Établissement et validation d'un atlas anatomique informatisé du cortex cérébral humain étudié in vivo sur représentation déplissée, Computer-based anatomical atlas of the human cerebral cortex studied in vivo on the inflated cortical surface

De
Publié par

Sous la direction de Leandre Pourcelot
Thèse soutenue le 12 novembre 2009: Tours
Dans une 1ère partie, nous présentons l’évolution des méthodes utilisées pour décrire l’anatomie corticale, et lui appliquer des systèmes de coordonnées. Dans une 2ème partie, nous commentons la méthode de parcellisation automatique du cortex cérébral humain que nous avons publiée, en la replaçant au sein d’autres techniques disponibles. Elle utilise une approche bayesienne pour produire une parcellisation prenant en compte une base de donnée constituée de 12 cerveaux, mais aussi les caractéristiques de la surface corticale et la localisation des classes anatomiques voisines. Enfin, dans une 3ème partie, nous commentons les règles qui ont prévalu à l’établissement d’une parcellisation surfacique sulco-gyrale originale. Cette parcellisation en 74 classes anatomiques par hémisphère est utilisable par la méthode de parcellisation automatique tout en restant proche des conventions usuelles de la communauté de neuroimagerie. Elle nous permet de proposer un certain nombre d’améliorations de la Terminologia Anatomica. Le logiciel et la base de données sont disponibles avec le paquet FreeSurfer sur http : //surfer.nmr.mgh.harvard.edu/
-Anatomie
-Imagerie par résonance magnétique (IRM)
-Cerveau
-Imagerie
-Cortex cérébral
We first present different methods used to describe the anatomy of the human cerebral cortex, and various coordinates systems. Then we comment the method we published for a fully automated parcellation of the cortical surface. It is described among various other techniques developed for the same purpose. Our method uses a bayesian approach to include several pieces of information in the labeling process : manual parcellation of 12 cortical surfaces, but also shape of the surface and anatomical classes of neighboring vertices. Finally, we comment the anatomical rules we proposed to parcellate the cortical surface in 74 anatomical classes per hemisphere. This parcellation can be used by the automated method we published, but also remains close enough to the anatomical conventions used in the neuroimaging field. We propose several improvements of the Terminologia Anatomica The software and the database are available and included in the FreeSurfer package (http : //surfer.nmr.mgh.harvard.edu/).
Source: http://www.theses.fr/2009TOUR3123/document
Publié le : dimanche 30 octobre 2011
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UNIVERSITÉ FRANÇOIS - RABELAIS
DE TOURS


ÉCOLE DOCTORALE SST
Unité « Imagerie et Cerveau »,
UMRS INSERM 930, CNRS ERL 3106, Université François Rabelais de Tours

THÈSE présentée par :
Christophe DESTRIEUX

soutenue le : 12 novembre 2009


pour obtenir le grade de : Docteur de l’Université François - Rabelais
Discipline/ Spécialité : Cognition, comportement, développement

Établissement et validation d’un atlas anatomique
informatisé du cortex cérébral humain étudié in vivo sur
représentation déplissée.

THÈSE dirigée par :
Monsieur POURCELOT Léandre Professeur, Université François - Rabelais, Tours

RAPPORTEURS :
Monsieur BRAUN Marc Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
Monsieur DE MARCO Giovanni Professeur, Université Paris X Nanterre, Nanterre
Madame HADJIKHANI Nouchine Professeur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Harvard Medical School


JURY :
Monsieur BRAUN Marc Professeur, Université Henri Poincaré, Nancy
Monsieur DE MARCO Giovanni Professeur, Université Paris X Nanterre, Nanterre
Madame HADJIKHANI Nouchine Professeur, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Harvard Medical School
Madame MARTINEAU Joëlle Chercheur, INSERM, U930, Tours
Monsieur POURCELOT Léandre Professeur, Université François-Rabelais, Tours
Monsieur VELUT Stéphane Professeur, Université François-Rabelais, Tours
1
A Monsieur Henri Duvernoy
2 Remerciements

A Eric Halgren et Anders Dale, (Departments of Neurosciences and Radiology, UCSD, La
Jolla, CA, USA), à Bruce Fischl (Harvard Medical School and MIT, Charlestown, MA,
USA), et à Jean Pierre Vignal (CHRU de Nancy) sans qui ce travail n’aurait pu voir le jour.
A Jacqueline Vons, Enseignante-chercheuse au Centre d’études supérieures de la Renaissance
de l’Université François Rabelais de Tours, pour sa traduction du chapitre IV du livre 7 de la
Fabrica d’André Vésale.

