed by a waveguide such as an optical fiber.
  • the sample 12 (as typically explained a culture medium) is contained in an analysis chamber, delimited vertically by a blade lower and an upper slide, for example conventional microscope slides.
  • the analysis chamber is delimited laterally by an adhesive or by any other waterproof material.
  • the lower and upper blades are transparent to the wavelength of the light source 15, the sample and the chamber allowing for example more than 50% of the wavelength of the light source to pass under normal incidence on the lower blade.
  • the particles 11a-11f are placed in the sample 12 at the level of the upper blade.
  • the underside of the upper blade comprises for this purpose ligands making it possible to attach the particles, for example polycations (e.g. poly-Llysine) in the context of microorganisms.
  • polycations e.g. poly-Llysine
  • Particles 11a-11f can nevertheless move in sample 12.
  • the device comprises an optical system 23 consisting, for example, of a microscope objective and of a tube lens, placed in the air and at a fixed distance from the sample.
  • the 23 optical system is optionally equipped with a filter that can be located in front of the objective or between the objective and the tube lens.
  • the optical system 23 is characterized by its optical axis, its object plane, also called focusing plane, at a distance from the objective, and its image plane, conjugate of the object plane by the optical system .
  • object plane also called focusing plane
  • image plane conjugate of the object plane by the optical system .
  • the optical properties of system 23 are fixed (e.g. fixed focal length optics).
  • the object and image planes are orthogonal to the optical axis.
  • the image sensor 16 is located, facing a second face 14 of the sample, in the focal plane or close to the latter.
  • the sensor for example a CCD or CMOS sensor, comprises a periodic two-dimensional network of sensitive elementary sites, and proximity electronics which regulate the exposure time and the resetting of the sites, in a manner known per se.
  • the output signal of an elementary site is a function of the quantity of radiation of the incident spectral range on said site during the exposure time. This signal is then converted, for example by the proximity electronics, into an image point, or “pixel”, of a digital image.
  • the sensor thus produces a digital image in the form of a matrix with C columns and L rows.
  • Each pixel of this matrix, of coordinates (c, I) in the matrix corresponds in a manner known per se to a position of Cartesian coordinates (x(c, I), y(c, I)) in the focal plane of the optical system 23, for example the position of the center of the elementary sensitive site of rectangular shape.
  • the pitch and the filling factor of the periodic grating are chosen to respect the Shannon-Nyquist criterion with respect to the size of the particles observed, so as to define at least two pixels per particle.
  • the image sensor 16 acquires a transmission image of the sample in the spectral range of the light source.
  • the image acquired by the image sensor 16 includes holographic information insofar as it results from the interference between a wave diffracted by the particles 11a-11f and a reference wave having passed through the sample without having interacted with him. It is obviously understood, as described above, that in the context of a CMOS or CCD sensor, the acquired digital image is an intensity image, the phase information therefore being coded here in this intensity image.
  • the coherent signal Sn coming from the light source 15 into two components, for example by means of a semi-transparent plate.
  • the first component serves as a reference wave and the second component is diffracted by the sample 12, the image in the image plane of the optical system 23 resulting from the interference between the diffracted wave and the reference wave.
  • step (a) it is possible in step (a) to reconstruct from the hologram at least one global image of the sample 12, then to extract said input image from the global image of the sample.
  • the target particle 11a-11f must be represented in a homogeneous manner in the input image, in particular centered and aligned in a predetermined direction (for example the horizontal direction).
  • the input images must also have a standardized size (It is also desirable that only the target particle 11a-11f is seen in the input image).
  • one image is taken for example per minute during a time interval of 120 minutes, the sequence thus forming a 3D “stack” of size 250 ⁇ 250 ⁇ 120.
  • the reconstruction of the global image is implemented as explained by data processing means of the device 10 or those 20 of the client 2.
  • electromagnetic matrices modeling from the image in intensity of the sample 12 (the hologram) the light wave front propagated the along the optical axis for a plurality of deviations from the plane of focus of the optical system 23, and in particular deviations positioned in the sample.
  • These matrices can be projected into real space (for example via the Hermitian norm), so as to constitute a stack of global images at various focusing distances.
  • step (a) advantageously comprises the segmentation of said global image(s) so as to detect said target particle in the sample, then the cropping.
  • said input image can be extracted from the global image of the sample, so as to represent said target particle in said homogeneous way.
  • the segmentation makes it possible to detect all the particles of interest, by removing the artifacts such as filaments or micro-colonies, so as to improve the global image(s), then one of the detected particles is selected as the target particle. , and the corresponding thumbnail is extracted. As explained, we can do this work for all detected particles.
  • the segmentation may be implemented in any known manner. In the example of FIG. 3b, one begins with a fine segmentation to eliminate the artefacts, then one implements a less fine segmentation for this time detecting the particles 11a-11f. A person skilled in the art may use any known segmentation technique.
  • a descriptive base for sample 12 in other words a descriptive base of the experience
  • the particles 11a-11f are bacteria and the sample 12 contains (or not an antibiotic)
  • this descriptive database contains all the information on the growth, morphology, internal structure and optical properties of these bacteria. over the entire field of acquisition. As we will see, this descriptive base can be transmitted to the server 1 for integration into said learning base.
  • the present method is particularly distinguished in that it separates a step (b) of extracting a feature map from the input image, then a step (c) classifying the input image based on said feature map, instead of attempting to classify the input image directly.
  • each step can involve an independent automatic learning mechanism, hence the fact that said learning base of the server 1 can comprise both images of particles and maps of characteristics, and this not necessarily already classified.
  • the main step (b) is thus a step of extraction by the data processing means 20 of the client 2 of a map of characteristics of said target particle, that is to say a "coding" of the particle target.
  • the number of "dimensions” of the feature maps in the geometric sense, that is to say the number of independent directions in which these maps extend (for example, a vector is an object of dimension 1, and the present characteristic maps are at least of dimension 2, advantageously of dimension 3), and the number of "variables" of these characteristic maps, i.e. the size according to each dimension, i.e. the number of independent degrees of freedom (which corresponds in practice to the notion of dimension in a vector space - more precisely, the set of feature maps having a given number of variables constitutes a vector space of dimension equal to this number of variables).
  • the feature map extracted at the end of step (b) is a three-dimensional object (i.e. of dimension 3) of size 7x7x512, thus having 25088 variables.
  • CNN convolutional neural network
  • step (b) and step (c) make it possible to limit the use of the CNN to the extraction of characteristics, and one can for this step (b) only use a network of convolutional neurons pre-trained on a public image database, i.e. for which training has already taken place independently. This is called “transfer learning”.
  • said CNN is an image classification network, insofar as it is known that such networks will manipulate maps of characteristics that are specially discriminating with respect to the classes of the images, and therefore particularly suitable in the present context of the 11a-11f particles to be classified even though this is not the task for which the CNN was originally trained.
  • detection, recognition or even image segmentation networks are particular cases of classification networks, since they in fact carry out the task of classification (of the whole image or of objects in the image) more another task (like determining bounding box coordinates of classified objects for a detection network, or generating a segmentation mask for a segmentation network).
  • Classification CNNs are known, for example of the VGG type (“Visual Geometry Group”, for example the VGG-16 model), AlexNet, Inception or even ResNet, pre-trained on the ImageNet database (i.e. they can be recovered with the parameters initialized to the correct values obtained after training on ImageNet).
  • Fig. 5 represents the architecture of VGG-16 (with 16 layers).
  • a CNN consists of two parts:
  • a first feature extraction sub-network most often comprising a succession of blocks composed of convolution layers and activation layers (for example the ReLU function) to increase the depth of the feature maps, terminated by a pooling layer to reduce the size of the feature map (usually by a factor of 2). So in the example of Figure 5, the VGG-16 has as explained 16 layers divided into 5 blocks.
  • the second block has an architecture identical to the first block and generates at the output of the last convolution+ReLU set a feature map of size 112x112x128 (doubled depth) and at the output of the max pooling layer a feature map of size 56x56x128.
  • the third block presents this time three convolution+ReLU sets and generates from the last convolution+ReLU set a feature map of size 56x56x256 (doubled depth) and as output at the output of the max pooling layer a feature map of size 28x28x256 .
  • the fourth and fifth blocks have an architecture identical to the third block and successively generate at output maps of characteristics of size 14x14x512 and 7x7x512 (the depth no longer increases). This characteristic card is the “final” card. It will be understood that we are limited to no card sizes at any level whatsoever, and that the sizes mentioned above are only examples.
  • step (b) is preferably implemented by means of the feature extraction sub-network of said pretrained convolutional neural network, i.e. the first part as highlighted in the figure 5 for the example of VGG-16.
  • said pre-trained CNN such as VGG-16 is not supposed to return feature maps, this one being only an internal state.
  • the pre-learned CNN i.e. using only the layers of the first sub-network, the final feature map containing the "deepest" information is obtained as output.
  • step (b) thus advantageously comprises the extraction of a map of features per input image, which can be combined in the form of a single feature map called the "profile" of the target particle. More precisely, the maps are all the same size and form a sequence of maps, so it suffices to concatenate them according to the order of the input images so as to obtain a feature map of “great depth”.
  • the feature maps corresponding to several input images associated with several particles 11a-11f of sample 12 can be summed.
  • the present technique thus makes it possible to obtain a high semantic level feature map without requiring either high computing power or an annotated database.
  • the position of the activated zones in the map of characteristics maps does not matter. Indeed, the 11a-11f particle is generally alone in the middle of the input image, even if there are sometimes small clusters. In any case, since we are not trying to locate the particles 11 a-11 f, an averaged information on the image is enough to discriminate effectively.
  • the extracted map is of size 1x1 xP
  • this map into a vector ( of the same size P as the depth of the feature map), for example by means of a global pooling layer, in particular global average pooling, that is to say an averaging over the two spatial dimensions.
  • step (c) said input image is classified according to said extracted feature map (if applicable the reduced map).
  • the method can include a step (aO) of learning, by the data processing means 3 of the server 1, from a learning base , of the classifier.
  • This step is typically implemented very upstream, in particular by the remote server 1.
  • the learning base can include a number of learning image feature maps, which takes up very little space.
  • the feature map obtained in step (b) (especially in case of input image stack) can have a very high number of variables so it is better to use reduction techniques.
  • the t-SNE t-distributed stochastic neighbor embedding
  • the t-SNE algorithm attempts to find an optimal configuration (known as the t-SNE projection, in English “embedding”) according to an information theory criterion to respect the proximities between points: two points that are close (respectively distant) in the original space will have to be close (respectively distant) in the low-dimensional space.
  • the t-SNE algorithm can be implemented both at the particle level (a target particle 11a-11f compared to the individual particles for which a map is available in the learning base) and at the field level (for the whole sample 12 - case of a plurality of input images representing a plurality of particles 11a-11f), in particular in the case of single images rather than stacks.
  • the t-SNE projection of the learning base can be made very upstream, all that remains is to place the map of characteristics of the input image considered there.
  • we do not necessarily have an explicit formulation of the projection function so that it may still be necessary to recalculate the projections each time.
  • it is possible to speed up the calculations and reduce the memory footprint go through a first step of linear reduction of the number of variables (for example PCA - Principal Component Analysis) before calculating the t-SNE projection of the characteristics maps of the learning base and the considered input image.
  • the projections by PCA of the learning base can be stored in memory.
  • FIG. 6 shows two examples of t-SNE embeddings obtained at the field level for a strain of E. coli for various concentrations of cefpodoxime.
  • MIC minimum inhibitory concentration
  • a support vector machine is used as classifier, again for a binary classification (for example again “division” or “no division”).
  • This simple method is particularly effective on simple input images (SVM applied to feature maps).
