Les modalités d’observation du cerveau
L’imagerie médicale
L’imagerie médicale joue désormais un rôle central dans les neurosciences, tant en recherche fondamentale que dans l’aide au diagnostic ou à la décision thérapeutique. La quantité croissante de données, souvent volumiques, mise à la disposition du praticien, a motivé la conception de nouvelles méthodes automatiques pour l’analyse et l’interprétation des images. Une des problématiques majeures est de pouvoir analyser et traiter plusieurs images dans un référentiel commun. Ce problème, connu sous le nom de recalage, requiert l’estimation d’une transformation géométrique permettant la superposition spatiale des caractéristiques correspondantes entre les images. Pour des images d’un même patient acquises avec des modalités d’imagerie di¤érentes, il s?agit de déterminer une transformation géométrique simple (rigide ou a¢ne) caractérisée par un faible nombre de paramètres .
L’objectif est ainsi de déterminer un champ de déformation qui, à chaque point d’une image source, associe les coordonnées dans le référentiel d’une image cible, du point correspondant à la même réalité anatomique. Les applications du recalage sont nombreuses. En eet, le recalage constitut une étape indispensable dans de nombreuses procédures de traitement d’images médicales. Deux contextes d?application peuvent être distingués : le recalage intra-individu qui traite des séquences temporelles d?images provenant d?un même individu, et le recalage inter-individu qui fait la mise en correspondance entre des individus di¤érents ou entre un individu et un modèle de référence (atlas). Les applications du recalage intra-individu sont notamment la détection et le suivi d?évolution de lésions et la mesure d?atrophie ou d?hypertrophie de certaines structures anatomiques. Les applications du recalage inter-individu sont principalement la construction et l?utilisation d?atlas probabilistes, par exemple pour la segmentation automatique par transport d?un modèle a priori ou pour l?analyse statistique de variations anatomiques ou fonctionnelles, normales ou pathologiques, au sein d?un groupe d?individus.
Le cerveau
Bien que représentant seulement 2% du poids total du corps humain (soit environ 1,4 kilogrammes), le cerveau gère directement ou indirectement 98 % de ses fonctions. Il est responsable des fonctions humaines les plus complexes comme la pensée, la résolution de problèmes, les émotions, la conscience et les comportements sociaux, et régit les fonctions essentielles du corps comme la respiration, le processus d?alimentation, le sommeil, les mouvements et les cinq sens. En dépit de son extrême complexité, le cerveau n?est composé que de deux types de cellules : les neurones et les cellules gliales. Les neurones sont des cellules nerveuses capables de recevoir et de transmettre l?information. Ils sont constitués d?un corps cellulaire, de plusieurs prolongements a¤érents appelés dendrites et d?un prolongement e¤érent appelé axone. Chaque neurone peut posséder jusqu?à 10 000 connexions avec d?autres neurones, ce qui conduit à un nombre très élevé de réseaux interconnectés.
Les cellules gliales sont quant à elles des cellules de soutien qui contribuent à assurer le bon fonctionnement des neurones, sans participer directement au transfert de l?information. Le cerveau contient plus de 100 000 millions de neurones et encore davantage de cellules gliales. D?un point de vue macroscopique, deux principaux types de tissus peuvent être distingués : la substance blanche et la substance grise. La substance blanche est principalement formée par les axones des neurones et la substance grise correspond à des agglomérations de corps cellulaires neuronaux. Les cellules gliales sont à la fois présentes dans la substance blanche et dans la substance grise.
D?un point de vue anatomique, L?encéphale est composé de trois structures principales : le cerveau, le cervelet et le tronc cérébral (?gure 1-1-a). Le tronc cérébral, situé à la base du cerveau, forme le lien entre le cortex cérébral, la substance blanche et la moelle épiniére. Il reçoit les informations transmises venant du corps entier via la moelle épiniére, et gère le niveau de vigilance ainsi que les fonctions végétatives du corps (respiration, rythme cardiaque, tension artérielle). Le cervelet est un centre nerveux régulateur de la fonction motrice qui permet un contrôle précis de la posture et des mouvements. Le cerveau est constitué quant à lui de deux hémisphères (gauche et droit), qui sont constitués chacun de quatre lobes : le lobe frontal (intervient dans la pensée, la conceptualisation, la plani?cation, l?appréciation consciente des émotions), le lobe pariétal (intervient pour les gestes, l?orientation et la reconnaissance spatiales, le calcul), le lobe occipital (principalement le siège de la vision) et le lobe temporal (dédié à l?interprétation des sons, du langage et de la mémoire). La surface externe du cerveau, appelée cortex, est constituée de nombreux ren?ements et plis nommés respectivement scissures (ou sulci, ou encore sillons) et circonvolutions (ou gyrî). Ces circonvolutions sont si serrées que seulement environ 30% du cortex est en fait visible à partir de la surface extérieure. Le cortex joue un rôle important dans la fusion des informations provenant des di¤érentes zones du cerveau. Il nous permet ainsi de percevoir, d?interpréter et de réagir de façon adéquate à l?environnement dans lequel nous sommes.