3 Résumé
èreDans une 1 partie, nous présentons l’évolution des méthodes utilisées pour décrire
l’anatomie corticale, et lui appliquer des systèmes de coordonnées.
èmeDans une 2 partie, nous commentons la méthode de parcellisation automatique du cortex
cérébral humain que nous avons publiée, en la replaçant au sein d’autres techniques
disponibles. Elle utilise une approche bayesienne pour produire une parcellisation prenant en
compte une base de donnée constituée de 12 cerveaux, mais aussi les caractéristiques de la
surface corticale et la localisation des classes anatomiques voisines.
èmeEnfin, dans une 3 partie, nous commentons les règles qui ont prévalu à l’établissement
d’une parcellisation surfacique sulco-gyrale originale. Cette parcellisation en 74 classes
anatomiques par hémisphère est utilisable par la méthode de parcellisation automatique tout
en restant proche des conventions usuelles de la communauté de neuroimagerie. Elle nous
permet de proposer un certain nombre d’améliorations de la Terminologia Anatomica.
Le logiciel et la base de données sont disponibles avec le paquet FreeSurfer sur http :
//surfer.nmr.mgh.harvard.edu/
Anatomie, IRM, cerveau, imagerie, cortex cérébral
4 Résumé en anglais
We first present different methods used to describe the anatomy of the human cerebral cortex,
and various coordinates systems.
Then we comment the method we published for a fully automated parcellation of the cortical
surface. It is described among various other techniques developed for the same purpose. Our
method uses a bayesian approach to include several pieces of information in the labeling
process : manual parcellation of 12 cortical surfaces, but also shape of the surface and
anatomical classes of neighboring vertices.
Finally, we comment the anatomical rules we proposed to parcellate the cortical surface in 74
anatomical classes per hemisphere. This parcellation can be used by the automated method we
published, but also remains close enough to the anatomical conventions used in the
neuroimaging field. We propose several improvements of the Terminologia Anatomica
The software and the database are available and included in the FreeSurfer package (http :
//surfer.nmr.mgh.harvard.edu/).
Anatomy, MRI, Brain, imaging, cerebral cortex
5 Table des matières



Remerciements ...................................................................................................................... 3
Résumé.................................. 4
Résumé en anglais................. 5
Table des matières ................................................................................................ 6
Liste des tableaux.................. 8
Liste des figures..................... 9
Liste des annexes................................................................................................................. 10
Introduction......................... 11


Première partie : Du chaos entérique aux coordonnées surfaciques ..................................... 13
1 De « l’organisation » entérique au patron sulco-gyral..................................................... 14
2 De la stimulation galvanique au référentiel de Talairach................. 18
3 Référentiels et normalisation.......................................................... 22
3.1 Référentiels volumiques et surfaciques.................................................................... 22
3.1.1 Limites des référentiels volumiques – principes de l’inflation corticale............. 23
3.1.2 Référentiels surfaciques plans et sphériques...................................................... 26
3.2 Recalage et normalisation........................................................ 29
3.2.1 Recalage volumique......................... 30
3.2.2 Recalage surfacique.......................................................... 34
3.3 Cerveau canonique - normalisation.......................................................................... 36
3.3.1 Cerveau « canonique » mono-individu.............................. 36
3.3.2 Construction du cerveau canonique volumique multi-individus ........................ 37
3.3.3 Construction du cerveau canonique surfacique multi-individus......................... 39
6
Deuxième partie Développement d’un logiciel de parcellisation anatomique........................ 41
1 Atlas mono-individu ...................................................................................................... 43
2 Atlas probabilistes.......... 45
2.1.1 Atlas probabilistes moyens ............................................................................... 46
2.1.1.1 Atlas probabilistes moyens avec image moyenne intermédiaire.................. 46
2.1.1.2 Atlas probabilistes moyens sans image moyenne intermédiaire (« fused label
propagation ») ......................................................................................................... 49
2.1.2 Atlas probabilistes régionaux............ 51
2.1.2.1 Atlas probabilistes régionaux volumiques.................................................. 51
2.1.2.2 Atlas probabilistes régionaux surfaciques................... 55
3 Atlas par reconnaissance de forme ................................................. 58


