8.3 L’IRM de diffusion dans l’étude des pathologies cérébrales
9.1.1 Traitement des données anatomiques pondérées en T1
9.2 Sélection des fibres . . . 184
9.2.1 Fibres intersectant un noyau . . . 185 9.2.2 Fibres reliant deux ou plusieurs noyaux . . . 186 9.2.3 Fibres reliant les noyaux au cortex . . . 189 9.2.4 Fibres entre noyaux et régions corticales spécifiques. . . 190
9.3 Cartes surfacique de connectivité corticale . . . 191
9.3.1 Connectivité entre les noyaux et le cortex entier . . . 191 9.3.2 Connectivité entre noyaux et régions corticales . . . 194
9.4 Cartes volumiques de densité de connexion . . . 195
9.4.1 Densité des connexions des noyaux. . . 196 9.4.2 Densité des connexions reliant deux noyaux . . . 196 9.4.3 Densité des connexions entre noyaux et cortex . . . 197 9.4.4 Densité des connexionx entre noyaux et régions corticales . . 198
9.5 Proportion de territoires fonctionnels . . . 199
9.5.1 Sous-territoires des noyaux connectés au cortex . . . 199 9.5.2 Sous-territoires des noyaux connectés aux autres noyaux. . . 201
V
UE GLOBALEL’objectif principal de ce travail de thèse étant l’étude de la connectivité anatomique des noyaux gris centraux, nous avons du développer un certain nombre d’outils d’ana- lyse des données d’IRM anatomique T1 et de diffusion afin d’extraire cette informa-
tion. Nous avons en particulier attaché une grande importance à la pertinence anato- mique des résultats délivrés, et nous avons injecté des a priori anatomiques lorsque cela était nécessaire. Nous avons donc développé un premier outil qui permet d’ex- traire les fibres reliant les noyaux gris centraux entre eux et au cortex cérébral. Puis nous avons mis en place un second outil qui permet la projection de l’information de connectivité entre les noyaux et le cortex, directement à la surface corticale (cartes surfaciques de connectivité des noyaux) et un troisième outil qui permet la construc- tion de cartes volumiques de densité des connexions d’un noyau à n’importe quelle région cérébrale. Nous détaillons dans ce chapitre ces outils en soulignant leur origi- nalité par rapport aux outils déjà à disposition de la communauté et en illustrant les résultats qu’ils permettent d’obtenir sur un sujet test. Ces outils constituent les pi- liers de la chaîne de traitement qui sera mise en place dans l’étude des modifications putatives de la connectivité dans le cas de la maladie de Huntington et du syndrome Gilles de la Tourette abordés aux cours des chapitres10et11.
Mots clés : noyaux gris, IRM de diffusion, connectivité anatomique, tractographie,
cortex
Organisation de ce chapitre :
Ce chapitre est organisé comme suit. Après avoir détaillé tous les prétraitements à appliquer aux données pour étudier la connectivité des noyaux gris centraux au cours de la section 9.1, la section 9.2 sera dévolue à la présentation des méthodes de sélection des fibres en tenant compte des boucles cortico-sous-cortico-corticales. Ces fibres sélectionnées sont utilisées par la suite dans les sections 9.3 et 9.4 pour construire des cartes de connectivité corticale ainsi que des cartes volumiques de densité de connexions. Enfin, dans la section 9.5, nous montrons comment ces cartes peuvent être utilisées pour déterminer la proportion de chaque territoire fonctionnel au sein des noyaux gris centraux.
9.1
P
RÉTRAITEMENTS DES DONNÉESLes outils que nous avons développés dans le cadre de cette thèse sont dé- diés à l’étude de la connectivité anatomique des noyaux gris centraux. L’utilisation de ces outils nécessite cependant d’avoir au préalable pré-traité les données T1 avec
la suite logicielle BrainVISA et les données de diffusion avec l’outil Connectomist-2. L’extraction de la surface corticale est quant à elle réalisée à l’aide du logiciel Free- surfer déjà introduit précédemment. Nous présenterons dans cette section une vue
globale de toutes les étapes de traitement de données à effectuer avant de pouvoir utiliser les outils que nous avons proposés dans le cadre de cette thèse (voir figure
9.1). Les résultats de chaque étape seront illustrés pour un sujet test extrait de la base de données acquise au sein du centre NeuroSpin dans le cadre du projet Archi visant à étudier l’architecture du cerveau.
