Étude des effets de volume partiel en IRM cérébrale pour l'estimation d'épaisseur corticale

The work developed in this thesis is within the scope of magnetic resonance imaging (MRI) acquisition and image processing for the automated analysis of brain structures. The measurement of structural modifications with time such as cortical atrophy requires the application of image processing algorithms. They must compensate for MRI artifacts such as intensity inhomogeneities or partial volume (PV) effects to allow for brain tissues segmentation then cortical thickness estimation. We suggest a new PV model relying on the physics of acquisition named bi-exponential model that differs from the commonly used linear model by modelling brain tissues and image acquisition. It requires the use of two differently contrasted and perfectly coregistered images. This model has been validated with simulations and physical and digital phantoms in a first place. In parallel, the recent MP2RAGE sequence provides two coregistered images and their combination results in a bias-field corrected image as well as a T1 map of the scanned tissues. We tested our model with in vivo MP2RAGE data and demonstrated that using the linear PV model leads to a systematic gray matter proportion underestimation in PV voxels. These errors result in cortical thickness underestimation. Our results favor the following assumption: PV modelling with MP2RAGE images must differ from the usual linear PV model applied for images obtained from more classic sequences. The bi-exponential model is an adapted solution to this particular sequence.Les travaux réalisés dans cette thèse se situent à l'interface des domaines de l'acquisition en imagerie par résonance magnétique (IRM) et du traitement d'image pour l'analyse automatique des structures cérébrales. La mesure de modifications structurelles telles que l'atrophie corticale nécessite l'application d'algorithmes de traitement d'image. Ceux-ci doivent compenser les artefacts en IRM tels que l'inhomogénéité du signal ou les effets de volume partiel (VP) pour permettre la segmentation des tissus cérébraux puis l'estimation d'épaisseur corticale. Nous proposons une nouvelle modélisation de VP proche de la physique de l'acquisition baptisée modèle bi-exponentiel qui vient concurrencer le traditionnel modèle linéaire. Il nécessite l'utilisation de deux images de contrastes différents parfaitement recalées. Ce modèle a été validé sur des simulations et des fantômes physique et numérique dans un premier temps. Parallèlement, la récente séquence MP2RAGE permet d'acquérir deux images co-recalées par acquisition et leur combinaison aboutit à l'obtention d'une image insensible aux inhomogénéités du signal et d'une carte de T1 des tissus imagés. Nous avons testé notre modèle sur des données in vivo MP2RAGE et avons montré que l'application du modèle linéaire de VP conduit à une sous-estimation systématique de la substance grise à l'échelle du voxel. Ces erreurs se propagent à l'estimation d'épaisseur corticale, biomarqueur très sensible aux effets de VP. Nos résultats plaident en faveur de l'hypothèse suivante : la modélisation de VP pour les images MP2RAGE doit être différente de celle employée pour des images obtenues avec des séquences plus classiques. Le modèle bi-exponentiel est une solution adaptée à cette séquence particulière

Multimodal image analysis of the human brain

Gedurende de laatste decennia heeft de snelle ontwikkeling van multi-modale en niet-invasieve hersenbeeldvorming technologieën een revolutie teweeg gebracht in de mogelijkheid om de structuur en functionaliteit van de hersens te bestuderen. Er is grote vooruitgang geboekt in het beoordelen van hersenschade door gebruik te maken van Magnetic Reconance Imaging (MRI), terwijl Elektroencefalografie (EEG) beschouwd wordt als de gouden standaard voor diagnose van neurologische afwijkingen. In deze thesis focussen we op de ontwikkeling van nieuwe technieken voor multi-modale beeldanalyse van het menselijke brein, waaronder MRI segmentatie en EEG bronlokalisatie. Hierdoor voegen we theorie en praktijk samen waarbij we focussen op twee medische applicaties: (1) automatische 3D MRI segmentatie van de volwassen hersens en (2) multi-modale EEG-MRI data analyse van de hersens van een pasgeborene met perinatale hersenschade. We besteden veel aandacht aan de verbetering en ontwikkeling van nieuwe methoden voor accurate en ruisrobuuste beeldsegmentatie, dewelke daarna succesvol gebruikt worden voor de segmentatie van hersens in MRI van zowel volwassen als pasgeborenen. Daarenboven ontwikkelden we een geïntegreerd multi-modaal methode voor de EEG bronlokalisatie in de hersenen van een pasgeborene. Deze lokalisatie wordt gebruikt voor de vergelijkende studie tussen een EEG aanval bij pasgeborenen en acute perinatale hersenletsels zichtbaar in MRI