  • a convolutional neural network (CNN) is used as a classifier.
  • this CNN will be possible for this CNN to choose relatively simple architectures, for example a succession of blocks of a convolution layer, an activation layer (ReLU function for example) and a pooling layer (pooling, for example max pooling). Two such blocks are sufficient for efficient binary classification. It is also possible to under-sample the inputs (in particular on the “time” dimension) to further reduce its memory footprint.
  • ReLU function for example
  • pooling for example max pooling
  • CNN learning can be done in a classical way.
  • the learning cost function can be composed of a classical data attachment - cross-entropy - to be minimized via a gradient descent algorithm.
  • the learned classifier can be stored if necessary on data storage means 21 of the client 2 for use in classification. Note that the same classifier can be embedded on many clients 2, only one learning is necessary.
  • the invention relates to a computer program product comprising code instructions for the execution (in particular on the data processing means 3, 20 of the server 1 and/or of the client 2) a method for classifying at least one input image representing a target particle 11a-11f in a sample 12, as well as storage means readable by computer equipment (a memory 4, 21 of the server 1 and/or of the client 2) on which this computer program product is found.

Abstract

The invention relates to a method for classifying at least one input image representing a target particle (11a-11f) in a sample (12), the method being characterized in that it involves implementing, by data processing means (20) of a client (2), steps of: (b) extracting the characteristic map of the target particle (11a-11f) by means of a convolutional neural network pre-trained on a base of public images; (c) classifying the input image according to said extracted characteristic map.

Description

Procédé de classification d’une image d’entrée représentant une particule dans un échantillon Method for classifying an input image representing a particle in a sample
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL GENERAL TECHNICAL AREA
La présente invention concerne le domaine de l’acquisition optique de particules biologiques. Les particules biologiques peuvent être des microorganismes tels que des bactéries, des champignons ou des levures par exemple. Il peut également s’agir de cellules, organismes multicellulaires, ou toute autre particule de type particule polluante, poussière. The present invention relates to the field of optical acquisition of biological particles. The biological particles can be microorganisms such as bacteria, fungi or yeasts for example. It can also be cells, multicellular organisms, or any other particle of the polluting particle type, dust.
L’invention trouve une application particulièrement avantageuse pour analyser l’état d’une particule biologique, par exemple pour savoir l’état métabolique d’une bactérie suite à l’application d’un antibiotique. L’invention permet, par exemple, de réaliser un antibiogramme d’une bactérie. The invention finds a particularly advantageous application for analyzing the state of a biological particle, for example to know the metabolic state of a bacterium following the application of an antibiotic. The invention makes it possible, for example, to carry out an antibiogram of a bacterium.
ETAT DE L’ART STATE OF THE ART
Un antibiogramme est une technique de laboratoire visant à tester le phénotype d'une souche bactérienne vis-à-vis d'un ou plusieurs antibiotiques. Un antibiogramme est classiquement réalisé par culture d'un échantillon contenant des bactéries et un antibiotique. An antibiogram is a laboratory technique aimed at testing the phenotype of a bacterial strain against one or more antibiotics. An antibiogram is conventionally carried out by culturing a sample containing bacteria and an antibiotic.
La demande de brevet européen N° 2 603 601 décrit une méthode pour réaliser un antibiogramme en visualisant l'état des bactéries après une durée d'incubation en présence d'un antibiotique. Pour visualiser les bactéries, les bactéries sont marquées par des marqueurs fluorescents permettant de révéler leurs structures. La mesure de la fluorescence des marqueurs permet alors de déterminer si l'antibiotique a agi efficacement sur les bactéries. European patent application No. 2,603,601 describes a method for carrying out an antibiogram by visualizing the state of the bacteria after an incubation period in the presence of an antibiotic. To visualize the bacteria, the bacteria are labeled with fluorescent markers to reveal their structures. The measurement of the fluorescence of the markers then makes it possible to determine whether the antibiotic has acted effectively on the bacteria.
Le processus classique pour déterminer les antibiotiques efficaces sur une souche bactérienne consiste à réaliser un prélèvement contenant ladite souche (e.g. sur un patient, un animal, un lot alimentaire, etc.) puis à transmettre le prélèvement à un centre d’analyse. Lorsque le centre d’analyse réceptionne le prélèvement, il procède tout d’abord à la culture de la souche bactérienne pour obtenir au moins une colonie de celle-ci, culture comprise entre 24 heures et 72 heures. Il prépare ensuite à partir de cette colonie plusieurs échantillons comprenant des antibiotiques différents et/ou des concentrations d’antibiotiques différentes, puis met à nouveau les échantillons à incuber. Après une nouvelle durée de culture comprise également entre 24 et 72 heures, chaque échantillon est analysé manuellement pour déterminer si l’antibiotique a agi efficacement. Les résultats sont alors retransmis au praticien pour appliquer l’antibiotique et/ou la concentration d’antibiotique le plus efficace. The conventional process for determining the antibiotics that are effective on a bacterial strain consists of taking a sample containing said strain (eg from a patient, an animal, a food batch, etc.) then sending the sample to an analysis center. When the analysis center receives the sample, it first proceeds to the culture of the bacterial strain to obtain at least one colony of it, culture between 24 hours and 72 time. He then prepares from this colony several samples comprising different antibiotics and/or different concentrations of antibiotics, then puts the samples again to incubate. After a new culture period also between 24 and 72 hours, each sample is analyzed manually to determine whether the antibiotic has acted effectively. The results are then transmitted to the practitioner to apply the most effective antibiotic and/or antibiotic concentration.
Cependant, le processus de marquage est particulièrement long et complexe à réaliser et ces marqueurs chimiques ont un effet cytotoxique sur les bactéries. Il s'ensuit que ce mode de visualisation ne permet pas d'observer les bactéries à plusieurs instants de la culture des bactéries, d’où la nécessité d'utiliser un temps de culture suffisamment long, de l'ordre de 24 à 72 heures, pour garantir la fiabilité de la mesure. D'autres méthodes de visualisation de particules biologiques utilisent un microscope, permettant une mesure non destructive d'un échantillon. However, the labeling process is particularly long and complex to perform and these chemical markers have a cytotoxic effect on bacteria. It follows that this mode of visualization does not make it possible to observe the bacteria at several times during the culture of the bacteria, hence the need to use a sufficiently long culture time, of the order of 24 to 72 hours. , to guarantee the reliability of the measurement. Other methods of viewing biological particles use a microscope, allowing non-destructive measurement of a sample.
La microscopie holographique numérique ou DHM (Digital Holographie Microscopy) est une technique d'imagerie permettant de s'affranchir des contraintes de profondeur de champ de la microscopie optique classique. Schématiquement, elle consiste à enregistrer un hologramme formé par l'interférence entre les ondes lumineuses diffractées par l'objet observé et une onde de référence présentant une cohérence spatiale. Cette technique est décrite dans l'article de revue de Myung K.Kim intitulé « Principles and techniques of digital holographie microscopy » publié dans SPIE Reviews Vol. 1 , N°l, Janvier 2010. Digital holographic microscopy or DHM (Digital Holography Microscopy) is an imaging technique that overcomes the depth of field constraints of conventional optical microscopy. Schematically, it consists in recording a hologram formed by the interference between the light waves diffracted by the observed object and a reference wave exhibiting spatial coherence. This technique is described in the review article by Myung K. Kim entitled “Principles and techniques of digital holography microscopy” published in SPIE Reviews Vol. 1 , No. 1, January 2010.
Récemment, il a été proposé d'utiliser la microscopie holographique numérique pour identifier des micro-organismes de manière automatisée. Ainsi, la demande internationale WO2017/207184 décrit une méthode d'acquisition d'une particule intégrant une simple acquisition sans focalisation associée à une reconstruction numérique de la focalisation, permettant d'observer une particule biologique en limitant le temps d'acquisition. Recently, it has been proposed to use digital holographic microscopy to identify microorganisms in an automated way. Thus, the international application WO2017/207184 describes a method for acquiring a particle integrating a simple acquisition without focusing associated with a digital reconstruction of the focusing, making it possible to observe a biological particle while limiting the acquisition time.
Typiquement, cette solution permet de détecter les modifications structurelles d’une bactérie en présence d’un antibiotique après une incubation de seulement une dizaine de minute, et sa sensibilité au bout de deux heures (détection de la présence ou de l’absence d’une division ou d’un motif codant la division) contrairement au processus classique précédemment décrit qui peut prendre plusieurs jours. En effet, les mesures étant non destructives, il est possible de réaliser des analyses très tôt dans le processus de culture sans risquer de détruire l’échantillon et donc de prolonger le temps d’analyse. Typically, this solution makes it possible to detect the structural modifications of a bacterium in the presence of an antibiotic after an incubation of only about ten minutes, and its sensitivity after two hours (detection of the presence or absence of a division or a pattern encoding the division) unlike the conventional process previously described which can take several days. Indeed, the measurements being non-destructive, it is possible to carry out analyzes very early in the culture process without risking destroying the sample and therefore prolonging the analysis time.
Il même est possible de suivre une particule sur plusieurs images successives de sorte à former un film représentant l’évolution d’une particule au cours du temps (puisque les particules ne sont pas altérées après la première analyse) afin de visualiser son comportement, par exemple sa vitesse de déplacement ou son processus de division cellulaire. It is even possible to follow a particle over several successive images so as to form a film representing the evolution of a particle over time (since the particles are not altered after the first analysis) in order to visualize its behavior, by example its speed of movement or its process of cell division.
On comprend donc que le procédé de visualisation donne d’excellents résultats. La difficulté tient dans l’interprétation en elle-même de ces images ou ce film si l’on souhaite par exemple conclure sur la susceptibilité d’une bactérie à l’antibiotique présent dans l’échantillon, en particulier de manière automatique. It is therefore understood that the visualization process gives excellent results. The difficulty lies in the interpretation in itself of these images or this film if one wishes for example to conclude on the susceptibility of a bacterium to the antibiotic present in the sample, in particular automatically.
Diverses techniques ont été proposées allant du simple comptage de bactéries au cours du temps à l’analyse dit morphologique visant à détecter par analyse d’image des « configurations » particulières. Par exemple, lorsqu’une bactérie se prépare à la division, il apparait deux pôles dans la distribution, bien avant la division elle-même qui se traduit par deux portions distinctes de la distribution. Various techniques have been proposed, ranging from simple counting of bacteria over time to so-called morphological analysis aimed at detecting specific "configurations" by image analysis. For example, when a bacterium prepares for division, there appear two poles in the distribution, well before the division itself which results in two distinct portions of the distribution.
Il a été proposé dans l’article Choi, J., Yoo, J., Lee, M., et al. (2014). A rapid antimicrobial susceptibility test based on single-cell morphological analysis. Science Translational Medicine, 6(267). https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3009650 de combiner les deux techniques pour évaluer un effet antibiotique. Cependant, comme souligné par les auteurs, leur approche nécessite une calibration très fine d’un certain nombre de seuils qui dépendent fortement de la nature des changements morphologiques provoqués par les antibiotiques. It was proposed in the article Choi, J., Yoo, J., Lee, M., et al. (2014). A rapid antimicrobial susceptibility test based on single-cell morphological analysis. Science Translational Medicine, 6(267). https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3009650 to combine the two techniques to assess an antibiotic effect. However, as underlined by the authors, their approach requires a very fine calibration of a certain number of thresholds which strongly depend on the nature of the morphological changes caused by the antibiotics.
