Anatomie corticale et IRM

La geometriedu cortex est rendue tres complexepar la presence des sillons et des circonvolutions corticales. Il existe de nombreux sillons qui se dieren- cient a la fois par leur localisation, leur forme, leur longueur et leur profon- deur. Certains sillons ne font que quelques centimetres et sont peu profonds alors que les plus grands entrent profondement dans le cerveau et sont utili- ses pour determiner la frontiere des lobes cerebraux. De plus, de nombreux sillons s'entrecroisent, ce qui rend dicile et parfois ambigue l'identication des limites de certains d'entre eux. D'autre part, la diculte s'accro^t si l'on considere plusieurs cerveaux car les sillons presentent une grande variation inter-individuelle. On distingue trois types de sillons [KAHL-90]: les sillons primaires, secondaires et tertiaires. Les sillons primaires, comme par exemple le sillon central ou le sillon calcarin, existent de la m^eme facon dans tous les cerveaux, les sillons secondaires sont plus variables et les sillons tertiaires n'obeissent a aucune sorte de systemisation; les dierences inter-individuelles sont donc a la fois spatiales et structurelles. Non seulement la position d'un m^eme sillon dans deux cerveaux dierents peut varier de plusieurs centi- metres [TALA-67, STEI-89, STEI-90], mais en plus les sillons peuvent, d'un individu a l'autre, s'entrecroiser dieremment, se confondre les uns dans les autres, et m^eme appara^tre ou dispara^tre.

On pourrait croire que la complexite geometrique et la variabilite du cortex s'accompagnent d'une topologie elle aussi complexe et variable d'un cerveau a l'autre; il n'en est rien. En eet, au cours de l'evolution du ftus, le tube neural va se developper en conservant sa topologie initiale (gure 2.2).

1: En imagerie par resonance magnetique, on distingue principalement deux cortex ap- partenant a des structures cerebrales dierentes : le neocortex situe dans les hemispheres et le cortex cerebelleux localise dans le cervelet.

2.2 Segmentation du cortex dans une image IRM Il appara^t donc que le cerveau a la m^eme topologie qu'une boule (c'est-a- dire une sphere pleine) et que la topologie du cortex, qui est a la surface du cerveau, est spherique. La simplicite et la stabilite de la topologie corticale sont des atouts pour la construction d'un modele du cortex; ils sont donc, comme nous le verrons dans la section 2.2.3, souvent utilises commea priori

pour segmenter le cortex.

Fig. 2.2 { Developpement de l'encephale (d'apres [KAHL-90], modie).

Les dicultes issues de l'anatomie cerebrale ne sont pas les seules aux- quelles il faut faire face quand on considere le cortex dans des images IRM.

Segmentation du cortex dans les IRM

En eet, les proprietes d'acquisition des images IRM font appara^tre de nou- veaux problemes.

Nous avons vu que le cerveau pouvait ^etre divise en ce que nous appel- lerons trois grandes structures cerebrales: les hemispheres, le cervelet et le tronc cerebral. Le cortex qui nous interesse ne se situe que dans les hemi- spheres, il est donc necessaire d'isoler les hemispheresdes deux autres grandes structures pour travailler sur le cortex. Or, si la segmentation de l'ensemble du cerveau a partir d'IRM est bien abordee dans la litterature [ALLA-93, KAPU-96, GERA-98, MANG-98], la segmentation des dierentes grandes structures est peu couverte [MACD-94, WELT-95, GOUA-99, POUP-99]. Nous presentons dans la partie III une methode pour segmenter les trois grandes structures cerebrales.

Le cerveau est en grande partie compose de substance blanche et de sub- stance grise. La substance grise represente une accumulation de cellules ner- veuses; la substance blanche est formee des bres de conduction, c'est-a- dire des prolongements des cellules nerveuses [KAHL-90]. La substance grise correspond aux cortex et aux noyaux gris qui sont entoures de substance blanche. Plusieurs structures apparaissent donc dans l'image avec des inten- sites comparables a celle du cortex. La presence de ces structures, plus ou moins contrastees dans l'image, ainsi que le bruit et le volume partiel rendent dicile l'etude de la radiometrie globale du cortex a partir de l'histogramme de l'image.

La resolution des IRM joue un r^ole important dans l'aspect du cortex au sein des images. Cette resolution (qui est actuellement de l'ordre du milli- metre) donne la taille minimale des structures qui pourront appara^tre dans l'image. Les petites structures n'apparaissent donc que partiellement ou pas du tout. De plus, les interfaces entre les structures sont deformees car chaque voxel represente l'ensemble des tissus se trouvant dans un cube de 1 mil- limetre d'ar^ete. Si plusieurs tissus se trouvent dans le cube, la couleur du voxel correspondra a une sorte de moyennage des valeurs de chaque tissu. Ce phenomene, appele volume partiel, tend a adoucir ou a faire dispara^tre les frontieres entre les tissus.

Les circonvolutions corticales sont particulierement sensibles aux eets de volume partiel, surtout dans les sillons quand l'intervalle entre deux gyri devient tres n (gure 2.3). Il est donc necessaire, si l'on s'interesse aux struc- tures profondes du cortex, d'avoir un modele cortical adapte a ces structures tres nes, d'autant plus que le cortex ne fait que quelques millimetres d'epais- seur ce qui ne represente que deux ou trois voxels dans l'image. De plus, en faisant dispara^tre par endroit la surface du cortex, le volume partiel modie en apparence la topologie du ruban cortical.

2.2 Segmentation du cortex dans une image IRM (b) (a) matière blanche cortex surface du cortex

Fig. 2.3 { Le volume partiel des images IRM peut masquer la surface corti- cale. (a) Schema du detail d'une coupe du cerveau. (b) Schema de la surface corticale externe (interface avec le LCR) dont une partie n'est pas visible en (a).