Modélisation géométrique 3D des structures anatomiques du tronc humain à partir d’images acquises par résonnance magnétique

La modélisation géométrique 3D de structures anatomiques est une étape essentielle dans le développement d’outils de simulation numérique dédiés pour l’étude de l’évolution ou pour la planification de traitements de pathologies complexes. La scoliose est une déformation complexe de la colonne vertébrale et de la cage thoracique qui entraine des asymétries au niveau de l’ensemble du tronc. Ces asymétries sont généralement accompagnées de l’apparence d’une bosse dans le dos du patient et constituent la raison principale pour laquelle le patient ou ses parents décident de consulter. Cependant, les simulateurs biomécaniques actuels se concentrent sur le choix de la meilleure stratégie opératoire qui permet de redresser la colonne et minimiser son déjettement au niveau sagittal et frontal. Dans ce contexte, une modélisation géométrique 3D des structures osseuses est suffisante. Par contre, la priorité du patient est de bénéficier de la stratégie qui pourrait améliorer son apparence par la réduction des asymétries externes du tronc suite au traitement. Il est donc important de propager la correction des structures osseuses, lors de la simulation, à travers les tissus mous du tronc afin de visualiser l’effet d’une stratégie sur l’apparence externe du patient. Par conséquent, une modélisation géométrique précise de l’ensemble des structures anatomiques du tronc incluant la surface externe, les tissus mous et les structures osseuses sous-jacentes devient indispensable. La modélisation de l’intérieur du tronc peut être effectuée en utilisant des images acquises par résonnance magnétique (IRM). Cette modalité d’imagerie est particulièrement intéressante, car elle permet d’obtenir de l’information sur le tronc sans danger pour le patient. La qualité des données IRM est variable et dépend du protocole d’acquisition. Pour garder un temps d’acquisition raisonnable, il faut réduire la portion du tronc couverte ou réduire la résolution des données, ce qui impactera le modèle géométrique obtenu. De plus, puisque les structures osseuses ne sont pas facilement identifiables dans les données IRM, elles sont généralement obtenues avec des radiographies. L’obtention d’un modèle précis du tronc implique donc de combiner un modèle des structures osseuses et un des tissus mous. Cette mise en correspondance est complexe, car les IRM sont acquises en position couchée et les radiographies le sont en position debout. Cette thèse propose une nouvelle méthodologie pour construire un modèle géométrique précis et personnalisé du tronc à partir de données IRM. Le nouveau modèle géométrique sera obtenu sans segmenter les données pour éviter la perte d’information. Cette méthodologie est différente des approches classiques qui génèrent des éléments géométriques reliant des frontières segmentées dans une étape préalable. Le nouveau modèle sera enrichi par l’utilisation de modèles surfaciques de vertèbres qui permettront une segmentation automatique des vertèbres visibles dans les données IRM. La première phase des travaux s’est concentrée sur la génération du modèle géométrique personnalisé du tronc obtenu à travers l’adaptation d’un maillage 3D. Le processus d’adaptation du maillage est basé sur la génération d’une métrique riemannienne construite en utilisant l’intensité des images IRM. La métrique définit la forme, la taille et l’orientation de chacun des éléments du maillage pour respecter les frontières des structures présentes dans les données. La validation du processus a été effectuée en plusieurs étapes. Tout d’abord, il a été montré, avec des IRM cardiaques, que le processus produit des maillages respectant la métrique. Par la suite, le processus d’adaptation a été comparé avec celui proposé par Goksel et al qui produit également des maillages sans segmenter les données. Cette comparaison a été faite sur un cas analytique et sur une série de cas réels. Pour comparer les méthodes, plusieurs maillages de densités différentes sont obtenus avec chacune d’elles. Puis, des éléments sont extraits de chacun des maillages en utilisant la frontière d’un volume de référence. La somme du volume des éléments extraits est comparée à celui de la référence. Les mesures comparant les volumes confirment que notre méthode produit des maillages respectant mieux les frontières des structures présentes, qu’elle converge plus rapidement et qu’elle est donc plus précise pour un nombre de sommets donnés. La seconde phase a été centrée sur le développement d’une méthodologie de segmentation semi-automatique des vertèbres dans les données IRM. Un modèle surfacique des structures osseuses est recalé avec les volumes de données IRM pour segmenter les vertèbres. Pour y parvenir, un algorithme de recalage par information mutuelle, reconnu pour donner de bons résultats avec des données multimodales, a été utilisé. Pour améliorer le taux de succès de l’algorithme, une phase d’initialisation positionne les vertèbres près de leur position finale estimée. L’évaluation de la phase d’initialisation montre que l’algorithme de recalage