Plus récemment, l’article Yu, H., Jing, W., Iriya, R., et al. (2018). Phenotypic Antimicrobial Susceptibility Testing with Deep Learning Video Microscopy. Analytical Chemistry, 90(10), 6314-6322. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.8b01128 décrit une approche basée sur l’apprentissage profond (deep learning). Les auteurs proposent d’extraire les caractéristiques morphologiques ainsi que des caractéristiques liées au mouvement des bactéries au moyen d’un réseau de neurones à convolution (Convolutional Neural Network, CNN). Cette solution s’avère cependant d’une part très lourde en termes de ressources informatique, et requiert une vaste base d’images d’apprentissage pour entraîner le CNN. More recently, Yu, H., Jing, W., Iriya, R., et al. (2018). Phenotypic Antimicrobial Susceptibility Testing with Deep Learning Video Microscopy. Analytical Chemistry, 90(10), 6314-6322. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.8b01128 describes an approach based on deep learning. The authors propose to extract the morphological characteristics as well as characteristics related to the movement of bacteria using a convolutional neural network (CNN). However, this solution turns out to be very cumbersome in terms of terms of computing resources, and requires a large base of training images to train the CNN.
Le problème technique objectif de la présente invention est, par conséquent, de pouvoir disposer d’une solution à la fois plus performante et plus légère de classification d’images d’une particule biologique. The objective technical problem of the present invention is, therefore, to be able to have a solution that is both more efficient and lighter for classifying images of a biological particle.
PRESENTATION DE L’INVENTION PRESENTATION OF THE INVENTION
Selon un premier aspect, la présente invention concerne un procédé de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible dans un échantillon, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la mise en œuvre, par des moyens de traitement de données d’un client, d’étapes de : According to a first aspect, the present invention relates to a method for classifying at least one input image representing a target particle in a sample, the method being characterized in that it comprises the implementation, by processing means customer data, steps of:
(b) Extraction d’une carte de caractéristiques de ladite particule cible au moyen d’un réseau de neurones à convolution pré-entraîné sur une base d’images publique ; (b) Extraction of a feature map of said target particle by means of a pre-trained convolutional neural network on a public image database;
(c) Classification de ladite image d’entrée en fonction de ladite carte de caractéristiques extraite. (c) Classification of said input image based on said extracted feature map.
Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives : According to advantageous and non-limiting characteristics:
Les particules sont représentées d’une manière homogène dans l’image d’entrée et dans chaque image élémentaire, en particulier centrées et alignées selon une direction prédéterminée. The particles are represented in a homogeneous way in the input image and in each elementary image, in particular centered and aligned according to a predetermined direction.
Le procédé comprend une étape (a) d’extraction de ladite image d’entrée d’une image globale de l’échantillon, de sorte à représenter ladite particule cible de ladite manière homogène. The method comprises a step (a) of extracting said input image from a global image of the sample, so as to represent said target particle in said homogeneous manner.
L’étape (a) comprend la segmentation de ladite image globale de sorte à détecter ladite particule cible dans l’échantillon, puis le recadrage de l’image d’entrée sur ladite particule cible détectée. Step (a) comprises segmenting said global image so as to detect said target particle in the sample, then cropping the input image onto said detected target particle.
L’étape (a) comprend l’obtention de ladite image globale à partir d’une image en intensité de l’échantillon acquise par un dispositif d’observation. Step (a) comprises obtaining said overall image from an intensity image of the sample acquired by an observation device.
L’étape (b) est mise en œuvre au moyen d’un sous-réseau d’extraction de caractéristiques dudit réseau de neurones à convolution pré-entraîné. Ledit réseau de neurones à convolution pré-entraîné est un réseau de classification d’images, en particulier du type VGG, AlexNet, Inception ou ResNet. Step (b) is implemented using a feature extraction subnet of said pre-trained convolutional neural network. Said pre-trained convolutional neural network is an image classification network, in particular of the VGG, AlexNet, Inception or ResNet type.
Une couche de mise en commun globale est ajoutée à la fin dudit sous- réseau d’extraction de caractéristiques de sorte que la carte de caractéristiques extraite présente une taille spatiale de 1x1. A global pooling layer is added at the end of said feature extraction sub-network so that the extracted feature map has a spatial size of 1x1.
L’étape (c) est mise en œuvre au moyen d’un classifieur, le procédé comprenant une étape (aO) d’apprentissage, par des moyens de traitement de données d’un serveur, des paramètres dudit classifieur à partir d’une base d’apprentissage de cartes de caractéristiques déjà classifiées de particules dans ledit échantillon. Step (c) is implemented by means of a classifier, the method comprising a step (aO) of learning, by data processing means of a server, the parameters of said classifier from a learning base of maps of already classified characteristics of particles in said sample.
Ledit classifieur est choisi parmi une machine à vecteur de support, un algorithme des k plus proches voisins, ou un réseau de neurones à convolution. Said classifier is chosen from among a support vector machine, a k-nearest neighbors algorithm, or a convolutional neural network.
L’étape (c) comprend une réduction du nombre de variables de la carte de caractéristiques au moyen de l’algorithme t-SNE. Step (c) involves reducing the number of variables in the feature map using the t-SNE algorithm.
Le procédé est un procédé de classification d’une séquence d’images d’entrée représentant ladite particule cible dans un échantillon au cours du temps, dans lequel l’étape (b) comprend la concaténation des cartes de caractéristiques extraites pour chaque image d’entrée de ladite séquence. The method is a method of classifying a sequence of input images representing said target particle in a sample over time, wherein step (b) comprises concatenating the extracted feature maps for each image of entry of said sequence.
Selon un deuxième aspect, est proposé un système de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible dans un échantillon comprenant au moins un client comprenant des moyens de traitement de données, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement de données sont configurés pour implémenter : According to a second aspect, there is proposed a system for classifying at least one input image representing a target particle in a sample comprising at least one client comprising data processing means, characterized in that said data processing means are configured to implement:
- l’extraction d’une carte de caractéristiques de ladite particule cible au moyen d’un réseau de neurones à convolution pré-entraîné sur une base d’images publique ; - the extraction of a map of characteristics of said target particle by means of a pre-trained convolutional neural network on a public image database;
- la classification de ladite image d’entrée en fonction de ladite carte de caractéristiques extraite. - the classification of said input image according to said extracted feature map.
Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives, le système comprend en outre un dispositif d’observation de ladite particule cible dans l’échantillon. Selon un troisième et un quatrième aspect sont proposés un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’un procédé selon le premier aspect de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible dans un échantillon ; et un moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel un produit programme d’ordinateur comprend des instructions de code pour l’exécution d’un procédé selon le premier aspect de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible dans un échantillon. According to advantageous and non-limiting characteristics, the system also comprises a device for observing said target particle in the sample. According to a third and a fourth aspect there is provided a computer program product comprising code instructions for performing a method according to the first aspect for classifying at least one input image representing a target particle in a sample ; and a computer-readable storage means on which a computer program product includes code instructions for performing a method according to the first classification aspect of at least one input image representing a target particle in a sample.
PRESENTATION DES FIGURES PRESENTATION OF FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre d’un mode de réalisation préférentiel. Cette description sera donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels : Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of a preferred embodiment. This description will be given with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est un schéma d’une architecture pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention ; - Figure 1 is a diagram of an architecture for implementing the method according to the invention;
- la figure 2a représente un exemple de dispositif d’observation de particules dans un échantillon utilisé dans un mode de réalisation préféré du procédé selon l’invention ; - Figure 2a shows an example of a device for observing particles in a sample used in a preferred embodiment of the method according to the invention;
- la figure 3a illustre l’obtention de l’image d’entrée dans un mode de réalisation du procédé selon l’invention ; - Figure 3a illustrates the obtaining of the input image in an embodiment of the method according to the invention;
- la figure 3b illustre l’obtention de l’image d’entrée dans un mode de réalisation préféré du procédé selon l’invention ; - Figure 3b illustrates the obtaining of the input image in a preferred embodiment of the method according to the invention;
- la figure 4 représente les étapes d’un mode de réalisation préféré du procédé selon l’invention ; - Figure 4 shows the steps of a preferred embodiment of the method according to the invention;
- la figure 5 représente un exemple d’architecture de réseau de neurones à convolution utilisé dans un mode de réalisation préféré du procédé selon l’invention ; - Figure 5 shows an example of convolutional neural network architecture used in a preferred embodiment of the method according to the invention;
- la figure 6 représente un exemple de projection t-SNE utilisée dans un mode de réalisation préféré du procédé selon l’invention. DESCRIPTION DETAILLEE - Figure 6 shows an example of t-SNE projection used in a preferred embodiment of the method according to the invention. DETAILED DESCRIPTION
Architecture Architecture
L’invention concerne un procédé de classification d’au moins une image d’entrée représentative d’une particule 11a-11f présente dans un échantillon 12, dite particule cible. A noter que le procédé peut être mis en œuvre en parallèle pour tout ou partie des particules 11 a-11f présentes dans un échantillon 12, chacune étant considérée particule cible à tour de rôle. The invention relates to a method for classifying at least one input image representative of a particle 11a-11f present in a sample 12, referred to as the target particle. It should be noted that the method can be implemented in parallel for all or some of the particles 11a-11f present in a sample 12, each being considered a target particle in turn.
Comme l’on verra, ce procédé peut comprendre une ou plusieurs composantes d’apprentissage automatique, et notamment un ou plusieurs classifieurs, y compris un réseau de neurones à convolution, CNN. As will be seen, this method may include one or more machine learning components, and in particular one or more classifiers, including a convolutional neural network, CNN.
Les données d’entrée ou d’apprentissage sont de type image, et représentent la particule cible 11 a-11 f dans un échantillon 12 (en d’autres termes il s’agit d’images de l’échantillon dans lequel la particule cible est visible). Comme l’on verra, on peut avoir en entrée une séquence d’images de la même particule cible 11 a-11f (et le cas échéant une pluralité de séquences d’images de particules 11 a- 11f de l’échantillon 12 si plusieurs particules sont considérées). The input or training data are of the image type, and represent the target particle 11a-11f in a sample 12 (in other words, these are images of the sample in which the target particle is visible). As will be seen, one can have as input a sequence of images of the same target particle 11a-11f (and if necessary a plurality of sequences of images of particles 11a-11f of the sample 12 if several particles are considered).
L’échantillon 12 consiste en un liquide tel que de l’eau, une solution tampon, un milieu de culture ou un milieu réactif (comprenant ou non un antibiotique), dans lequel se trouvent les particules 11 a-11f à observer. Sample 12 consists of a liquid such as water, a buffer solution, a culture medium or a reactive medium (including or not including an antibiotic), in which the particles 11a-11f to be observed are found.
En variante, l’échantillon 12 peut se présenter sous la forme d’un milieu solide, de préférence translucide, tel qu’une gélose agar-agar, dans lequel se trouvent les particules 11a-11f. L’échantillon 12 peut également être un milieu gazeux. Les particules 11 a-11f peuvent se situer à l’intérieur du milieu ou bien à la surface de l’échantillon 12. Alternatively, sample 12 may be in the form of a solid medium, preferably translucent, such as agar-agar, in which particles 11a-11f are found. Sample 12 can also be a gaseous medium. Particles 11a-11f can be located inside the medium or on the surface of sample 12.
