Développement d`outils de vectorisation d`angiographies obtenues

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
DÉVELOPPEMENT D’OUTILS DE VECTORISATION D’ANGIOGRAPHIES
OBTENUES PAR MICROSCOPIE 2-PHOTONS DANS LE CONTEXTE DU
VIEILLISSEMENT DU CERVEAU
JOËL LEFEBVRE
INSTITUT DE GÉNIE BIOMÉDICAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
MÉMOIRE PRÉSENTÉ EN VUE DE L’OBTENTION
DU DIPLÔME DE MAÎTRISE ÈS SCIENCES APPLIQUÉES
(GÉNIE BIOMÉDICAL)
AOÛT 2014
© Joël Lefebvre, 2014.

UNIVERSITÉ DE MONTRÉAL
ÉCOLE POLYTECHNIQUE DE MONTRÉAL
Ce mémoire intitulé :
DÉVELOPPEMENT D’OUTILS DE VECTORISATION D’ANGIOGRAPHIES
OBTENUES PAR MICROSCOPIE 2-PHOTONS DANS LE CONTEXTE DU
VIEILLISSEMENT DU CERVEAU
présenté par : LEFEBVRE Joël
en vue de l’obtention du diplôme de : Maîtrise ès sciences appliquées
a été dûment accepté par le jury d’examen constitué de :
M. COHEN-ADAD Julien, Ph.D., président
M. LESAGE Frédéric, Ph.D., membre et directeur de recherche
M. COMTOIS Philippe, Ph.D., membre

iii
REMERCIEMENTS
Je tiens à remercier Michèle Desjardins et Romain Berti pour l’acquisition des mesures à
l’aide du microscope à fluorescence 2-photons; Imanne El Maachi et Parikishat Sirpal pour leur
aide avec la vectorisation et le nettoyage des réseaux vasculaires; Louis Gagnon et Samuel
Bélanger pour leurs conseils et leurs supports tout au long de mon projet. J’aimerais aussi
remercier David Boas, Sava Sakadzic et mon superviseur Frédéric Lesage pour leurs supports et
leurs conseils. Merci aussi aux membres du laboratoire LIOM à Montréal et du laboratoire du
Martinos Center for Biomedical Imaging. Finalement, je tiens à souligner le support de mes amis,
de ma famille et de mes parents qui donnent sens à mes projets.
Merci.

iv
RÉSUMÉ
Les pathologies affectant les petits vaisseaux de la neurovasculature sont-elles à l’origine
des effets cognitifs qui apparaissent au cours du vieillissement? Pour répondre à cette question, il
faut d’abord posséder des outils permettant d’extraire la microvasculature du néocortex à partir
d’angiographies acquises par microscopie à fluorescence deux-photons. Une meilleure
compréhension de l’évolution de la microvasculature du cerveau avec l’âge et de l’effet de ces
modifications sur les fonctions des aires corticales constitue en effet une étape essentielle vers la
mise en place de nouveaux biomarqueurs du vieillissement du cerveau. Des modèles réalistes de
la vasculature du cerveau peuvent servir de base à des modélisations du débit sanguin et à la
simulation de signal IRM. En utilisant des vasculatures vectorisées, de nouvelles voies de
recherche pourront donc être explorées, dont l’effet de différents types de pathologies des petits
vaisseaux sur le signal IRM dépendant du niveau d’oxygène sanguin (BOLD). L’objectif de ce
projet de recherche est donc le développement d’une méthode de segmentation des vaisseaux
sanguins et d’un outil d’interaction permettant de corriger et de modifier le réseau vasculaire
extrait. Ces outils sont utilisés pour comparer la microvasculature du néocortex de rats provenant
de deux cohortes d’âges différents formés de 12 jeunes rats (âge = 11-15 semaines) et 12 rats
âgés (âge = 23-25 mois) de type Long-Evans. Ces méthodes ont été développées en utilisant
principalement la plateforme de programmation MATLAB, le module de gestion de pipeline de
traitement PSOM et l’outil de traitement d’image FIJI. La méthode est semi-automatique,
nécessitant une correction manuelle des graphes extraits des angiographies après la segmentation.
L’approche modulable adoptée permet l’ajout de nouvelles fonctions et de nouveaux outils, ce
qui pourra améliorer sa robustesse et l’automatisation de l’extraction des vaisseaux sanguins. En
analysant les masques des vasculatures issus du prétraitement des données, il a été montré que la
densité des capillaires dans le néocortex sensorimoteur de rats Long-Evans diminue avec l’âge,
passant de  pour les jeunes rats à  pour les rats âgés, ce qui
représente une baisse statistiquement significative de 20 %. Une analyse utilisant les graphes
nettoyés semble également aller dans ce sens en montrant que la densité linéaire des vaisseaux
décroît au cours du vieillissement. Cette mesure est liée aux capacités de perfusion de la
vasculature, et pourrait indiquer que l’efficacité d’apport en nutriment et en oxygène décroît dans
le néocortex sensorimoteur de rats au cours du vieillissement.

v
ABSTRACT
Are the conditions affecting the small vessels of the neurovasculature the cause of
cognitive impairments that appear with aging? To answer this question, we must have tools to
extract the neocortex microvasculature from angiograms acquired by two-photon fluorescence
microscopy. A better understanding of the brain microvasculature evolution with age and the
effect of those changes on the cortical areas functions is indeed an essential step towards the
development of new biomarkers of brain aging. Realistic models of the brain vasculature can be
used as a basis of blood flow modeling and to simulate MRI signal originating from these
vessels. Using vectorized vasculatures, new research avenues can be explored, including the
effect of different types of small vessels diseases on blood oxygen level-dependent (BOLD) MRI
signal. The main objective of this research project is the development of a blood vessel
segmentation method and of an interface to correct and modify the extracted vascular networks.
These tools are used to compare the neocortex microvasculature of rats from two different age
cohorts. These cohorts consist of 12 young (age = 11-15 weeks) and 12 old Long-Evans rats (age
= 23-25 months). The tools have been developed using the MATLAB programming platform, the
pipeline processing module PSOM and the image processing tool FIJI. The method is semi-
automatic, requiring manual correction of the extracted angiogram graphs after segmentation.
The modular approach allows the addition of new features and tools, which can improve the
robustness and automation of the blood vessels extraction technique. By analyzing the
vasculature masks obtained by the initial data preprocessing, it is found that the density of
capillaries in the sensorimotor neocortex of Long-Evans rats decreases with age, from ρ = 6.8 ±
0.3 [%] in young rats to ρ = 5.4 ± 0.3 [%] in aged rats, which represents a statistically significant
decrease of 20%. An analysis using the cleaned graphs also seems to go in this direction by
showing that the linear density of vessels decreases with aging. This density is linked to the
perfusion capacity of the vasculature, and may indicate that the efficiency of nutrient and oxygen
distribution decreases with aging in rat’s sensorimotor neocortex.