supporte une erreur de positionnement de 13 mm par rapport à sa position finale pour assurer un bon recalage. Cette distance est facilement atteignable. La robustesse de l’algorithme de recalage a été évaluée avec plusieurs ensembles de données. Si la qualité des données IRM est suffisante, notre méthode produit de bons résultats. Une résolution de 3 mm entre les tranches est un bon compromis entre la qualité et le temps d’acquisition. Pour conclure, la nouvelle représentation géométrique est minimale et préserve la frontière des structures anatomiques présentes dans les données. Elle serait un bon candidat pour être utilisée dans un simulateur numérique. En outre, la méthode de segmentation semi-automatique des données IRM est robuste et produit des résultats fiables. Pour poursuivre ces travaux, la segmentation des vertèbres pourrait être utilisée pour simplifier la génération du maillage. L’adaptation de maillage peut être restreinte à des zones segmentées, tout en utilisant l’information du volume entier, limitant ainsi la perte d’information. L’emplacement des vertèbres serait alors connu dans le maillage adapté, ce qui permettrait de faire le recalage avec le modèle surfacique des structures osseuses.----------ABSTRACT 3D geometric modeling of anatomical structures is an essential step in the development of numerical simulation tools dedicated to the study of evolution or the planning of complex disease treatments. Scoliosis is a complex deformation of the spine and rib cage which leads to asymmetries in the whole trunk. These asymmetries are usually accompanied by the appearance of a hump in the back of the patient and are the main reason why the patient or his parents decide to consult. However, current biomechanical simulators focus on choosing the best surgical strategy that helps straighten the spine and achieve frontal and sagittal trunk balance. In this context, a 3D geometric modeling of bone structures is sufficient. On the other hand, the priority of the patient is to benefit from the strategy that could improve most his appearance by reducing trunk asymmetries. It is therefore important to propagate the correction of bone structures, in the simulation, through the soft tissue of the trunk, in order to visualize the effect of a strategy on the external surface of the trunk. Therefore, a precise geometric modeling of all anatomical structures of the trunk including the outer surface, the soft tissue and underlying bone structures becomes essential. Modeling the inside of the trunk may be performed using images acquired by magnetic resonance imaging (MRI). This imaging modality is particularly interesting because it provides information on the trunk without any danger for the patient. The quality of MRI data is variable and depends on the acquisition protocol. To keep a reasonable time of acquisition, either the scope of the trunk or the resolution of the data has to be reduced, but this has an impact on the quality of the resulting geometric model. In addition, since the bone structures are not easily identifiable in the MRI data, they are generally obtained with radiographs. Obtaining an accurate model of the trunk therefore involves combining a model of bone structures and a model of soft tissues. Combining those models is complex because MRI are acquired in a laying position and the radiographs are acquired in a standing position. This thesis proposes a new methodology to build a precise and personalised geometric model of the trunk based on MRI data. The new model will be obtained without segmenting the data to avoid any loss of information. This methodology is different of the standard approaches that produce geometric elements linking boundaries segmented in an initial step. The new model will be enhanced with the use of surfacic models of vertebrae to perform an automatic segmentation of the visible vertebra within the MRI dataset. The first phase of our work has focused on the generation of a custom geometric model of the trunk obtained through the adaptation of a 3D mesh. The mesh adaptation process is based on the generation of a Riemannian metric constructed using the grey levels of the MRI data. The metric defines the shape, size and orientation of each mesh element to respect the boundaries of anatomical structures in the data. The validation process was performed in several steps. Firstly, it has been shown, with cardiac MRI, that the process produces meshes respecting the metric. Thereafter, the adaptation process was compared with the one proposed by Goksel et al which also produces meshes without segmenting the data. This comparison was made on an analytical case and a series of real cases. To compare the methods, several meshes with different densities were obtained with each of them. Then, elements were extracted from each of the meshes using the boundary of a reference volume. The sum of the volume of the extracted elements was compared with the reference. Measurements comparing the volumes confirmed that our method produces meshes respecting the boundaries of the structures better, that converges faster and is therefore more accurate for a given number of vertices