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Submitted on 2 Nov 2012
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cérébrales en IRM foetale
Benoît Caldairou
To cite this version:
Benoît Caldairou. Contributions à la segmentation des structures cérébrales en IRM foetale.
Traitement du signal et de l’image [eess.SP]. Université de Strasbourg, 2012. Français. �NNT : 2012STRAD015�. �tel-00747860�
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Que dire au bout de es années, à part que e travail n'aurait pas vu le jour sans le
soutien de nombreuses personnes. Chaune à sa façona ontribué à ette élaboration, que
e soit diretement ouindiretement.
Tout d'abord, je tiens àmarquer magrandereonnaissane pour mes deux enadrants :
MM.NiolasPassatetFrançoisRousseau.Leursremarques,leur(grande)disponibilité(leur
persévérane aussi) m'auront permis de omprendre que la prise de reul est un élément
essentiel de la vie du herheur.
Je remerie également M. Christian Heinrihqui a dirigé mathèse et dont les interven-
tions ont toujours été bénéques par le reulqu'il avait par rapportaux événements.
Je remerie lesmembres du jury, M. Olivier Haeberlé pour sa partiipationet le plaisir
qu'il m'a fait en présidant e jury, ainsi que MM. Christian Daul et Laurent Najman qui
m'ontfait l'honneur de rapporter es travaux.
Je remerie également les membres de l'équipe MIV du LSIIT, en partiulier le groupe
de jeunes (et moins jeunes) herheurs qui la ompose. Meri à Alex, Benoît, Etienne, Syl-
vain, Vinent, Vinent et Yann pour les permanents, à Akram, Alban, Antoine, Bessem,
Fatma, Félix, François,Giorgos,Hervé,Julien, Loï, Mar, Stan, Stéphanie,Swati pour les
dotorantset/ou ingénieurspour lesdiérentes disussions, sientiques ounon,quee soit
sur un oin de table, autourd'un verre ou d'un repas.
Il faut également soulignerlerle des prohes et amis.Certaines personnes, pour lerle
importantqu'elles ontjoué sur e plan auquotidien àStrasbourg, méritentd'être mises en
lumière.
Une énormereonnaissane va àAlie, lameilleureo-bureau du monde (sisi), toujours
présente quee soiten as de baissede moral oupour explorerles subtilitésde TLMVPSP.
Saprésene auquotidienestrois dernières annéesaété un élémentmentalimportantpour
lapoursuitede e travail.
Énormereonnaissane aussiàClaire,pourlesdisussionsàn'enplus nirsur lesens de
lavie(vastesujet),sur lamétaphysiquedes relationshumaines(peutêtreenoreplusvaste)
et j'enpasse. Une aide préieuse que letemps m'a permis d'appréier àsa juste valeur.
Même hose à Delphine, pour lesvirées en Allemagne, la déouverte du golf etévidem-
mentle soutien onstant auours de es annéesde thèse. Je n'ai ertes pas persévéré dans
le golf,mais 'était pour mieux m'investir dans autre hose.
Un grand meri également à Farouk, dont la perpétuelle bonne humeur et la grande
apaitéd'éoute auront étéégalementunbonusimportant.Lesdiérentsvoyages (ertains
parfois assez loin) déidés à la dernière minute seront autant de moments inoubliables de
es années strasbourgeoises.
Des non-strasbougeois méritent également de gurer dans ette partie. Un grand meri
à Daphné, qui me onnaît depuis si longtemps et dont le regard extérieur a toujours été
autant aéré que juste. Un grand meri également à Baptiste, les disussions sur la thèse,
lemonitorat,lesomparaisonsentre lesmodesde fontionnementde nos universitésrespe-
tives, ainsi que d'autres hoses, auront alimenté bien des disussions téléphoniques ou en
tête-à-tête lesrares fois où nous avons eu l'oasionde nous roisé.
Franklin, Félix, Céile,Alfonso, Xavier, Didier,Aurélie, Claire, Claudia,Philippe,Cosimo,
Niolas, Hoda, Jean-Charles,Maria,Guido, Frini,Nadia, Virginia,Thibault, Theo,Valen-
tina,Gabriel,Marien,Karim,Kevin,Caroleetenored'autresquij'espèrenem'envoudront
pas sije lesaioubliés.Meri àtous pour lesmomentspassésensemblees dernièresannées.
Une plae à part pour Rik et Erwin, véritables éveilleurs musiaux, qui m'ont appris
que faire briller les autres est également une façon de se faire briller soi-même et qu'il ne
fallait pas avoirpeur du silene.