Procesos Neuropatológicos Comunes Asociados a las Paredes Ventriculares en la Hidrocefalia Congénita Humana

La hidrocefalia se define hoy en como una distensión activa del sistema ventricular debida a una acumulación neta de líquido cefalorraquídeo (LCR). Puede deberse a varias razones, donde se pueden encontrar obstrucciones en las diferentes vías por donde circular el LCR. Una de las regiones es el acueducto de Silvio, siendo ese tipo de hidrocefalia clasificada de tipo obstructiva. Otras hidrocefalias denominadas comunicantes en realidad pueden considerarse que existen obstrucciones en las vías meníngeas. La hidrocefalia puede tener un carácter feto-neonatal por diversas razones, algunas ligadas a malformaciones genéticas y determinados síndromes. Otras veces se ocasiona por hemorragias ventriculares en el periodo fetal. Estas finalmente, se transforman en obstructivas. La espina bífida con mielomeningocele, que aparece como un defecto del cierre del tubo neural, frecuentemente se acompaña de hidrocefalia. En la presente Tesis Doctoral se han estudiado necropsias de 18 casos con hidrocefalia feto-neonatal diagnosticadas con carácter comunicante, es decir sin obstrucción en el acueducto de Silvio. En el estudio se incluyen algunos casos con mielomeningocele y poshemorrágica. También se han empleado, tomándose como casos controles, necropsias de fetos que no manifestaban neuropatologías. Los casos comprendían edades que oscilaban entre las 12 semanas de gestación, estados gestación atérmino y de tres meses de edad posnatal. En las necropsias se llevó a cabo un estudio de las características histopatológicas presentes, principalmente en las paredes de la corteza cerebral, empleando técnicas generales y de inmunohistoquímica/inmunofluorescencia. Mediante las segundas se detectaron proteínas marcadoras de diferentes tipos celulares presentes en las paredes. Algunos marcadores se emplearon para obtener una información funcional, como la presencia de canales acuosos, caveolas, endosomas o la producción de la citoquina proinflamatoria TNF. Además de las necropsias se han empleado muestras de LCR de casos hidrocefálicos con diferentes tipos de hidrocefalias. En ellas se ha analizado la presencia del factor TNF. Las muestras de LCR también se han analizado y mediante espectrometría de protón de hidrógeno con resonancia magnética de alta resolución en ángulo mágico (1H HR-MAS-RMN). Así se han detectado y cuantificado ciertos metabolitos que pueden ser indicadores de la presencia de condiciones isquémicas y de reacciones gliales. Finalmente en algunos casos se han podido comparar los datos histopatológicos con la información aportada en el análisis del LCR y de estudio de imagen. En las necropsias de los fetos hidrocefálicos se han encontrado de forma común la existencia de tres aspectos neuropatológicos: • Ausencia de neuroepitelio/epéndimo, según edad gestacional y tipo de células que se presentan en la zona ventricular. Este denudamiento se encontró ocupando regiones más o menos extensas de la cavidad ventricular. Estas zonas coexisten con otras donde permanece el neuroepitelio/epéndimo. • Aparición de una reacción astrocitaria que cubre las zonas denudadas de epéndimo. • Alteración en la distribución de los progenitores neurales/neuroblastos en la pared cortical cerebral en regiones denudadas de epéndimo