The second phase focused on the development of a methodology for semi-automatic segmentation of the vertebrae in MRI data. A surface model of bone structures is registered with MRI data volumes to segment vertebrae. To achieve this, a registration based on a mutual information algorithm, known to give good results with multimodal data, was used. To improve the success rate of the algorithm, an initialization phase positions the vertebrae near their estimated final position. The evaluation of the initialization phase shows that the registration algorithm supports a positioning error of 13 mm from its final position to ensure proper registration. This distance is easily attainable. The robustness of the registration algorithm was evaluated with multiple data sets. If MRI data quality is adequate, our method produces good results. A resolution of 3 mm between slices is a good compromise between data quality and acquisition time. In conclusion, the new geometric representation is minimal and preserves the border of anatomical structures in the data. It would be a good candidate to be used for simulations. In addition, the semi-automatic segmentation method of MRI data is robust and produces reliable results. To continue this work, segmentation of the vertebrae could be used to simplify the generation of the mesh. Mesh adaptation may be restricted to segmented areas while using the information of the entire volume, hence limiting information loss. The location of the vertebrae would be known in the adapted mesh, thereby simplifying the registration with the surface model of the bone structures

Segmentation tridimensionnelle des anévrismes de l'aorte abdominale

L'anévrisme de l'aorte abdominale (AAA), traduit par une dilatation anormale des parois de l'artère, est l'une des maladies du système artériel parmi les plus mortelles. Pour traiter cette maladie, deux types de traitements sont possibles: la chirurgie ouverte classique et le traitement endovasculaire. Dans les deux cas, des mesures précises de l'AAA sont nécessaires afin de déterminer le moment ou un traitement est nécessaire, déterminer la forme et la taille de la prothèse à utiliser ainsi que la position précise où elle doit être placée. Toutes ces informations peuvent facilement être accessibles par la création d'un modèle 3D de l'AAA du patient à partir d'images médicales. Pour y arriver, la délimitation, ou la segmentation de l'AAA, doit être réalisée sur chacune des images. Dans ce projet, deux méthodes de segmentation tridimensionnelle ont été mises au point dans le but de délimiter l'AAA à partir des images acquises par tomographie axiale. La première méthode, basée sur l'évolution par courbes de niveaux, repose sur la combinaison de techniques existantes et nouvelles. La seconde méthode, appelée Chav-Troeung, a été spécialement développée dans le cadre de ce projet et repose sur des techniques simples et extrêmement rapides. Ces deux méthodes permettent de segmenter les structures qui composent l'AAA soit la lumière, le thrombus et les calcifications. Les tests de validation ont permis de confirmer la supériorité de la méthode Chav-Troeung, autant pour la précision et la robustesse de la segmentation, que pour sa rapidité. Toutes ces méthodes ont été implantées et testées avec MATLAB

Modélisation de la compliance de l'aorte dans le cas de pathologies de type anévrisme

The Abdominal Aorta Aneurysm (AAA) is a pathology that is defined by a localized and permanent dilation of the artery and which involves over 8.8% of the seniors. Currently, when a patient has a dilatation of the aorta leading to a surgery because of the rupture risk, the therapeutic decision is made depending on the diameter of the aneurysm. To determine this diameter, it is usually conducted an examination by medical imaging (ultrasound, CT, MRI...). However, it notes that the diagnosis can’t be satisfied with a single dimensional measurement face to induced risks: first of all, when the diameter exceed a certain growth, the risk of rupture can reach 50% but more than 5% of surgical procedures may cause the patient's death. Other metrics such as compliance of the artery can be used for the decision for surgery. Compliance corresponds to a precise definition by cardiologists: this is a quantity that characterizes the deformability, describing the ability of aorta to distend under the influence of blood pressure. From our point of view, this concept is insufficient because, generally, in the case of an aneurysm, rupture is highly localized because of the complexity of the shape. It is therefore necessary to extend its definition in a quantity not localized at a section or a specific location but to the whole wall. Diagnostics methods will be more reliable if they can determine localized compliance. From a mechanical standpoint, determining compliance is thus transformed into the measurement of localized parietal elasticity of aorta. The elasticity is not a directly measurable parameter. Therefore, the problem comes down to determining the local strain of the aortic wall in the hemodynamic condition. Solving this problem is complex. Indeed, the mechanical stresses