Je tiens également à remerier tout partiulièrement ma famille qui a toujours ru en
mes possibilités et m'a toujours enouragé à aller de l'avant. Bien plus qu'un soutien, ils
m'ont oertquelque hose de plus préieux : un refuge.
Enn,lastbutnot least, jeremerie égalementPrudenepourlehemin quenousavons
parouru ensemble, son soutienlorsde larédation du manusrit, son humanité,lesdisus-
sions à n'en plus nir qui m'ont ouvert les yeux sur d'autres sujets et la route qui s'ouvre
devant nous.
Introdution générale 1
Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Objetifs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Contributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Organisation du manusrit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1 Imagerie et anatomie érébrales 5 1.1 Imageriepar résonane magnétique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 Prinipe de la résonane magnétique nuléaire . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Formationdes images etontrastes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2.1 Cas général . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2.2 Cas spéique des f÷tus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3 Caratéristiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.1.3.1 Bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3.2 Biais en intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.3.3 Volumepartiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3.4 Artéfats de mouvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3.5 Corretion des artéfats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Anatomieet maturationérébrales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Lesdiérents tissus érébraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 Maturation érébrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2.1 Développementdu système nerveux. . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.2.2 Évolution du ortex érébral . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2.3 Observation du ortex grâeà l'IRM . . . . . . . . . . . . . 16
1.3 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Segmentation des tissus érébraux en IRM : état de l'art 19 2.1 Diérentes famillesde segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.1 Modèles déformables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.1.2 Approhes struturelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.1.3 Classiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3.1 Méthodes non paramétriques . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.1.3.2 Méthode bayésienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3.3 K-moyennes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Tehniques spéiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 Utilisationde latopologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.2 Utilisationd'atlas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2.3 Prise en ompte du biais en intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.3 Utilisationdes C-moyennes oues en segmentation des tissus érébraux . . . 30
2.3.1 Dénitiondes C-moyennes oues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Dénition de la distane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.2.1 Projetion dans un espae de dimension supérieure . . . . . 33
2.3.2.2 Distane de Mahalanobis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.2.3 Autres méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.3 Prise en omptedu biais en intensité . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.3.4 Prise en omptedu bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3.4.1 Terme de régularisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.4.2 Aélération du proessus de segmentation . . . . . . . . . . 37
2.3.4.3 Pondération entre attahe auxdonnées etrégularisation . . 38
2.4 Segmentation érébrale pré et post-natale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.1 Cas post-natal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.4.2 Cas prénatal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.5 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3 Contribution à l'algorithme des C-moyennes oues 47 3.1 L'approhe non-loale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.1 Dénition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.2 Interprétationdes moyennes non-loales . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.3 Limites de l'approhe non-loale etinuene de ses paramètres . . . . 50
3.1.4 Usage des moyennesnon-loales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.2 C-moyennes oues non-loales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.1 Terme d'attahe aux données . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.2.2 Terme de régularisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
3.2.3 Algorithmenon-loalomplet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 Validations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3.1 BrainWeb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.1.1 Évaluation du terme d'attahe aux données . . . . . . . . . 59
3.3.1.2 Évaluation du terme de régularisation . . . . . . . . . . . . 61
3.3.1.3 Assoiation des termes d'attahe aux données et de régula- risation non-loaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.3.2 IBSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4 Segmentation d'IRM f÷tales in vivo 71 4.1 Méthodologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1.1 Motivations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1.1.1 Problèmeposé par les données . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.1.1.2 Quelle méthodologie? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.1.1.3 Proessus de segmentation proposé . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.2 K-moyennestopologiques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.3 Proessus de segmentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.3.1 Extration du liquide éphalo-rahidien. . . . . . . . . . . . 79
4.1.3.2 Extration du ortex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2.1 Images non reonstruites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.1.1 Caratéristiques et paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2.1.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2 Images haute résolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.2.1 Caratéristiques et paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.2.2 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.2.3 Images reonstruitespar super-résolution . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.3.1 Analyse des résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.2.3.2 Apparitiondes sillons ortiaux auours du temps . . . . . 92
4.3 Conlusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Conlusions et perspetives 95 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Verrous etperspetives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
C-moyennes oues non-loales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Segmentationdes imagesIRM f÷tales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
A Liste des publiations assoiées à la thèse 99 A.1 Publiation dans un journal international à omitéde leture . . . . . . . . . 99
A.2 Publiations dans des ates de onférenes internationalesà omitéde leture 99 B Présentation du projet ERC FBrain (2008-2013) 101 B.1 Résumédu projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
B.2 Partiipants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Bibliographie 103