Les particules 11 a-11f peuvent être des microorganismes tels que des bactéries, des champignons ou des levures. Il peut également s’agir de cellules, organismes multicellulaires, ou toute autre particule de type particule polluante, poussière. Dans la suite de la description, on prendra l’exemple préféré dans laquelle la particule est une bactérie (et comme l’on verra l’échantillon 12 intègre un antibiotique) La taille des particules 11 a-11f observées varie entre 500nm et plusieurs centaines de pm, voire quelques millimètres. La « classification » d’une image d’entrée (ou d’une séquence d’images d’entrée) consiste en la détermination d’au moins une classe parmi un ensemble de clases possibles descriptives de l’image. Par exemple, dans le cas de particules de type bactérie, on peut avoir une classification binaire, i.e. deux classes possibles d’effet « division » ou « pas de division », témoignant respectivement d’une résistance ou non à un antibiotique. La présente invention ne sera limitée à aucune sorte de classification particulière, même si on décrira principalement l’exemple d’une classification binaire de l’effet d’un antibiotique sur ladite particule cible 11 a- 11f. The particles 11a-11f can be microorganisms such as bacteria, fungi or yeasts. It can also be cells, multicellular organisms, or any other particle of the polluting particle type, dust. In the rest of the description, we will take the preferred example in which the particle is a bacterium (and as we will see the sample 12 incorporates an antibiotic) The size of the particles 11a-11f observed varies between 500 nm and several hundred of pm, even a few millimeters. The “classification” of an input image (or of a sequence of input images) consists in the determination of at least one class among a set of possible classes descriptive of the image. For example, in the case of bacteria-type particles, there can be a binary classification, ie two possible classes of “division” or “no division” effect, respectively testifying to resistance or not to an antibiotic. The present invention will not be limited to any kind of particular classification, even if the example of a binary classification of the effect of an antibiotic on said target particle 11a-11f will mainly be described.
Les présents procédés sont mis en œuvre au sein d’une architecture telle que représentée par la Figure 1 , grâce à un serveur 1 et un client 2. Le serveur 1 est l’équipement d’apprentissage (mettant en œuvre le procédé d’apprentissage) et le client 2 est un équipement d’utilisation (mettant en œuvre le procédé de classification), par exemple un terminal d’un médecin ou d’un hôpital. The present methods are implemented within an architecture such as represented by FIG. 1, thanks to a server 1 and a client 2. The server 1 is the learning equipment (implementing the learning method ) and the client 2 is user equipment (implementing the classification method), for example a terminal of a doctor or a hospital.
Il est tout à fait possible que les deux équipements 1 , 2 soient confondus, mais de façon préférée le serveur 1 est un équipement distant, et le client 2 un équipement grand public, notamment un ordinateur du bureau, un portable, etc. L’équipement client 2 est avantageusement connecté à un dispositif d’observation 10, de sorte à pouvoir directement acquérir ladite image d’entrée (ou comme l’on verra plus loin des données « brutes » d’acquisition telles qu’une image globale de l’échantillon 12, voire des matrices électromagnétiques), typiquement pour la traiter en direct, alternativement on chargera l’image d’entrée sur l’équipement client 2. It is quite possible that the two devices 1, 2 are combined, but preferably the server 1 is a remote device, and the client 2 is a device for the general public, in particular an office computer, a laptop, etc. The client equipment 2 is advantageously connected to an observation device 10, so as to be able to directly acquire said input image (or as will be seen later “raw” acquisition data such as a global image sample 12, or even electromagnetic matrices), typically to process it live, alternatively the input image will be loaded onto the client equipment 2.
Dans tous les cas, chaque équipement 1 , 2 est typiquement un équipement informatique distant relié à un réseau local ou un réseau étendu tel que le réseau internet pour l’échange des données. Chacun comprend des moyens de traitement de données 3, 20 de type processeur, et des moyens de stockage de données 4, 21 telle qu’une mémoire informatique, par exemple une mémoire flash ou un disque dur. Le client 2 comprend typiquement une interface utilisateur 22 telle qu’un écran pour interagir. In all cases, each device 1, 2 is typically a remote computer device connected to a local network or a wide area network such as the Internet network for the exchange of data. Each comprises data processing means 3, 20 of the processor type, and data storage means 4, 21 such as a computer memory, for example a flash memory or a hard disk. Client 2 typically includes a user interface 22 such as a screen for interacting.
Le serveur 1 stocke avantageusement une base de données d’apprentissage, i.e. un ensemble d’images de particules 11a-11f dans diverses conditions (voir plus loin) et/ou un ensemble de cartes de caractéristiques déjà classifiées (par exemple associées à des étiquettes « avec division » ou « sans division » signalant la sensibilité ou la résistance à l’antibiotique). A noter que les données d’apprentissage pourront être associés à des étiquettes définissant les conditions de test, par exemple indiquant pour des cultures de bactéries des « souches », « conditions de l’antibiotique », « temps », etc. The server 1 advantageously stores a training database, ie a set of images of particles 11a-11f under various conditions (see below) and/or a set of maps of characteristics already classified (for example, associated with “split” or “splitless” labels indicating antibiotic susceptibility or resistance). Note that the learning data may be associated with labels defining the test conditions, for example indicating for bacteria cultures "strains", "antibiotic conditions", "time", etc.
Acquisition Acquisition
Même si comme expliqué le présent procédé peut directement prendre en entrée toute image de la particule cible 11 a-11 f, obtenue d’une manière quelconque. De manière préférée le présent procédé commence par une étape (a) d’obtention de l’image d’entrée à partir de données fournies par un dispositif d’observation 10. Although as explained the present method can directly take as input any image of the target particle 11a-11f, obtained in any way. Preferably, the present method begins with a step (a) of obtaining the input image from data provided by an observation device 10.
De manière connue, l’homme du métier pourra utiliser des techniques de microscopie holographique numérique DHM, en particulier telles que décrites dans la demande internationale WO2017/207184. En particulier, on pourra acquérir une image en intensité de l’échantillon 12 appelée hologramme, qui n’est pas focalisée sur la particule cible (on parle d’image « out-of-focus »), et qui pourra être traitée par des moyens de traitement de données (intégrés au dispositif 10 ou ceux 20 du client 2 par exemple, voir plus loin). On comprend que l’hologramme « représente » d’une certaine manière toutes les particules 11 a-11f dans l’échantillon. In a known manner, those skilled in the art may use DHM digital holographic microscopy techniques, in particular as described in international application WO2017/207184. In particular, it will be possible to acquire an intensity image of the sample 12 called a hologram, which is not focused on the target particle (we speak of an “out-of-focus” image), and which can be processed by data processing means (integrated into the device 10 or those 20 of the client 2 for example, see below). It is understood that the hologram "represents" in a certain way all the particles 11a-11f in the sample.
La Figure 2 illustre un exemple de dispositif d’observation 10 d’une particule 11 a-11f présente dans un échantillon 12. L’échantillon 12 est disposé entre une source lumineuse 15, spatialement et temporellement cohérente (e.g. un laser) ou pseudo-cohérente (e.g. une diode électroluminescente, une diode laser), et un capteur numérique 16 sensible dans la gamme spectrale de la source lumineuse. De préférence, la source lumineuse 15 comporte une faible largeur spectrale, par exemple inférieure à 200nm, inférieure à 100nm ou encore inférieure à 25 nm. Dans ce qui suit, il est fait référence à la longueur d’onde d’émission centrale de la source lumineuse, par exemple dans le domaine visible. La source lumineuse 15 émet un signal cohérent Sn orienté sur une première face 13 de l’échantillon, par exemple acheminé par un guide d’onde tel qu’une fibre optique. 2 illustrates an example of a device 10 for observing a particle 11a-11f present in a sample 12. The sample 12 is placed between a light source 15, which is spatially and temporally coherent (e.g. a laser) or pseudo- coherent (e.g. a light-emitting diode, a laser diode), and a digital sensor 16 sensitive in the spectral range of the light source. Preferably, the light source 15 has a low spectral width, for example less than 200 nm, less than 100 nm or even less than 25 nm. In the following, reference is made to the central emission wavelength of the light source, for example in the visible range. The light source 15 emits a coherent signal Sn oriented on a first face 13 of the sample, for example conveyed by a waveguide such as an optical fiber.
L’échantillon 12 (comme expliqué typiquement un milieu de culture) est contenu dans une chambre d’analyse, délimitée verticalement par une lame inférieure et une lame supérieure, par exemple des lames de microscope conventionnelles. La chambre d’analyse est délimitée latéralement par un adhésif ou par tout autre matériau étanche. Les lames inférieure et supérieure sont transparentes à la longueur d’onde de la source lumineuse 15, l’échantillon et la chambre laissant passer par exemple plus de 50% la longueur d’onde de la source lumineuse sous incidence normale sur la lame inférieure. The sample 12 (as typically explained a culture medium) is contained in an analysis chamber, delimited vertically by a blade lower and an upper slide, for example conventional microscope slides. The analysis chamber is delimited laterally by an adhesive or by any other waterproof material. The lower and upper blades are transparent to the wavelength of the light source 15, the sample and the chamber allowing for example more than 50% of the wavelength of the light source to pass under normal incidence on the lower blade.
De préférence, les particules 11a-11f sont disposées dans l’échantillon 12 au niveau de la lame supérieure. La face inférieure de la lame supérieure comprend à cet effet des ligands permettant d’accrocher les particules, par exemple des polycations (e.g. poly-Llysine) dans le cadre de microorganismes Ceci permet de contenir les particules dans une épaisseur égale à, ou proche de, la profondeur de champ du système optique, à savoir dans une épaisseur inférieure à 1 mm (e.g. lentille à tube), et de préférence inférieure à 100pm (e.g. objectif de microscope). Les particules 11 a-11f peuvent néanmoins se déplacer dans l’échantillon 12. Preferably, the particles 11a-11f are placed in the sample 12 at the level of the upper blade. The underside of the upper blade comprises for this purpose ligands making it possible to attach the particles, for example polycations (e.g. poly-Llysine) in the context of microorganisms This makes it possible to contain the particles in a thickness equal to, or close to , the depth of field of the optical system, namely in a thickness less than 1 mm (e.g. tube lens), and preferably less than 100 pm (e.g. microscope objective). Particles 11a-11f can nevertheless move in sample 12.
De préférence, le dispositif comprend un système optique 23 constitué, par exemple, d’un objectif de microscope et d’une lentille de tube, disposé dans l’air et à distance fixe de l’échantillon. Le système optique 23 est optionnellement équipé d’un filtre pouvant être situé devant l’objectif ou entre l’objectif et la lentille de tube. Le système optique 23 est caractérisé par son axe optique, son plan d’objet, également dénommé plan de mise au point, à une distance de l’objectif, et son plan d’image, conjugué du plan d’objet par le système optique. En d’autres termes, à un objet situé dans le plan d’objet, correspond une image nette de cet objet dans le plan image, également appelé plan focal. Les propriétés optiques du système 23 sont fixes (e.g. optique à focale fixe). Les plans objet et image sont orthogonaux à l’axe optique. Preferably, the device comprises an optical system 23 consisting, for example, of a microscope objective and of a tube lens, placed in the air and at a fixed distance from the sample. The 23 optical system is optionally equipped with a filter that can be located in front of the objective or between the objective and the tube lens. The optical system 23 is characterized by its optical axis, its object plane, also called focusing plane, at a distance from the objective, and its image plane, conjugate of the object plane by the optical system . In other words, to an object located in the object plane, corresponds a sharp image of this object in the image plane, also called the focal plane. The optical properties of system 23 are fixed (e.g. fixed focal length optics). The object and image planes are orthogonal to the optical axis.