are dependent on the flow of blood, the artery surrounding organs, the material properties of the artery and the geometry of the aneurysm which are specific to each patient. At present, many numerical and experimental works is done but few studies have well correlated medical imaging techniques for the diagnostic aid. It is in this context that are my thesis in collaboration both with the Dijon University Hospital where were performed all experiments using MRI and GMedTech laboratory GMIT (Galway- Mayo Institute of Technology) in Ireland who provided the replicas and their expertise in the cardiovascular area. This work, conducted on various form of phantoms in Vitro, are intended, first to build a metrological methodology to help doctors understand and validate MRI measurements using other devices measurement, on the other hand, to improve the methods of diagnosing the abdominal aortic aneurysm. The principle of this work is to develop experimental modeling in vitro in a metrology framework and correlate the results from different measurement techniques and numerical modeling throughout a cycle reproducing the hemodynamic conditions. To consider the problem as a whole, not only the evolution of deformation representing the elasticity of the aorta should be studied, but also the evolution of soliciting flow. Therefore, in this thesis, several devices such as stereovision, Particle image velocimetry (PIV), MRI kinetic sequence but also the flow 2D and 4D were employed. Various numerical models were established to not only correlate the results with those obtained experimentally, therefore, to improve the credibility of our study, but also to be part of the aid protocol to the diagnosis that we have proposed. In the end, all the results from different experimental and numerical models have led to propose a validated and feasible diagnosis protocol based on MRI sequences. The application of this protocol on a realistic AAA complex phantom showed its feasibility. We can therefore say that the feasibility of the proposed protocol is demonstrated and that based on MRI (…).L’Anévrisme de l’Aorte Abdominale (AAA) est une pathologie qui est définie par une dilatation localisée et permanente de l’artère et qui concerne plus de 8.8% des personnes âgées. Actuellement, lorsqu’un patient présente une dilatation de l’aorte impliquant l’éventualité d’une intervention chirurgicale en raison du risque de rupture, la décision thérapeutique est prise en fonction du rapport des diamètres de l’artère au niveau de l’anévrisme et à proximité de celui-ci. Pour déterminer ces diamètres, il est généralement procédé à un examen par imagerie médicale (Echographie, Tomographie, IRM,..). On constate cependant que le diagnostic ne peut pas se contenter d’une mesure dimensionnelle simple face aux risques induits: d’une part, passé une certaine excroissance, le risque de rupture peut atteindre 50% mais d’autre part plus de 5% des interventions chirurgicales provoquent le décès du patient. D’autres paramètres de mesure comme la compliance de l’artère, peuvent être à la base de la décision d’une intervention chirurgicale. La compliance correspond à une définition précise utilisée par les cardiologues : c’est une grandeur qui permet de caractériser l’aptitude à la déformation, décrivant la capacité de l'aorte à se distendre sous l'influence de la pression sanguine. De notre point de vue cette notion est insuffisante car, généralement, dans le cas d’un anévrisme, la rupture est très localisée du fait de la complexité de la forme de celui-ci. Il est donc nécessaire d’étendre sa définition à une grandeur localisée non pas au niveau d’une section mais à un endroit précis de la paroi. Les moyens de diagnostics seront d’autant plus fiables qu’ils pourront détecter la compliance localisée. De point de vue mécanique, la détermination de la compliance se transforme donc en la mesure de l'élasticité pariétale aortique localisée. L’élasticité n’est pas un paramètre mesurable directement. Donc, la problématique revient à la détermination de la déformation locale de la paroi aortique sous la sollicitation hémodynamique. La résolution de ce problème reste complexe. En effet, les sollicitations mécaniques dépendent de l’écoulement du sang, des organes environnants l’artère, des propriétés matérielles de l’artère et de la géométrie de l’anévrisme qui sont spécifiques à chaque patient. A l’heure actuelle, beaucoup de travaux numériques et expérimentaux sont effectués mais peu d’études ont permis de bien corréler les techniques d’imageries médicales pour l’aide au diagnostic. C’est dans ce contexte que se situent les travaux de ma thèse, réalisée en collaboration, à la fois avec le CHU de Dijon où ont été effectuées toutes les expérimentations à l’aide d’IRM, le laboratoire GMedTech, GMIT (Galway-Mayo Institute of Technology) en Irlande qui nous a fourni les répliques ainsi que leur savoir-faire dans le domaine cardio-vasculaire et le Laboratoire DRIVE situé à Nevers où ont été menées les mesures d’écoulement par PIV. Les travaux, menés sur des fantômes de diverses formes in vitro, ont pour finalité, d’une part, de construire une méthodologie