Parmi les autres régions importantes de l?encéphale (?gure (1-1)-b), on compte notamment le corps calleux, le thalamus, L? hypothalamus et les autres noyaux gris centraux, les ventricules et le systeme limbique. Le corps calleux, composé d?environ deux cents millions de ?bres nerveuses à conduction rapide, assure la liaison interhémisphérique. Les noyaux gris centraux (?gure (1-1)-c) sont composés du noyau caudé, du putamen et du pallidum, et participent au contrôle de la motricité. Le thalamus maintient un réseau étendu de connexions avec le cortex et avec de nombreuses autres parties de l?encéphale, notamment les noyaux gris centraux, l?hypothalamus et le tronc cérébral. Il joue le rôle de relais qui trie les informations avant de les acheminer à la partie du cerveau chargée de les traiter. L?hypothalamus contrôle le corps en dirigeant l?hypophyse et le systéme nerveux autonome. Ainsi, il régule et dirige les comportements fondamentaux nécessaires à la survie, à savoir l?alimentation, le sommeil, la reproduction, la régulation de la température et les émotions.
Les ventricules sont des cavités remplies de liquide céphalorachidien (LCR) sécrété par leur paroi. Le systeme limbique (?gure 1-1-d) n?est quant à lui pas une structure, mais un réseau de voies nerveuses intégrant certaines structures situées en profondeur dans les lobes temporaux. Il est le siège des émotions, des désirs, des besoins et de la survie. Il est composé entre autres de l?hypothalamus, de l?hippocampe qui permet la mémorisation à long terme, et de l?amygdale qui enregistre et génère la peur. L?encéphale étant une structure assez fragile, il est protégé par trois lignes de défense. La première ligne est constituée du crâne qui procure une protection osseuse contre les chocs extérieurs. La seconde ligne de défense est constituée de trois ?nes membranes qui entourent le cerveau et la moelle épinière : les méninges (ou barrière hématoencéphalique). Elles protègent l?intégrité de la structure physique du cerveau, amortissent les chocs et contrôlent le transport de toutes les substances vers l?intérieur et l?extérieur du cerveau. En?n la troisième ligne de défense est le liquide céphalorachidien (LCR) qui se trouve dans les ventricules du cerveau et entre les méninges. Il permet d?amortir les chocs et joue le rôle de médium liquide permettant le transport des différentes substances acheminées vers le cerveau ou sécrétées par ce dernier.
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Table des matières
Introduction générale
1 L’imagerie médicale
1.1 Introduction
1.2 Le cerveau [26]
1.3 Les modalités d?observation du cerveau
1.3.1 La tomodensitométrie[27]
1.3.2 Le scanner Hélicoïdal
1.3.3 L?imagerie par résonancemagnétique [26]
1.4 Conclusion
2 État de l?art sur le recalage
2.1 Introduction
2.2 Recalage rigide
2.2.1 Recalage par points de repère
2.2.2 Centres et axes d?inertie
2.2.3 Recalage basé sur les surfaces
2.2.4 Recalage fondé sur l?information volumique
2.2.5 Recalage par mesure de l?informationmutuelle
2.2.6 Recalage d?images multimodales par maximisation du rapport de corrélation
2.3 Comparaison et évaluation des techniques de recalage intermodalité d?images cérébrales
2.4 Recalage non-rigide
2.4.1 Première approche : Bajcsy
2.4.2 Approche basée sur les ?uides visqueux
2.4.3 Méthode des démons deMaxwell
2.5 Conclusion
3 Analyse des Méthodes de Recalage
3.1 Introduction
3.2 Méthode de recalage géométrique
3.2.1 Extraction de la forme du cerveau
3.2.2 Algorithme du recalage géométrique (Centres et axes principaux)
3.2.3 Algorithme Iterative Closest Point ?ICP?
3.3 Méthode de recalage dense
3.3.1 Transformation rigide
3.3.2 Critères de similarité
3.3.3 Méthode d?optimisation
3.4 Avantages et inconvénients des méthodes de recalages usuelles
3.4.1 Avantages et inconvénients du recalage géométrique
3.4.2 Avantages et inconvénients du recalage dense
3.5 Conclusion
4 Mise en ?uvre des Méthodes de Recalage sur des Images IRM et CT
4.1 Introduction
4.1.1 Présentation des données de travail
4.2 Mise en ?uvre du recalage géométrique
4.2.1 Extraction de la forme du cerveau
4.2.2 Extraction des paramétres de recalage
4.2.3 Recalage rigide basé sur l?algorithme ICP
4.2.4 Recalage rigide basé sur les points de contrôle
4.3 Mise en ?uvre du recalage dense
4.3.1 Recalage monomodal par maximisation de corrélation
4.3.2 Recalage multimodal par maximisation de corrélation
4.3.3 Recalage monomodal par maximisation de l?information mutuelle
4.3.4 Recalage multimodal par maximisation de l?information mutuelle
4.3.5 Le paramètre de la rotation
4.3.6 Résultats de recalage par la méthode d?optimisation
4.4 Mesure de similarité pour le recalage d?images médicales volumiques
4.4.1 Description de l?algorithme de recalage 3D
4.4.2 Résultats du recalage 3D
4.4.3 Conclusion
Conclusion générale
Annexe A : Rappel sur les transformations géométriques
Annexe B : CommandesMatlab pour l?algorithme du recalage basé sur les points de contrôle
Annexe C : Présentation de l?algorithme ICP
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