Inference of a human brain fiber bundle atlas from high angular resolution diffusion imaging (2011)

La structure et l'organisation de la substance blanche du cerveau humain ne sont pas encore completement connues. L'Imagerie par Resonance Magnetique de diffusion (IRMd) offre une approche unique pour etudier in vivo la structure des tissus cerebraux, permettant la reconstruction non invasive des trajectoires des faisceaux de fibres du cerveau en utilisant la tractographie. Aujourd'hui, les techniques recentes d'IRMd avec haute resolution angulaire (HARDI) ont largement ameliore la qualite de la tractographie par rapport a l'imagerie du tenseur de diffusion standard (DTI). Toutefois, les jeux de donnees de tractographie resultant sont tres complexes et comprennent des millions de fibres, ce qui necessite une nouvelle generation de methodes d'analyse. Au-dela de la cartographie des principales voies de la substance blanche, cette nouvelle technologie ouvre la voie a l'etude des faisceaux d'association courts, qui ont rarement ete etudies avant et qui sont au centre de cette these. L'objectif est d'inferer un atlas des faisceaux de fibres du cerveau humain et une methode qui permet le mappage de cet atlas a tout nouveau cerveau.Afin de surmonter la limitation induite par la taille et la complexite des jeux de donnees de tractographie, nous proposons une strategie a deux niveaux, qui enchaine des regroupements de fibres intra- et inter-sujet. Le premier niveau, un regroupement intra-sujet, est compose par plusieurs etapes qui effectuent un regroupement hierarchique et robuste des fibres issues de la tractographie, pouvant traiter des jeux de donnees contenant des millions de fibres. Le resultat final est un ensemble de quelques milliers de faisceaux de fibres homogenes representant la structure du jeu de donnees de tractographie dans sa totalite. Cette representation simplifiee de la substance blanche peut etre utilisee par plusieurs etudes sur la structure des faisceaux individuels ou des analyses de groupe. La robustesse et le cout de l'extensibilite de la methode sont verifies a l'aide de jeux de fibres simules. Le deuxieme niveau, un regroupement inter-sujet, rassemble les faisceaux obtenus dans le premier niveau pour une population de sujets et effectue un regroupement apres normalisation spatiale. Il produit en sortie un modele compose d'une liste de faisceaux de fibres generiques qui peuvent etre detectes dans la plupart de la population. Une validation avec des jeux de donnees simulees est applique afin d'etudier le comportement du regroupement inter-sujet sur une population de sujets alignes avec une transformation affine. La methode a ete appliquee aux jeux de fibres calcules a partir des donnees HARDI de douze cerveaux adultes. Un nouveau atlas des faisceaux HARDI multi-sujet, qui represente la variabilite de la forme et la position des faisceaux a travers les sujets, a ete ainsi infere. L'atlas comprend 36 faisceaux de la substance blanche profonde, dont certains representent quelques subdivisions des faisceaux connus, et 94 faisceaux d'association courts de la substance blanche superficielle. Enfin, nous proposons une methode de segmentation automatique de mappage de cet atlas a tout nouveau sujet.