métrologique pour aider les médecins à comprendre et à valider les mesures d’IRM à l’aide d’autres dispositifs de mesure, d’autre part, de permettre d’améliorer les méthodes de diagnostic des pathologies de type d’anévrisme de l’aorte abdominale. Le principe de ces travaux est donc de mettre en place une modélisation expérimentale in Vitro dans un cadre métrologique d’intercomparaison par divers moyens de mesure et de corréler leurs résultats au long d’un cycle reproduisant les conditions hémodynamiques de mesure, mais aussi de confronter ces résultats à de modélisations numériques. Pour prendre en compte le problème dans sa globalité, non seulement l’évolution de la déformation, représentant l’élasticité de l’aorte, a dû être étudiée mais aussi l’évolution du flux sollicitant la paroi (…)

Une approche logicielle du traitement de la dyslexie : étude de modèles et applications

Neuropsychological disorders are widespread and generate real public health problems. In particular in our modern society, where written communication is ubiquitous, dyslexia can be extremely disabling. Nevertheless we can note that the diagnosis and remediation of this pathology are fastidious and lack of standardization. Unfortunately it seems inherent to the clinical characterization of dyslexia by exclusion, to the multitude of different practitioners involved in such treatment and to the lack of objectivity of some existing methods. In this respect, we decided to investigate the possibilities offered by modern computing to overcome these barriers. Indeed we have assumed that the democratization of computer systems and their computing power could make of them a perfect tool to alleviate the difficulties encountered in the treatment of dyslexia. This research has led us to study the techniques software as well as hardware, which can conduct to the development of an inexpensive and scalable system able to attend a beneficial and progressive changing of practices in this pathology field. With this project we put ourselves definitely in an innovative stream serving quality of care and aid provided to people with disabilities. Our work has been identifying different improvement areas that the use of computers enables. Then each of these areas could then be the subject of extensive research, modeling and prototype developments. We also considered the methodology for designing this kind of system as a whole. In particular our thoughts and these accomplishments have allowed us to define a software framework suitable for implementing a software platform that we called the PAMMA. This platform should theoretically have access to all the tools required for the flexible and efficient development of medical applications integrating business processes. In this way it is expected that this system allows the development of applications for caring dyslexic patients thus leading to a faster and more accurate diagnosis and a more appropriate and effective remediation. Of our innovation efforts emerge encouraging perspectives. However such initiatives can only be achieved within multidisciplinary collaborations with many functional, technical and financial means. Creating such a consortium seems to be the next required step to get a funding necessary for realizing a first functional prototype of the PAMMA, as well as its first applications. Some clinical studies may be conducted to prove undoubtedly the effectiveness of such an approach for treating dyslexia and eventually other neuropsychological disorders.Les troubles neuropsychologiques sont très répandus et posent de réels problèmes de santé publique. En particulier, dans notre société moderne où la communication écrite est omniprésente, la dyslexie peut s’avérer excessivement handicapante. On remarque néanmoins que le diagnostic et la remédiation de cette pathologie restent délicats et manquent d’uniformisation. Ceci semble malheureusement inhérent à la caractérisation clinique par exclusion de la dyslexie, à la multitude de praticiens différents impliqués dans une telle prise en charge ainsi qu’au manque d’objectivité de certaines méthodes existantes. A ce titre, nous avons décidé d’investiguer les possibilités offertes par l’informatique actuelle pour surmonter ces barrières. Effectivement, nous avons supposé que la démocratisation des systèmes informatiques et leur puissance de calcul pourraient en faire un outil de choix pour pallier les difficultés rencontrées lors de la prise en charge de la dyslexie. Cette recherche nous a ainsi mené à étudier les techniques, aussi bien logicielles que matérielles, pouvant conduire au développement d’un système bon marché et évolutif qui serait capable d’assister un changement bénéfique et progressif des pratiques qui entourent cette pathologie. Avec ce projet, nous nous plaçons définitivement dans un courant innovant au service de la qualité des soins et des aides apportées aux personnes souffrant d’un handicap. Notre travail a ainsi consisté à identifier différents axes d’amélioration que l’utilisation de l’outil informatique rend possible. Chacun de ces axes a alors pu faire l’objet de recherches exhaustives, de modélisations et de développements