Le capteur d’image 16 est situé, en regard d’une seconde face 14 de l’échantillon, dans le plan focal ou à proximité de ce dernier. Le capteur, par exemple un capteur CCD ou CMOS, comprend un réseau bidimensionnel périodique de sites élémentaires sensibles, et une électronique de proximité qui règle le temps d’exposition et la remise à zéro des sites, d’une manière connue en soi. Le signal de sortie d’un site élémentaire est fonction de la quantité de rayonnement de la gamme spectrale incident sur ledit site pendant la durée d’exposition. Ce signal est ensuite converti, par exemple par l’électronique de proximité, en point image, ou « pixel », d’une image numérique. Le capteur produit ainsi une image numérique sous forme d’une matrice à C colonnes et L lignes. Chaque pixel de cette matrice, de coordonnées (c, I) dans la matrice, correspond d’une manière connue en soi à une position de coordonnées cartésiennes (x(c, I), y(c, I)) dans le plan focal du système optique 23, par exemple la position du centre du site sensible élémentaire de forme rectangulaire. The image sensor 16 is located, facing a second face 14 of the sample, in the focal plane or close to the latter. The sensor, for example a CCD or CMOS sensor, comprises a periodic two-dimensional network of sensitive elementary sites, and proximity electronics which regulate the exposure time and the resetting of the sites, in a manner known per se. The output signal of an elementary site is a function of the quantity of radiation of the incident spectral range on said site during the exposure time. This signal is then converted, for example by the proximity electronics, into an image point, or “pixel”, of a digital image. The sensor thus produces a digital image in the form of a matrix with C columns and L rows. Each pixel of this matrix, of coordinates (c, I) in the matrix, corresponds in a manner known per se to a position of Cartesian coordinates (x(c, I), y(c, I)) in the focal plane of the optical system 23, for example the position of the center of the elementary sensitive site of rectangular shape.
Le pas et le facteur de remplissage du réseau périodique sont choisis pour respecter le critère Shannon-Nyquist vis-à-vis de la taille des particules observées, de manière à définir au moins deux pixels par particule. Ainsi, le capteur d’image 16 acquiert une image en transmission de l’échantillon dans la gamme spectrale de la source lumineuse. The pitch and the filling factor of the periodic grating are chosen to respect the Shannon-Nyquist criterion with respect to the size of the particles observed, so as to define at least two pixels per particle. Thus, the image sensor 16 acquires a transmission image of the sample in the spectral range of the light source.
L’image acquise par le capteur d’image 16 comprend des informations holographiques dans la mesure où elle résulte de l’interférence entre une onde diffractée par les particules 11 a-11f et une onde de référence ayant traversé l’échantillon sans avoir interagi avec lui. On comprend évidemment, comme décrit plus haut, que dans le cadre d’un capteur CMOS ou CCD, l’image numérique acquise est une image en intensité, l’information de phase étant donc ici codée dans cette image en intensité. The image acquired by the image sensor 16 includes holographic information insofar as it results from the interference between a wave diffracted by the particles 11a-11f and a reference wave having passed through the sample without having interacted with him. It is obviously understood, as described above, that in the context of a CMOS or CCD sensor, the acquired digital image is an intensity image, the phase information therefore being coded here in this intensity image.
Alternativement, il est possible de diviser le signal cohérent Sn issu de la source lumineuse 15 en deux composantes, par exemple au moyen d’une lame semi-transparente. La première composante sert alors d’onde de référence et la seconde composante est diffractée par l’échantillon 12, l’image dans le plan image du système optique 23 résultant de l’interférence entre l’onde diffractée et l’onde de référence. Alternatively, it is possible to divide the coherent signal Sn coming from the light source 15 into two components, for example by means of a semi-transparent plate. The first component then serves as a reference wave and the second component is diffracted by the sample 12, the image in the image plane of the optical system 23 resulting from the interference between the diffracted wave and the reference wave.
En référence à la Figure 3a, il est possible dans l’étape (a) de reconstruire à partir de l’hologramme au moins une image globale de l’échantillon 12, puis d’extraire ladite image d’entrée de l’image globale de l’échantillon. Referring to Figure 3a, it is possible in step (a) to reconstruct from the hologram at least one global image of the sample 12, then to extract said input image from the global image of the sample.
On comprend en effet que la particule cible 11 a-11f doit être représentée d’une manière homogène dans l’image d’entrée, en particulier centrée et alignée selon une direction prédéterminée (par exemple la direction horizontale). Les images d’entrée doivent en outre présenter une taille standardisée (Il est également souhaitable qu’on ne voie que la particule cible 11 a-11f dans l’image d’entrée). On appelle ainsi « vignette » (en anglais thumbnail) l’image d’entrée, on peut définir par exemple une taille de 250x250 pixels. Dans le cas d’une séquence d’images d’entrée, on prend par exemple une image par minute pendant un intervalle de temps de 120 minutes, la séquence formant ainsi un « stack » 3D de taille 250x250x120. It is in fact understood that the target particle 11a-11f must be represented in a homogeneous manner in the input image, in particular centered and aligned in a predetermined direction (for example the horizontal direction). The input images must also have a standardized size (It is also desirable that only the target particle 11a-11f is seen in the input image). We calls the input image “thumbnail” in this way, we can define for example a size of 250x250 pixels. In the case of a sequence of input images, one image is taken for example per minute during a time interval of 120 minutes, the sequence thus forming a 3D “stack” of size 250×250×120.
La reconstruction de l’image globale est mise en œuvre comme expliqué par des moyens de traitement de données du dispositif 10 ou ceux 20 du client 2. The reconstruction of the global image is implemented as explained by data processing means of the device 10 or those 20 of the client 2.
Typiquement, on construit (pour un instant d’acquisition) une série de matrices complexes nommées « matrices électromagnétiques », modélisant à partir de l’image en intensité de l’échantillon 12 (l’hologramme) le front d’onde lumineux propagé le long de l’axe optique pour une pluralité d’écarts par rapport au plan de mise au point du système optique 23, et en particulier des écarts positionnés dans l’échantillon. Typically, one builds (for a moment of acquisition) a series of complex matrices called "electromagnetic matrices", modeling from the image in intensity of the sample 12 (the hologram) the light wave front propagated the along the optical axis for a plurality of deviations from the plane of focus of the optical system 23, and in particular deviations positioned in the sample.
Ces matrices peuvent être projetées dans l’espace réel (par exemple via la norme hermitienne), de sorte à constituer une pile d’images globales à diverses distances de focalisation. These matrices can be projected into real space (for example via the Hermitian norm), so as to constitute a stack of global images at various focusing distances.
A partir de là on peut déterminer une distance de focalisation moyenne (et sélectionner l’image globale correspondante, ou la recalculer à partir de l’hologramme), voire déterminer une distance de focalisation optimale pour la particule cible (et à nouveau sélectionner l’image globale correspondante, ou la recalculer à partir de l’hologramme). From there one can determine an average focusing distance (and select the corresponding global image, or recalculate it from the hologram), or even determine an optimal focusing distance for the target particle (and again select the corresponding global image, or recalculate it from the hologram).
Dans tous les cas, en référence à la Figure 3b, l’étape (a) comprend avantageusement la segmentation de ladite ou lesdites images globales de sorte à détecter ladite particule cible dans l’échantillon, puis le recadrage. En particulier, ladite image d’entrée peut être extraite de l’image globale de l’échantillon, de sorte à représenter ladite particule cible de ladite manière homogène. In any case, with reference to Figure 3b, step (a) advantageously comprises the segmentation of said global image(s) so as to detect said target particle in the sample, then the cropping. In particular, said input image can be extracted from the global image of the sample, so as to represent said target particle in said homogeneous way.
En général, la segmentation permet de détecter toutes les particules d’intérêt, en supprimant les artefacts tels que des filaments ou des micro-colonies, de sorte à améliorer la ou les images globales, puis on sélectionne une des particules détectées comme la particules cible, et la vignette correspondante est extraite. Comme expliqué, on peut faire ce travail pour toutes les particules détectées. La segmentation pourra être mise en œuvre de toute manière connue. Dans l’exemple de la figure 3b, on commence par une segmentation fine pour éliminer les artefacts, puis on met en œuvre une segmentation moins fine pour cette fois détecter les particules 11a-11f. L’homme du métier pourra utiliser toute technique de segmentation connue. In general, the segmentation makes it possible to detect all the particles of interest, by removing the artifacts such as filaments or micro-colonies, so as to improve the global image(s), then one of the detected particles is selected as the target particle. , and the corresponding thumbnail is extracted. As explained, we can do this work for all detected particles. The segmentation may be implemented in any known manner. In the example of FIG. 3b, one begins with a fine segmentation to eliminate the artefacts, then one implements a less fine segmentation for this time detecting the particles 11a-11f. A person skilled in the art may use any known segmentation technique.
Si l’on souhaite obtenir une séquence d’images d’entrée pour une particule cible 11 a-11f, on pourra mettre en œuvre des techniques de tracking pour suivre les éventuels déplacements de la particule d’une image globale à la suivante. If we wish to obtain a sequence of input images for a target particle 11a-11f, we can implement tracking techniques to follow the possible displacements of the particle from one global image to the next.
A noter que l’ensemble des images d’entrée obtenues pour un échantillon (pour plusieurs voire toutes les particules de l’échantillon 12, et ce dans le temps) peut être mis en commun pour former une base descriptive de l’échantillon 12 (en d’autres termes une base descriptive de l’expérience), comme l’on voit à droite de la figure 3a, notamment copiée sur les moyens de stockage 21 du client 2. On parle de niveau « champ », par opposition au niveau « particule ». Par exemple, si les particules 11 a-11f sont des bactéries et l’échantillon 12 contient (ou non un antibiotique), cette base descriptive contient toutes les informations sur la croissance, la morphologie, la structure interne et les propriétés optiques de ces bactéries sur tout le champ de l’acquisition. Comme l’on verra, cette base descriptive peut être transmise au serveur 1 pour intégration dans ladite base d’apprentissage. It should be noted that all the input images obtained for a sample (for several or even all the particles of sample 12, and this over time) can be pooled to form a descriptive base for sample 12 ( in other words a descriptive base of the experience), as can be seen on the right of FIG. 3a, in particular copied from the storage means 21 of the client 2. "particle". For example, if the particles 11a-11f are bacteria and the sample 12 contains (or not an antibiotic), this descriptive database contains all the information on the growth, morphology, internal structure and optical properties of these bacteria. over the entire field of acquisition. As we will see, this descriptive base can be transmitted to the server 1 for integration into said learning base.
Extraction de caractéristiques Feature extraction
En référence à la Fig. 4, le présent procédé se distingue particulièrement en ce qu’il sépare une étape (b) d’extraction d’une carte de caractéristiques (« feature map ») à partir de l’image d’entrée, puis une étape (c) de classification de l’image d’entrée en fonction de ladite carte de caractéristiques, au lieu de tenter de classifier directement l’image d’entrée. Comme l’on verra, chaque étape peut impliquer un mécanisme indépendant d’apprentissage automatique, d’où le fait que ladite base d’apprentissage du serveur 1 puisse comprendre aussi bien des images de particules que des cartes de caractéristiques, et ce pas nécessairement déjà classifiés. L’étape (b) principale est ainsi une étape d’extraction par les moyens de traitement de données 20 du client 2 d’une carte de caractéristiques de ladite particule cible, c’est-à-dire un « codage » de la particule cible. With reference to FIG. 4, the present method is particularly distinguished in that it separates a step (b) of extracting a feature map from the input image, then a step (c) classifying the input image based on said feature map, instead of attempting to classify the input image directly. As will be seen, each step can involve an independent automatic learning mechanism, hence the fact that said learning base of the server 1 can comprise both images of particles and maps of characteristics, and this not necessarily already classified. The main step (b) is thus a step of extraction by the data processing means 20 of the client 2 of a map of characteristics of said target particle, that is to say a "coding" of the particle target.