Troisième partie Développement et optimisation
d’une parcellisation sulco-gyrale surfacique......................................................................... 62
1 Quelle parcellisation?..................................... 63
2 Parcellisation sulco-gyrale............................................................. 66
3 Pour une amélioration de la Terminologia Anatomica.................... 72


Références........................................................................................................................... 94


Annexes............................................................................................................................. 100


Résumé


Résumé en anglais

7 Liste des tableaux
Tableau 1 : principaux atlas. ......................................................................................................................................61
Tableau 2 : exemple d’organisation de la TA.............73
Tableau 3 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri – Sulci interlobares...73
Tableau 4 : TA modifiée ; facies superolateralis hemispherii cerebri – Sulci interlobares. ...................................74
Tableau 5 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri – Lobus frontalis........75
Tableau 6 : TA modifiée ; facies superolateralis hemispherii cerebri – Lobus frontalis.........76
Tableau 7 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Lobus parietalis.......................................77
Tableau 8 : TA modifiée ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Lobus parietalis........77
Tableau 9 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Lobus occipitalis.....78
Tableau 10 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Lobus occipitalis. ..................................78
Tableau 11 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Lobus temporalis...79
Tableau 12 : TA modifiée ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Lobus temporalis....79
Tableau 13 : TA originale ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Insula. ....................................................80
Tableau 14 : TA modifiée ; facies superolateralis hemispherii cerebri - Insula......................80
Tableau 15 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri – Sulci interlobares...........................81
Tableau 16 : TA modifiée ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri – Sulci interlobares.82
Tableau 17 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri –Lobus frontalis. ...............................83
Tableau 18 : TA modifiée ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri –Lobus frontalis.................................83
Tableau 19 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri –Lobus parietalis. .............................84
Tableau 20 : TA modifiée ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri –Lobus parietalis. ..............................84
Tableau 21 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri
Lobus occipitalis et lobus temporalis. .........................................................................................................................85
Tableau 22 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri
Lobus occipitalis et lobus temporalis..........................86
Tableau 23 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri – Lobus limbicus et hippocampus....87
Tableau 24 : TA originale ; facies medialis et inferior hemispherii cerebri – Lobus limbicus et intralimbicus....90
8 Liste des figures
Figure 1 : référentiel de Talairach. .............................................................................................................................19
Figure 2 : variations de la localisation du sulcus central..........................20
Figure 3 : coordonnées volumiques et surfaciques....................................24
Figure 4 : reconstruction schématique de la surface corticale selon Dale et Fischl...............25
Figure 5 : coordonnées surfaciques planes (lignes d'isocontour).............................................................................27
Figure 6 : coordonnées surfaciques planes (référentiel cartésien)...........28
Figure 7 : référentiel surfacique sphérique.................................................29
Figure 8 : recalages affines et non linéaires...............................................................................33
Figure 9 : validation du référentiel surfacique sphérique.........................36
Figure 10 : cerveaux canoniques mono et multi individus.................................................................37
Figure 11 : constitution d’une sphère canonique.......................................39
Figure 12 : atlas probabiliste moyen avec image moyenne intermédiaire, volumique............48
Figure 13 : atlas probabiliste moyen avec image intermédiaire, volumique............................................................48
Figure 14 : atlas probabiliste moyen avec image moyenne intermédiaire, surfacique sphérique ..........................49
Figure 15 : histogrammes d’intensité pour plusieurs classes anatomiques..............................51
Figure 16 : points échantillons avant et après optimisation......................................................................................54
Figure 17 : comparaison des parcellisations manuelle et automatique....................................54
Figure 18 : courbures maximale et minimale. ............................................................................56
Figure 19 : méthode de remplissage de réservoir......58
Figure 20 : représentation des sillons sous forme de graphes abstraits...................................................................59
Figure 21 : définition des gyri à partir des sulci (diagrammes de Voronoï)............................61
Figure 22 : cartes cytoarchitectoniques probabilistes (référentiel volumique)........................................................64
Figure 23 : cartes cytoarchitectoniques probabilistes (référentiel surfacique sphérique)......................................65
Figure 24 : parcellisation corticale par des plans coronaux.....................................................66
Figure 25 : cartes de convexité (sulc) et de courbure (curv) moyennes. ..................................68
Figure 26 : illustration de l’index de concordance. ...................................................................70

9
Liste des annexes

Annexe 1
Annexe 2

10

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