de prototypes. Nous avons également réfléchi à la méthodologie à mettre en œuvre pour concevoir un tel système dans sa globalité. En particulier, nos réflexions et ces différents accomplissements nous ont permis de définir un framework logiciel propice à l’implémentation d’une plate-forme logicielle que nous avons appelée la PAMMA. Cette plate-forme devrait théoriquement pouvoir disposer de tous les outils permettant le développement souple et efficace d’applications médicales intégrant des processus métiers. Il est ainsi attendu de ce système qu’il permette le développement d’applications, pour la prise en charges des patients dyslexiques, conduisant à un diagnostic plus rapide et plus précis ainsi qu’à une remédiation plus adaptée et plus efficace. De notre effort d’innovation ressortent des perspectives encourageantes. Cependant, ce type d’initiative ne peut se concrétiser qu’autour de collaborations pluridisciplinaires disposant de nombreux moyens fonctionnels, techniques et financiers. La constitution d’un tel consortium semble donc être la prochaine étape nécessaire à l’obtention des financements pour réaliser un premier prototype fonctionnel de la PAMMA, ainsi que de premières applications. Des études cliniques pourront être alors menées pour prouver indubitablement l’efficacité d’une telle approche dans le cadre de la prise en charge de la dyslexie, ainsi qu’éventuellement d’autres troubles neuropsychologiques

Développement d’outils de vectorisation d’angiographies obtenues par microscopie 2-photons dans le contexte du vieillissement du cerveau

RÉSUMÉ Les pathologies affectant les petits vaisseaux de la neurovasculature sont-elles à l’origine des effets cognitifs qui apparaissent au cours du vieillissement? Pour répondre à cette question, il faut d’abord posséder des outils permettant d’extraire la microvasculature du néocortex à partir d’angiographies acquises par microscopie à fluorescence deux-photons. Une meilleure compréhension de l’évolution de la microvasculature du cerveau avec l’âge et de l’effet de ces modifications sur les fonctions des aires corticales constitue en effet une étape essentielle vers la mise en place de nouveaux biomarqueurs du vieillissement du cerveau. Des modèles réalistes de la vasculature du cerveau peuvent servir de base à des modélisations du débit sanguin et à la simulation de signal IRM. En utilisant des vasculatures vectorisées, de nouvelles voies de recherche pourront donc être explorées, dont l’effet de différents types de pathologies des petits vaisseaux sur le signal IRM dépendant du niveau d’oxygène sanguin (BOLD). L’objectif de ce projet de recherche est donc le développement d’une méthode de segmentation des vaisseaux sanguins et d’un outil d’interaction permettant de corriger et de modifier le réseau vasculaire extrait. Ces outils sont utilisés pour comparer la microvasculature du néocortex de rats provenant de deux cohortes d’âges différents formés de 12 jeunes rats (âge = 11-15 semaines) et 12 rats âgés (âge = 23-25 mois) de type Long-Evans. Ces méthodes ont été développées en utilisant principalement la plateforme de programmation MATLAB, le module de gestion de pipeline de traitement PSOM et l’outil de traitement d’image FIJI. La méthode est semi-automatique, nécessitant une correction manuelle des graphes extraits des angiographies après la segmentation. L’approche modulable adoptée permet l’ajout de nouvelles fonctions et de nouveaux outils, ce qui pourra améliorer sa robustesse et l’automatisation de l’extraction des vaisseaux sanguins. En analysant les masques des vasculatures issus du prétraitement des données, il a été montré que la densité des capillaires dans le néocortex sensorimoteur de rats Long-Evans diminue avec l’âge, en passant de pour les jeunes rats à pour les rats âgés, ce qui représente une baisse statistiquement significative de 20 %. Une analyse utilisant les graphes nettoyés semble également aller dans ce sens en montrant que la densité linéaire des vaisseaux décroît au cours du vieillissement. Cette mesure est liée aux capacités de perfusion de la vasculature, et pourrait indiquer que l’efficacité d’apport en nutriment et en oxygène décroît dans le néocortex sensorimoteur de rats au cours du vieillissement.----------ABSTRACT Are the conditions affecting the small vessels of the neurovasculature the cause of cognitive impairments that appear with aging? To answer this question, we must have tools to extract the neocortex microvasculature from angiograms acquired by two-photon fluorescence microscopy. A better understanding of the brain microvasculature evolution with age and the effect of those changes on the cortical areas functions is indeed an essential step towards the development of new biomarkers of brain aging. Realistic models of the brain vasculature can be used as a basis of blood flow modeling and to simulate MRI signal originating from these vessels. Using vectorized vasculatures, new research avenues can be explored, including the effect of different types of small vessels diseases on blood oxygen level-dependent (BOLD) MRI signal. The main objective of this research project is the development of a