Dans la suite de la présente description, on fera bien la distinction entre le nombre de « dimensions » des cartes de caractéristiques, au sens géométrique, c’est-à-dire le nombre de directions indépendantes dans lesquelles ces cartes s’étendent (par exemple un vecteur est un objet de dimension 1 , et les présentes cartes de caractéristiques sont au moins de dimension 2, avantageusement de dimension 3), et le nombre de « variables » de ces cartes de caractéristiques, c’est- à-dire la taille selon chaque dimension, i.e. le nombre de degrés de liberté indépendants (qui correspond en pratique à la notion de dimension dans un espace vectoriel - plus précisément, l’ensemble des cartes de caractéristiques ayant un nombre de variables donné constitue un espace vectoriel de dimension égale à ce nombre de variables). In the remainder of this description, a distinction will be made between the number of "dimensions" of the feature maps, in the geometric sense, that is to say the number of independent directions in which these maps extend (for example, a vector is an object of dimension 1, and the present characteristic maps are at least of dimension 2, advantageously of dimension 3), and the number of "variables" of these characteristic maps, i.e. the size according to each dimension, i.e. the number of independent degrees of freedom (which corresponds in practice to the notion of dimension in a vector space - more precisely, the set of feature maps having a given number of variables constitutes a vector space of dimension equal to this number of variables).
On décrira ainsi plus bas un exemple dans lequel la carte de caractéristique extraite à l’issue de l’étape (b) est un objet tridimensionnel (i.e. de dimension 3) de taille 7x7x512, ayant ainsi 25088 variables. An example will thus be described below in which the feature map extracted at the end of step (b) is a three-dimensional object (i.e. of dimension 3) of size 7x7x512, thus having 25088 variables.
Ici, on propose d’utiliser un réseau de neurones à convolution, CNN, pour l’étape (b). On rappelle en effet que les CNN sont particulièrement adaptés pour les taches de vision. Généralement, un CNN est capable de classifier directement une image d’entrée (i.e. de faire à la fois les étapes (b) et (c)). Here, we propose to use a convolutional neural network, CNN, for step (b). It is recalled that CNNs are particularly suitable for vision tasks. Generally, a CNN is able to directly classify an input image (i.e. to do both steps (b) and (c)).
Ici le fait de découpler l’étape (b) et l’étape (c) permet de limiter l’utilisation du CNN à l’extraction de caractéristiques, et on peut pour cette étape (b) n’utiliser qu’un réseau de neurones à convolution pré-entraîné sur une base d’images publique, i.e. pour lesquels un apprentissage a déjà eu lieu de manière indépendante. C’est ce que l’on appelle « l’apprentissage par transfert ». Here the fact of decoupling step (b) and step (c) makes it possible to limit the use of the CNN to the extraction of characteristics, and one can for this step (b) only use a network of convolutional neurons pre-trained on a public image database, i.e. for which training has already taken place independently. This is called “transfer learning”.
En d’autres termes, il n’est pas nécessaire d’entraîner ou réentraîner le CNN sur la base d’apprentissage d’images de particules 11a-11f, qui peut donc être exempte d’annotations. En effet, on comprend qu’annoter à la main des milliers d’images serait très long et très coûteux. Cela pourrait en plus s’avérer complexe car dans le cas de bactéries cela nécessiterait de décider d’un temps de division pour chaque bactérie. Or celui-ci peut ne pas être bien défini à l’échelle de la bactérie individuelle. En effet, pour réalisation la tâche d’extraction de caractéristiques, il suffit que le CNN soit discriminant, c’est-à-dire apte à repérer des différences entre images, y compris sur une base d’images publique qui n’a rien à voir avec les présentes images d’entrée. Avantageusement, ledit CNN est un réseau de classification d’images, dans la mesure où l’on sait que de tels réseaux vont manipuler des cartes de caractéristiques spécialement discriminantes vis-à-vis des classes des images, et donc particulièrement adaptées dans le présent contexte des particules 11 a-11f à classifier même si ce n’est pas la tâche pour laquelle le CNN a été initialement entraîné. On comprendra que des réseaux de détection, reconnaissance ou encore segmentation d’image sont des cas particuliers de réseaux de classification, puisqu’ils réalisent en fait la tâche de classification (de toute l’images ou d’objets de l’image) plus une autre tâche (comme déterminer des coordonnées de boites englobantes d’objets classifiés pour un réseau de détection, ou générer un masque de segmentation pour un réseau de segmentation). In other words, it is not necessary to train or retrain the CNN on the training base of particle images 11a-11f, which can therefore be free of annotations. Indeed, we understand that annotating thousands of images by hand would be very long and very expensive. This could also prove to be complex because in the case of bacteria this would require deciding on a division time for each bacterium. However, this may not be well defined at the level of the individual bacterium. Indeed, to carry out the task of feature extraction, it suffices for the CNN to be discriminating, that is to say capable of identifying differences between images, including on a public image database which has nothing to do with it. to do with the present input images. Advantageously, said CNN is an image classification network, insofar as it is known that such networks will manipulate maps of characteristics that are specially discriminating with respect to the classes of the images, and therefore particularly suitable in the present context of the 11a-11f particles to be classified even though this is not the task for which the CNN was originally trained. It will be understood that detection, recognition or even image segmentation networks are particular cases of classification networks, since they in fact carry out the task of classification (of the whole image or of objects in the image) more another task (like determining bounding box coordinates of classified objects for a detection network, or generating a segmentation mask for a segmentation network).
En ce qui concerne la base publique d’images d’apprentissage, on pourra par exemple prendre la célèbre base publique ImageNet, laquelle comprend plus de 1.5 millions d’images annotées, et qui est adaptée à l’apprentissage supervisé de quasiment tout CNN de traitement d’image (pour des tâches de classification reconnaissance, etc.). As regards the public base of training images, we can for example take the famous public base ImageNet, which includes more than 1.5 million annotated images, and which is suitable for the supervised learning of almost any CNN of image processing (for classification recognition tasks, etc.).
Ainsi, on pourra avantageusement prendre un CNN « sur-étagère » sans la nécessité même de réaliser l’apprentissage. On connait des CNNs de classification, par exemple de type VGG (« Visual Geometry Group », par exemple le modèle VGG-16), AlexNet, Inception ou encore ResNet, pré-entraînés sur la base ImageNet (i.e. ils peuvent être récupérés avec les paramètres initialisées aux bonnes valeurs obtenues après un entraînement sur ImageNet). La Fig. 5 représente l’architecture de VGG-16 (à 16 couches). Thus, we can advantageously take an “off-the-shelf” CNN without the very need to carry out the learning. Classification CNNs are known, for example of the VGG type (“Visual Geometry Group”, for example the VGG-16 model), AlexNet, Inception or even ResNet, pre-trained on the ImageNet database (i.e. they can be recovered with the parameters initialized to the correct values obtained after training on ImageNet). Fig. 5 represents the architecture of VGG-16 (with 16 layers).
Généralement, un CNN comprend deux parties : Generally, a CNN consists of two parts:
- Un premier sous-réseau d’extraction de caractéristiques, comprenant le plus souvent une succession de blocs composés de couches de convolution et de couches d’activation (par exemple la fonction ReLU) pour augmenter la profondeur des cartes de caractéristiques, terminés par une couche de mise en commun (pooling) permettant de diminuer la taille de la carte de caractéristiques (généralement d’un facteur 2). Ainsi dans l’exemple de la figure 5, le VGG-16 a comme expliqué 16 couches réparties en 5 blocs. Le premier prend en entre l’image d’entrée (de taille spatiale 224x224, avec 3 canaux correspondant au caractère RGB de l’image) comprend 2 enchainements convolution+ReLU (une couche de convolution et une couche d’activation à fonction ReLLI) montant la profondeur à 64 puis une couche de max pooling (on peut aussi utiliser du global average pooling), avec en sortie une carte de caractéristiques de taille 112x112x64 (les deux premières dimensions sont les dimensions spatiales, et la troisième dimension est la profondeur - ainsi on divise par deux chaque dimension spatiale). Le deuxième bloc a une architecture identique au premier bloc et génère en sortie du dernier ensemble convolution+ReLU une carte de caractéristiques de taille 112x112x128 (profondeur doublée) et en sortie de la couche de max pooling une carte de caractéristiques de taille 56x56x128. Le troisième bloc présente cette fois-ci trois ensembles convolution+ReLU et génère du dernier ensemble convolution+ReLU une carte de caractéristiques de taille 56x56x256 (profondeur doublée) et en sortie en sortie de la couche de max pooling une carte de caractéristiques de taille 28x28x256. Les quatrième et cinquième blocs ont une architecture identique au troisième bloc et génèrent successivement en sortie des cartes de caractéristiques de taille 14x14x512 et 7x7x512 (la profondeur n’augmente plus). Cette carte de caractéristique est la carte « finale ». On comprendra qu’on est limité à aucunes tailles de carte à quelque niveau que ce soit, et que les tailles citées- ci avant ne sont que des exemples. - A first feature extraction sub-network, most often comprising a succession of blocks composed of convolution layers and activation layers (for example the ReLU function) to increase the depth of the feature maps, terminated by a pooling layer to reduce the size of the feature map (usually by a factor of 2). So in the example of Figure 5, the VGG-16 has as explained 16 layers divided into 5 blocks. The first takes between the input image (224x224 spatial size, with 3 channels corresponding to the RGB character of the image) includes 2 convolution+ReLU sequences (a convolution layer and an activation layer with ReLLI function) raising the depth to 64 then a layer of max pooling (we can also use global average pooling), with the output of a feature map of size 112x112x64 (the first two dimensions are the spatial dimensions, and the third dimension is the depth - thus we divide by two each spatial dimension). The second block has an architecture identical to the first block and generates at the output of the last convolution+ReLU set a feature map of size 112x112x128 (doubled depth) and at the output of the max pooling layer a feature map of size 56x56x128. The third block presents this time three convolution+ReLU sets and generates from the last convolution+ReLU set a feature map of size 56x56x256 (doubled depth) and as output at the output of the max pooling layer a feature map of size 28x28x256 . The fourth and fifth blocks have an architecture identical to the third block and successively generate at output maps of characteristics of size 14x14x512 and 7x7x512 (the depth no longer increases). This characteristic card is the “final” card. It will be understood that we are limited to no card sizes at any level whatsoever, and that the sizes mentioned above are only examples.
- Un deuxième sous-réseau de traitement des caractéristiques, et notamment un classifieur si le CNN est un réseau de classification. Ce sous-réseau prend en entrée la carte de caractéristiques finale générée par le premier sous-réseau, et renvoie le résultat escompté, par exemple la classe de l’image d’entrée si le CNN fait de la classification. Ce deuxième sous-réseau contient typiquement une ou plusieurs couches entièrement connectées (FC) et une couche d’activation finale, par exemple softmax (ce qui est le cas de VGG-16). Les deux sous-réseaux sont généralement entraînés en même temps de manière supervisée. Ainsi, l’étape (b) est préférentiellement mise en œuvre au moyen du sous- réseau d’extraction de caractéristiques dudit réseau de neurones à convolution préentraîné, c’est-à-dire la première partie telle que mise en évidence sur la figure 5 pour l’exemple de VGG-16. - A second feature processing sub-network, and in particular a classifier if the CNN is a classification network. This subnet takes as input the final feature map generated by the first subnet, and returns the expected result, for example the class of the input image if the CNN does classification. This second subnet typically contains one or more fully connected layers (FC) and a final activation layer, for example softmax (which is the case of VGG-16). Both subnets are usually trained at the same time in a supervised manner. Thus, step (b) is preferably implemented by means of the feature extraction sub-network of said pretrained convolutional neural network, i.e. the first part as highlighted in the figure 5 for the example of VGG-16.
Plus précisément, ledit CNN pré-entrainé tel que VGG-16 n’est pas sensé renvoyer de cartes de caractéristiques, celle-ci n’étant qu’un état interne. En « tronquant » le CNN pré-appris, i.e. en utilisant seulement les couches du premier sous-réseau on obtient en sortie la carte de caractéristique finale contenant l’information la plus « profonde ». More precisely, said pre-trained CNN such as VGG-16 is not supposed to return feature maps, this one being only an internal state. By "truncating" the pre-learned CNN, i.e. using only the layers of the first sub-network, the final feature map containing the "deepest" information is obtained as output.