(c)
(a)
(b)
T1 DW recalage recalage B0 de susceptibilit´e traitement T1 de Freesurfercoupes aberrantes de phase
format Freesurfer dans BrainVISA
traitement T1 de BrainVISA
et des courants de Foucault Segmentation des
noyaux gris centraux et des ventricules
Mod´elisation locale du processus de diffusion
Tractographie Tractographie
+ parcellisation centraux le cerveau entier
Chaˆıne de Correction des D´epliement Correction des art´efacts
Conversion du Chaˆıne de
Correction du mouvement
Masque de
Surface corticale Noyaux gris Tractogramme calcul´e sur
FIG. 9.1: Vue globle des étapes de traitement des données. (a) données d’entrée, (b) étapes de pré-
traitement, (c) données de sortie utilisées pour inférer la connectivité anatomique des noyaux gris.
9.1.1 Traitement des données anatomiques pondérées en T1
Les données anatomiques pondérées en T1 sont traitées essentiellement avec la
suite logicielle BrainVISA mais la suite logicielle Freesurfer est également employée pour extraire les maillages de la surface corticale parce qu’elle fournit la possibilité de mettre l’ensemble des interfaces correspondant aux différents sujets d’une base en correspondance, comme expliqué au cours du chapitre8.
Chaîne de traitement des données T1 implantée dans BrainVISA
La première étape dans les traitements des données T1 consiste à appliquer la
chaîne de traitement de données T1 de BrainVISA. Cette chaîne repose sur l’analyse
robuste de l’histogramme du volume T1 et sur un ensemble d’outils de morphologie
mathématique et permet d’obtenir de manière robuste un masque du cerveau, une analyse de l’histogramme, un squelette des sillons et une segmentation de la surface corticale. Cette surface corticale peut être utilisée pour inférer la connectivité cor- ticale. Dans le cas d’études de groupe cette surface sera remplacée par une surface corticale provenant de la suite logicielle Freesurfer.
Segmentation des structures profondes
Le masque du cerveau ainsi que l’analyse de l’histogramme obtenus grâce à la chaîne de traitement de données T1 de BrainVISA sont utilisés pour segmenter les
ventricules et les noyaux gris avec les méthodes décrites dans les chapitres6et7res- pectivement. Les masques des noyaux serviront ensuite à l’étude de leur connectivité anatomique.
Masque de tractographie
Les masques des noyaux gris et des ventricules ainsi que les masques du cerveau et du squelette des sillons obtenus avec la suite logicielle BrainVISA sont utilisés pour calculer un masque de tractographie [Guevara et al.,2011a]. Ce masque se dis- tingue des masques classiques, obtenus à partir d’un simple seuillage de cartes de FA, par le fait qu’il repose sur une définition purement structurelle. En effet, les masques binaires obtenus à partir d’un simple seuillage de la carte de FA restent grossiers et omettent systématiquement certaines structures anatomiques qui font pourtant partie du cerveau (fornix, régions de forts croisement dans la substance blanche, cer- taines régions présentant une diminution de la valeur de FA due à une pathologie, etc...). De plus, le seuil à choisir dépend fortement des paramètres d’acquisition et du système IRM utilisé, ce qui rend la technique peu automatisable. L’utilisation des différents masques binaires du cerveau, des noyaux gris centraux et des ventricules, obtenus à partir des données anatomiques T1 de bien meilleure résolution permet
d’obtenir un masque recouvrant bien plus fidèlement substance grise et substance blanche et excluant les ventricules. De plus, le squelette homotopique des sillons est retranché afin d’éviter toute connexion entre des gyri voisins par effet de volume par- tiel.
Chaîne de traitement des données T1 implantée dans Freesurfer
La suite logicielle Freesurfer a été utilisée uniquement dans le cas d’études nécessitant des comparaisons entre différents sujets. Dans les cas individuels,
l’utilisation de la suite logicielle BrainVISA pour le calcul de la surface corticale a été privilégiée pour sa rapidité d’exécution (quelques minutes contre 24h pour Freesurfer). La suite logicielle Freesurfer fournit, pour chaque sujet, un maillage de la surface corticale ainsi qu’un étiquetage de cette surface en gyri.
La figure9.2 résume les résultats principaux obtenus à la fin du traitement des données T1. Les résultats intermédiaires n’ont pas été pris en compte dans la figure.
(b)
(a) (c)
(d) (e) (f)
FIG. 9.2: Résultats obtenus à la fin du traitement des données T1. (a,b) maillages de la surface
corticale et de l’interface gris/blanc obtenus avec la suite logicielle BrainVISA, (c) segmenta- tion des noyaux gris centraux, (d,e) maillage de la surface corticale et de l’interface gris/blanc ainsi que la parcellisation en gyri obtenus avec la suite logicielle Freesurfer, (f) masque de tractographie obtenu avec la toolbox BrainVISA/Connectomist-2.0.