blood vessel segmentation method and of an interface to correct and modify the extracted vascular networks. These tools are used to compare the neocortex microvasculature of rats from two different age cohorts. These cohorts consist of 12 young (age = 11-15 weeks) and 12 old Long-Evans rats (age = 23-25 months). The tools have been developed using the MATLAB programming platform, the pipeline processing module PSOM and the image processing tool FIJI. The method is semi-automatic, requiring manual correction of the extracted angiogram graphs after segmentation. The modular approach allows the addition of new features and tools, which can improve the robustness and automation of the blood vessels extraction technique. By analyzing the vasculature masks obtained by the initial data preprocessing, it is found that the density of capillaries in the sensorimotor neocortex of Long-Evans rats decreases with age, from ρ = 6.8 ± 0.3 [%] in young rats to ρ = 5.4 ± 0.3 [%] in aged rats, which represents a statistically significant decrease of 20%. An analysis using the cleaned graphs also seems to go in this direction by showing that the linear density of vessels decreases with aging. This density is linked to the perfusion capacity of the vasculature, and may indicate that the efficiency of nutrient and oxygen distribution decreases with aging in rat’s sensorimotor neocortex

Modèles déformables pour la segmentation et la modélisation d'images médicales 3D et 4D

In this thesis, we are interested in using deformable surface models for 3D and 4D image segmentation. Our contribution is twofold. First, we have constrained the class of model deformation to improve the segmentation robustness to noise and outliers. We have used the simplex mesh representation to define local regularizing constraints. We have developped an evolutive deformation process combining a global transformation with few degrees of freedom and a local deformation field. It allows to control the amount of admissible deformation of a deformable model in a simple and efficient manner. We have also introduced an a priori knowledge on the data by using shape constrained deformations. This makes the 3D reconstruction process more robust especially in area where image data are noisy or lacking. In addition to studying the theoritical convergence of the deformation scheme, we have developed algorithms allowing automatic topological changes comparable to the level-set method. Second, we have investigated different strategies for computing the external force for various 3D image types. We have studied different medical image geometries on which a deformable model can be deformed. For instance, we have defined region based and intensity-profile based external forces for monomodal segmentation and multimodal image registration. Finally, we have extended the framework of deformable modelling to include time serie of images (4D images) for the segmentation of 2D and 3D cardiac image sequences. The introduction of time continuity allows to introduce new constraints in the deformation process. We illustrate our method results by segmenting heart images or image sequences acquired using different imaging modalities.Dans cette thèse, nous nous intéressons à l'utilisation des modèles déformables surfaciques pour la segmentation d'images 3D et 4D. Dans un premier temps, nous nous sommes attachés à contraindre l'espace des déformations admissibles du modèle afin de rendre le processus de déformation plus fiable. Nous avons utilisé le formalisme des maillages simplexes pour exprimer des contraintes régularisantes de la surface. Nous avons développé un processus évolutif de déformation combinant une transformation globale ayant peu de degrés de liberté et un champ de déformations locales. Il permet de contrôler le nombre de degrés de liberté offerts au modèle surfacique de manière simple et efficace. Nous avons également cherché à enrichir la connaissance a priori des données apportée par le modèle. Nous utilisons des contraintes de forme pour faciliter la segmentation des structures à reconstruire, notamment dans les zones où les données de l'image sont bruitées ou lacunaires. Nous nous sommes également intéressés à la convergence formelle du processus de déformation. Nous avons développé un algorithme de changement de topologie des modèles discrets que nous avons comparé à l'approche par ensembles de niveaux. Dans un deuxième temps, nous nous sommes intéressés à la définition du terme d'attache aux données pour différents types d'images 3D. Nous avons envisagé plusieurs géométries rencontrées dans les images médicales. Nous avons étudié l'apport d'une information sur les régions ou sur la distribution des niveaux de gris de l'image pour la déformation ou le recalage multimodal d'un modèle. Finalement, nous nous sommes intéressés à la segmentation de séquences temporelles d'images cardiaques 2D ou 3D. La prise en compte de l'information temporelle permet d'introduire de nouvelles contraintes de déformations. Nous avons mis nos méthodes en pratique avec la segmentation d'images ou des séquences d'images cardiaques provenant de différentes modalités d'acquisition