On comprend qu’il est également tout à fait possible de prendre comme sous- réseau d’extraction de caractéristiques une partie n’allant pas jusqu’à la carte de caractéristiques finale, par exemple seulement les blocs 1 à 3 au lieu d’aller jusqu’au bloc 5. L’information est plus étendue mais moins profonde. It is understood that it is also entirely possible to take as a feature extraction sub-network a part that does not go as far as the final feature map, for example only blocks 1 to 3 instead of going up to block 5. The information is more extensive but less profound.
Dans le cas où l’on a une séquence d’images d’entrée, l’étape (b) comprend ainsi avantageusement l’extraction d’une carte de caractéristiques par image d’entrée, lesquels peuvent être combinés sous la forme d’une seule carte de caractéristiques appelée « profil » de la particule cible. Plus précisément, les cartes ont toutes la même taille et forment une séquence de cartes, il suffit donc de les concaténer selon l’ordre des images d’entrée de sorte à obtenir une carte de caractéristiques de « grande profondeur ». In the case where there is a sequence of input images, step (b) thus advantageously comprises the extraction of a map of features per input image, which can be combined in the form of a single feature map called the "profile" of the target particle. More precisely, the maps are all the same size and form a sequence of maps, so it suffices to concatenate them according to the order of the input images so as to obtain a feature map of “great depth”.
Alternativement ou en complément, on peut sommer les cartes de caractéristiques correspondant à plusieurs images d’entrée associées à plusieurs particules 11 a-11f de l’échantillon 12. Alternatively or in addition, the feature maps corresponding to several input images associated with several particles 11a-11f of sample 12 can be summed.
La présente technique permet ainsi d’obtenir une carte de caractéristiques de niveau sémantique élevé et ce sans nécessiter ni une forte puissance de calcul ni une base de données annotées. The present technique thus makes it possible to obtain a high semantic level feature map without requiring either high computing power or an annotated database.
A noter que le nombre de variables de la carte de caractéristiques peut rester énorme en particulier en cas de séquence d’images d’entrée. Note that the number of variables in the feature map can remain enormous, especially in the case of an input image sequence.
De manière à réduire cela, on peut remarquer que la position des zones activées dans la carte de cartes de caractéristiques n’a pas d’importance. En effet, la particule 11 a-11f est généralement seule au milieu de l’image d’entrée, même si on a parfois des petits amas. Dans tous les, cas vu qu’on ne cherche pas à localiser les particules 11 a-11 f, une information moyennée sur l’image suffit pour discriminer efficacement. In order to reduce this, it can be noticed that the position of the activated zones in the map of characteristics maps does not matter. Indeed, the 11a-11f particle is generally alone in the middle of the input image, even if there are sometimes small clusters. In any case, since we are not trying to locate the particles 11 a-11 f, an averaged information on the image is enough to discriminate effectively.
Ainsi on peut réduire la taille spatiale de la carte de caractéristiques jusqu’à 1x1 (sans toucher à la profondeur, c’est-à-dire que la carte extraite est de taille 1x1 xP), i.e. on transforme cette carte en un vecteur (de même taille P que la profondeur de la carte de caractéristiques), par exemple au moyen d’une couche de mise en commun globale, notamment global average pooling, c’est-à-dire une moyennisation sur les deux dimensions spatiales. Thus we can reduce the spatial size of the feature map down to 1x1 (without affecting the depth, i.e. the extracted map is of size 1x1 xP), i.e. we transform this map into a vector ( of the same size P as the depth of the feature map), for example by means of a global pooling layer, in particular global average pooling, that is to say an averaging over the two spatial dimensions.
En d’autres termes, on ajoute à la fin du sous-réseau d’extraction de caractéristiques ladite couche de mise en commun globale (après la couche de max pooling du dernier bloc). On peut faire ça à chaque bloc suivant la profondeur souhaitée de la carte de caractéristiques, et on comprend que le gain est d’autant plus fort que la couche de mise en commun globale est insérée « tôt », puisqu’on a des plus grandes dimensions spatiales et des plus faibles profondeurs. In other words, we add at the end of the feature extraction sub-network said global pooling layer (after the max pooling layer of the last block). We can do this at each block depending on the desired depth of the feature map, and we understand that the gain is all the greater when the global pooling layer is inserted "early", since we have larger spatial dimensions and shallowest depths.
Par exemple, en prenant VGG-16 tronqué après le bloc 5, on passe d’une carte de caractéristiques de taille 7x7x512 à une carte de caractéristiques de taille 1x1x512, soit un vecteur de taille 512. Dans le cas d’un stack de 120 images d’entrée, on obtient un vecteur de taille 512x120=61440. En prenant VGG-16 tronqué après le bloc 2, on passe d’une carte de caractéristiques de taille 56x56x128 à une carte de caractéristiques de taille 1 x1 x128, soit un vecteur de taille 128. Dans le cas d’un stack de 120 images d’entrée, on obtient un vecteur de taille 128x120=15360 For example, taking VGG-16 truncated after block 5, we go from a feature map of size 7x7x512 to a feature map of size 1x1x512, i.e. a vector of size 512. In the case of a stack of 120 input images, we obtain a vector of size 512x120=61440. By taking VGG-16 truncated after block 2, we go from a feature map of size 56x56x128 to a feature map of size 1 x1 x128, i.e. a vector of size 128. In the case of a stack of 120 images input, we obtain a vector of size 128x120=15360
Classification Classification
Dans une étape (c), ladite image d’entrée est classifiée en fonction de ladite carte de caractéristiques extraite (le cas échéant la carte réduite). In a step (c), said input image is classified according to said extracted feature map (if applicable the reduced map).
On comprend que toute technique permettant une analyse descriptive du ou des cartes de caractéristiques pourra être utilisée, en particulier des classifieurs appris sur ladite base de données d’apprentissage, on en verra plusieurs exemples. A ce titre, à l’instar de l’étape (bO), le procédé peut comprendre une étape (aO) d’apprentissage, par les moyens de traitement de données 3 du serveur 1 , à partir d’une base d’apprentissage, du classifieur. Cette étape est en effet typiquement mise en œuvre très en amont, en particulier par le serveur 1 distant. Comme expliqué, la base d’apprentissage peut comprendre un certain nombre de cartes de caractéristiques d’images d’apprentissage, ce qui prend très peu de place. It is understood that any technique allowing a descriptive analysis of the characteristic map(s) could be used, in particular classifiers learned on said learning database, several examples of which will be seen. As such, like step (bO), the method can include a step (aO) of learning, by the data processing means 3 of the server 1, from a learning base , of the classifier. This step is typically implemented very upstream, in particular by the remote server 1. As explained, the learning base can include a number of learning image feature maps, which takes up very little space.
La carte de caractéristiques obtenue à l’étape (b) (en particulier en cas de stack d’images d’entrée) peut avoir un nombre de variables très élevé de sorte qu’il est préférable d’utiliser des techniques de réduction. The feature map obtained in step (b) (especially in case of input image stack) can have a very high number of variables so it is better to use reduction techniques.
On peut à ce titre utiliser l'algorithme t-SNE (t-distributed stochastic neighbor embedding), qui est une méthode non-linéaire de réduction du nombre de variables pour la visualisation de données, permettant de représenter un ensemble de points d'un espace à grande dimension (l’espace de valeur des cartes de caractéristiques) dans un espace de deux ou trois dimensions, les données peuvent ensuite être visualisées avec un nuage de points. L'algorithme t-SNE tente de trouver une configuration optimale (dite projection t-SNE, en anglais « embedding ») selon un critère de théorie de l'information pour respecter les proximités entre points : deux points qui sont proches (respectivement éloignés) dans l'espace d'origine devront être proches (respectivement éloignés) dans l'espace de faible dimension. In this respect, the t-SNE (t-distributed stochastic neighbor embedding) algorithm can be used, which is a non-linear method for reducing the number of variables for data visualization, allowing the representation of a set of points of a high-dimensional space (the value space of feature maps) into a two- or three-dimensional space, the data can then be visualized with a scatter plot. The t-SNE algorithm attempts to find an optimal configuration (known as the t-SNE projection, in English “embedding”) according to an information theory criterion to respect the proximities between points: two points that are close (respectively distant) in the original space will have to be close (respectively distant) in the low-dimensional space.
L’algorithme t-SNE peut être mis en œuvre aussi bien au niveau particule (une particule cible 11 a-11f par rapport aux particules individuelles pour lesquelles on dispose dans la base d’apprentissage d’une carte) qu’au niveau champ (pour tout l’échantillon 12 - cas d’une pluralité d’images d’entrée représentant une pluralité de particules 11 a-11f), en particulier dans le cas d’images seules plutôt que de stacks. The t-SNE algorithm can be implemented both at the particle level (a target particle 11a-11f compared to the individual particles for which a map is available in the learning base) and at the field level ( for the whole sample 12 - case of a plurality of input images representing a plurality of particles 11a-11f), in particular in the case of single images rather than stacks.
A noter que la projection t-SNE de la base d’apprentissage peut être faite très en amont, il n’y a plus qu’à y placer la carte de caractéristiques de l’image d’entrée considérée. En pratique, on n’a pas nécessairement de formulation explicite de la fonction de projection de sorte qu’il peut rester nécessaire de recalculer les projections à chaque fois. On peut cependant accélérer les calculs et réduire l’empreinte mémoire, passer par une première étape de réduction linéaire du nombre de variables (par exemple l’ACP - Analyse aux Composantes Principales) avant de calculer la projection t-SNE des cartes de caractéristiques de la base d’apprentissage et de l’image d’entrée considérée. Dans ce cas on peut stocker en mémoire les projections par ACP de la base d’apprentissage. Pour le classifieur à proprement parler, on peut utiliser la méthode des k plus proches voisins (k-nearest neighbors, k-NN), en particulier basée sur le résultat de l’algorithme t-SNE (la projection, ou « embedding » obtenue). It should be noted that the t-SNE projection of the learning base can be made very upstream, all that remains is to place the map of characteristics of the input image considered there. In practice, we do not necessarily have an explicit formulation of the projection function so that it may still be necessary to recalculate the projections each time. However, it is possible to speed up the calculations and reduce the memory footprint, go through a first step of linear reduction of the number of variables (for example PCA - Principal Component Analysis) before calculating the t-SNE projection of the characteristics maps of the learning base and the considered input image. In this case, the projections by PCA of the learning base can be stored in memory. For the classifier strictly speaking, we can use the method of the k nearest neighbors (k-nearest neighbors, k-NN), in particular based on the result of the t-SNE algorithm (the projection, or "embedding" obtained ).
L’idée est de regarder les points voisins du point correspondant à la carte de caractéristiques de la ou les image d’entrée considérée, et de regarder leur classification. Par exemple, si les points voisins sont classés « pas de division », on peut supposer que l’image d’entrée considérée doit être classée « pas de division ». A noter qu’on peut éventuellement limiter les voisins considérés, par exemple en fonction de la souche, de l’antibiotique, etc. La Figure 6 montre deux exemples d’embeddings t-SNE obtenus au niveau du champ pour une souche d’E. Coli pour diverses concentrations de cefpodoxime. Dans l’exemple du haut on voit clairement deux blocs, permettant de montrer visuellement l’existence d’une concentration minimale inhibitrice (minimum inhibitory concentration (MIC)) à partir de laquelle on a un impact sur la morphologie et donc la division cellulaire. On pourra classer une carte tombant à proximité de la partie haute comme « division » et une carte tombant à proximité de la partie basse comme « pas de division ». Dans l’exemple du bas on voit qu’uniquement la concentration la plus élevée se détache (et semble donc avoir un effet antibiotique). The idea is to look at the neighboring points of the point corresponding to the feature map of the considered input image(s), and to look at their classification. For example, if the neighboring points are classified as “no division”, we can assume that the considered input image must be classified as “no division”. It should be noted that the neighbors considered can possibly be limited, for example according to the strain, the antibiotic, etc. Figure 6 shows two examples of t-SNE embeddings obtained at the field level for a strain of E. coli for various concentrations of cefpodoxime. In the top example, we can clearly see two blocks, making it possible to visually show the existence of a minimum inhibitory concentration (MIC) from which we have an impact on morphology and therefore cell division. We can classify a card falling near the upper part as "division" and a card falling near the lower part as "no division". In the bottom example we see that only the highest concentration stands out (and therefore seems to have an antibiotic effect).
Selon un deuxième mode de réalisation, on utilise comme classifieur une machine à vecteur de support (support vector machine, SVM), toujours pour une classification binaire (par exemple à nouveau « division » ou « pas de division »). Cette méthode simple est particulièrement efficace sur les images d’entrée simples (SVM appliqué aux cartes de caractéristiques). L’hyper-paramètre C du SVM peut être optimisé en utilisant une recherche de grille et une validation croisée (dite « k- folds » avec en particulier k=5, dans laquelle on divise la base originale en k échantillons, puis on sélectionne un des k échantillons comme ensemble de validation et les k-1 autres échantillons constitueront l'ensemble d'apprentissage). According to a second embodiment, a support vector machine (SVM) is used as classifier, again for a binary classification (for example again “division” or “no division”). This simple method is particularly effective on simple input images (SVM applied to feature maps). The hyper-parameter C of the SVM can be optimized by using a grid search and a cross-validation (known as "k-folds" with in particular k=5, in which one divides the original base into k samples, then one selects a k samples as the validation set and the other k-1 samples will constitute the training set).
Selon un troisième mode de réalisation, dans le cas où l’on a des séquences d’images d’entrée (stack 3D) et donc des cartes de caractéristiques plus profondes, on utilise comme classifieur un réseau de neurones à convolution (CNN). According to a third embodiment, in the case where there are input image sequences (3D stack) and therefore deeper feature maps, a convolutional neural network (CNN) is used as a classifier.
On pourra pour ce CNN choisir des architectures relativement simples, par exemple une succession de blocs d’une couche de convolution, une couche d’activation (fonction ReLU par exemple) et une couche de mise en commun (pooling, par exemple du max pooling). Deux tels blocs suffisent pour un classification binaire efficace. On peut par ailleurs sous-échantillonner les entrées (en particulier sur la dimension « temporelle ») pour encore réduire son empreinte mémoire. It will be possible for this CNN to choose relatively simple architectures, for example a succession of blocks of a convolution layer, an activation layer (ReLU function for example) and a pooling layer (pooling, for example max pooling). Two such blocks are sufficient for efficient binary classification. It is also possible to under-sample the inputs (in particular on the “time” dimension) to further reduce its memory footprint.
L’apprentissage du CNN peut être réalisé de façon classique. La fonction de coût d’apprentissage peut être composée d’une attache aux données classique - entropie croisée - à minimiser via un algorithme de descente de gradient. CNN learning can be done in a classical way. The learning cost function can be composed of a classical data attachment - cross-entropy - to be minimized via a gradient descent algorithm.
Dans tous les modes de réalisation, le classifieur appris peut être stocké le cas échéant sur des moyens de stockage de données 21 du client 2 pour utilisation en classification. A noter que le même classifieur peut être embarqué sur de nombreux clients 2, un seul apprentissage est nécessaire. In all the embodiments, the learned classifier can be stored if necessary on data storage means 21 of the client 2 for use in classification. Note that the same classifier can be embedded on many clients 2, only one learning is necessary.
Produit programme d’ordinateur computer program product
Selon un deuxième et un troisième aspects, l’invention concerne un produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution (en particulier sur les moyens de traitement de données 3, 20 du serveur 1 et/ou du client 2) d’un procédé de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible 11a-11f dans un échantillon 12, ainsi que des moyens de stockage lisibles par un équipement informatique (une mémoire 4, 21 du serveur 1 et/ou du client 2) sur lequel on trouve ce produit programme d’ordinateur. According to a second and a third aspect, the invention relates to a computer program product comprising code instructions for the execution (in particular on the data processing means 3, 20 of the server 1 and/or of the client 2) a method for classifying at least one input image representing a target particle 11a-11f in a sample 12, as well as storage means readable by computer equipment (a memory 4, 21 of the server 1 and/or of the client 2) on which this computer program product is found.

Claims

22 REVENDICATIONS 22 CLAIMS
1. Procédé de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible (11 a-11f) dans un échantillon (12), le procédé étant caractérisé en ce qu’il comprend la mise en œuvre, par des moyens de traitement de données (20) d’un client (2), d’étapes de : 1. Method for classifying at least one input image representing a target particle (11a-11f) in a sample (12), the method being characterized in that it comprises the implementation, by means of processing of data (20) of a customer (2), of steps of:
(b) Extraction d’une carte de caractéristiques de ladite particule cible (11 a- 11f) au moyen d’un réseau de neurones à convolution pré-entraîné sur une base d’images publique ; (b) Extraction of a feature map of said target particle (11a-11f) by means of a pre-trained convolutional neural network on a public image database;
(c) Classification de ladite image d’entrée en fonction de ladite carte de caractéristiques extraite. (c) Classification of said input image based on said extracted feature map.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel les particules (11 a-11f) sont représentées d’une manière homogène dans l’image d’entrée et dans chaque image élémentaire, en particulier centrées et alignées selon une direction prédéterminée. 2. Method according to claim 1, in which the particles (11a-11f) are represented in a homogeneous manner in the input image and in each elementary image, in particular centered and aligned in a predetermined direction.
3. Procédé selon la revendication 2, comprenant une étape (a) d’extraction de ladite image d’entrée d’une image globale de l’échantillon, de sorte à représenter ladite particule cible (11 a-11f) de ladite manière homogène 3. Method according to claim 2, comprising a step (a) of extracting said input image from a global image of the sample, so as to represent said target particle (11a-11f) in said homogeneous manner
4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’étape (a) comprend la segmentation de ladite image globale de sorte à détecter ladite particule cible (11 a-11f) dans l’échantillon (12), puis le recadrage de l’image d’entrée sur ladite particule cible (11 a-11f) détectée. 4. Method according to claim 3, in which step (a) comprises segmenting said global image so as to detect said target particle (11a-11f) in the sample (12), then cropping the input image on said detected target particle (11a-11f).
5. Procédé selon l’une des revendications 3 et 4, dans lequel l’étape (a) comprend l’obtention de ladite image globale à partir d’une image en intensité de l’échantillon (12) acquise par un dispositif d’observation (10). 5. Method according to one of claims 3 and 4, in which step (a) comprises obtaining said global image from an intensity image of the sample (12) acquired by a device for observations (10).
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel l’étape (b) est mise en œuvre au moyen d’un sous-réseau d’extraction de caractéristiques dudit réseau de neurones à convolution pré-entraîné. 6. Method according to one of claims 1 to 5, in which step (b) is implemented by means of a feature extraction sub-network of said pre-trained convolutional neural network.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel ledit réseau de neurones à convolution pré-entraîné est un réseau de classification d’images, en particulier du type VGG, AlexNet, Inception ou ResNet. 7. Method according to claim 6, in which said pre-trained convolutional neural network is an image classification network, in particular of the VGG, AlexNet, Inception or ResNet type.
8. Procédé selon l’une des revendications 6 et 7, dans lequel une couche de mise en commun globale est ajoutée à la fin dudit sous-réseau d’extraction de caractéristiques de sorte que la carte de caractéristiques extraite présente une taille spatiale de 1x1 . Method according to one of claims 6 and 7, wherein a global pooling layer is added at the end of said feature extraction sub-network so that the extracted feature map has a spatial size of 1x1 .
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel l’étape (c) est mise en œuvre au moyen d’un classifieur, le procédé comprenant une étape (aO) d’apprentissage, par des moyens de traitement de données (3) d’un serveur (1 ), des paramètres dudit classifieur à partir d’une base d’apprentissage de cartes de caractéristiques déjà classifiées de particules (11 a-11f) dans ledit échantillon (12). 9. Method according to one of claims 1 to 8, in which step (c) is implemented by means of a classifier, the method comprising a step (aO) of learning, by means of processing of data (3) from a server (1), parameters of said classifier from a learning base of maps of already classified characteristics of particles (11a-11f) in said sample (12).
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel ledit classifieur est choisi parmi une machine à vecteur de support, un algorithme des k plus proches voisins, ou un réseau de neurones à convolution. 10. The method of claim 9, wherein said classifier is selected from a support vector machine, a k-nearest neighbor algorithm, or a convolutional neural network.
11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel l’étape (c) comprend une réduction du nombre de variables de la carte de caractéristiques au moyen de l’algorithme t-SNE. 11. Method according to one of claims 1 to 10, in which step (c) comprises reducing the number of variables of the feature map by means of the t-SNE algorithm.
12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11 , de classification d’une séquence d’images d’entrée représentant ladite particule cible (11 a-11f) dans un échantillon (12) au cours du temps, dans lequel l’étape (b) comprend la concaténation des cartes de caractéristiques extraites pour chaque image d’entrée de ladite séquence. 12. Method according to one of claims 1 to 11, for classifying a sequence of input images representing said target particle (11a-11f) in a sample (12) over time, in which the step (b) comprises concatenating the extracted feature maps for each input image of said sequence.
13. Système de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible (11 a-11f) dans un échantillon (12) comprenant au moins un client (2) comprenant des moyens de traitement de données (20), caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement de données (20) sont configurés pour implémenter : 13. System for classifying at least one input image representing a target particle (11a-11f) in a sample (12) comprising at least one client (2) comprising data processing means (20), characterized in that said data processing means (20) are configured to implement:
- l’extraction d’une carte de caractéristiques de ladite particule cible (11 a-11f) au moyen d’un réseau de neurones à convolution préentraîné sur une base d’images publique ; - extracting a feature map of said target particle (11a-11f) by means of a convolutional neural network pretrained on a public image database;
- la classification de ladite image d’entrée en fonction de ladite carte de caractéristiques extraite. - the classification of said input image according to said extracted feature map.
14. Système selon la revendication 12, comprenant en outre un dispositif d’observation (10) de ladite particule cible (11 a-11f) dans l’échantillon (12). 14. System according to claim 12, further comprising a device (10) for observing said target particle (11a-11f) in the sample (12).
15. Produit programme d’ordinateur comprenant des instructions de code pour l’exécution d’un procédé selon l’une des revendications 1 à 12 de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible (11 a- 11f) dans un échantillon (12), lorsque ledit programme est exécuté sur un ordinateur. 15. Computer program product comprising code instructions for the execution of a method according to one of claims 1 to 12 for classifying at least one input image representing a target particle (11a-11f) in a sample (12), when said program is executed on a computer.
16. Moyen de stockage lisible par un équipement informatique sur lequel un produit programme d’ordinateur comprend des instructions de code pour l’exécution d’un procédé selon l’une des revendications 1 à 12 de classification d’au moins une image d’entrée représentant une particule cible (11 a-11f) dans un échantillon (12). 16. Storage means readable by computer equipment on which a computer program product comprises code instructions for the execution of a method according to one of claims 1 to 12 for classifying at least one image of entry representing a target particle (11a-11f) in a sample (12).
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