Imagerie du tenseur de diffusion en

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET D’INFORMATIQUE
MEMOIRE DE MAGISTER
Option :
Traitement d’Images et Rec
Imagerie du tenseur de diffusion en
l’exploration du système nerveux central
Applications cliniques
Mémoire soutenu le 21/04/2011 devant le jury d’examen co
BENAMROUCHE Nacereddine
DIAF Moussa
AHMED OUAMAR Rachid
HAMMOUCHE Kamal
LAGHROUCHE Mourad
1
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE MOULOUD MAMMERI, TIZI
-OUZOU
FACULTE DE GENIE ELECTRIQUE ET D’INFORMATIQUE
DEPARTEMENT AUTOMATIQUE
MEMOIRE DE MAGISTER
en Automatique
Traitement d’Images et Rec
onnaissance de Formes
présenté par
GUERCHOUCHE Nouara
Ingénieur UMMTO
Imagerie du tenseur de diffusion en
l’exploration du système nerveux central
Applications cliniques
.
Mémoire soutenu le 21/04/2011 devant le jury d’examen co
mposé de
Professeur à l'U.M.M.T.O
Président
Professeur à l'U.M.M.T.O
Rapporteur
M.C.A à l'U.M.M.T.O Examinat
eur
M.C.A à l'U.M.M.T.O
Examinateur
M.C.A à l'U.M.M.T.O
Examinateur
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
onnaissance de Formes
Imagerie du tenseur de diffusion en
l’exploration du système nerveux central
.
mposé de
:
Président
Rapporteur
eur
Examinateur
Examinateur

2
Résumé
L’IRM du tenseur de diffusion est l’une des applications de l’imagerie par résonance
magnétique, elle permet d’obtenir localement des informations caractérisant la position,
l’orientation et l’anisotropie de la diffusion des molécules d’eau présentes dans le corps
humain. Elle trouve ses applications en grande partie dans l’étude de la matière blanche et
plus précisément dans la cartographie et la compréhension in vivo des interactions entre les
nombreuses aires qui composent notre cerveau ce que l’IRM classique ne permet pas.
En IRM de diffusion, l'hypothèse est faite que les molécules d'eau tendent à diffuser de
manière plus importante le long des structures orientées comme les faisceaux de fibres. Ainsi,
s'il est concevable de mesurer la diffusion de l'eau dans plusieurs directions de l'espace, il est
donc possible de retrouver avec une précision dépendant du nombre de directions choisi les
directions des structures microscopiques, c'est-à-dire des fibres nerveuses.
Mots clés :.IRM du Tenseurs de diffusion, Imagerie HARDI, Tractographie.
Année 2011

3
Avant-propos
Ce travail a été effectué au sein du « laboratoire Robotique et Vision » Département
Automatique de l’université Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou UMMTO.
Mes vifs remerciements vont tout d’abord à Monsieur DIAF Moussa, professeur à
l’UMMTO pour m’avoir proposé le thème de ce mémoire et m’avoir dirigée, aidée et
conseillée tout le long de notre travail.
Nous ne manquerons pas de remercier Monsieur BENAMROUCHE Nacereddine ,
professeur à l’UMMTO de m’avoir fait l’honneur d’accepter de présider le jury de ce
mémoire.
Nous exprimons notre reconnaissance à Monsieur HAMMOUCHE Kamal, maître de
conférences classe A à l’UMMTO, pour avoir accepté de faire partie du jury
d’examen de notre mémoire.
Que Monsieur AHMED OUAMAR Rachid , maître de conférences classe A à
l’UMMTO trouve ici, nos sincères remerciements, pour avoir accepté de faire partie
du jury d’examen de notre mémoire.
Nous exprimons également nous vifs remerciements à Monsieur LAGHROUCHE
Mourad , maître de conférences classe A à l’UMMTO, pour l’intérêt qu’il a témoigné à
ce travail et pour sa présence parmi les membres de jury.

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Table des matières
Introduction générale…………………………………………………………………6
Chapitre 1 : Diffusion et système nerveux central………………………….8
1. Introduction ………………………………………………………………………8
2. Bref rappels sur l’anatomie du système nerveux………………………….9
3. Principe de l’IRM et du phénomène de diffusion………………………….12
4. Imagerie de diffusion, du tenseur de diffusion et HARDI………………17
4.1 Imagerie de diffusion……………………………………………………17
4.2 Imagerie du tenseur de diffusion…………………………………….17
4.3 Imagerie de Diffusion à Haute Résolution Angulaire (HARDI)…24
5. Application clinique…………..…………………………………………….......25
6. Conclusion…………………………………………………………………………27
Chapitre 2 : Estimation des tenseurs de diffusion et modèles utilisés en
imagerie HARDI………………………………………………………….….28
1. Introduction ……………………………………………………………………...28
2. Estimation des Tenseurs……………………………………………………….30
2.2. Estimation par les moindres carrés ………………………………….30
2.3. Approche variationnelle……………………………………………….…32
2.4. Limites du modèle tensoriel d’ordre 2…………………………………32
3. Modèles les plus utilisés en imagerie HARDI………………………………..32
3.1. Estimation du profil ADC par les harmoniques sphériques………..33
3.2. Modèle tensorielle d’ordre 4………………………………………………..34
3.3. Cadre Unifié pour l'estimation de tenseurs de n'importe quel ordre
avec contrainte de définie positivité………………………………………….36
3.4. Estimation de la fonction de probabilité de diffusion ODF…………..38
4. Conclusion…………………………………………………………………………….40
Chapitre 3: Application de la technique d’imagerie tensorielle de
diffusion……………………………………………………………………………………..41

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1. Introduction ………………………………………………………………………..41
2. Données utilisées……………………………………………………………………42
2.1 Images du tenseur de diffusion d’un cerveau humain………….……42
2.2 Images HARDI du chiasma optique………………………………..……..44
3. Application de la méthode du tenseur de diffusion du second ordre à un
ensemble d’images d’un cerveau humain…………………………………………45
3.1 Cartes de Diffusivité moyenne et d’Anisotropie Fractionnelle………47
4. Application de la technique HARDI…………………………………………….48
4.1. Application de la méthode sur un ensemble de données
synthétiques ………………………………………………………………………48
4.2. Application de la méthode sur un ensemble de données réel……..52
 Estimation d’un champ de tenseurs d’ordre 2……………………………53
 Cartes FA et ADC du chiasma optique d’un rat …………………………55
 Détection des fibres nerveuses du chiasma optique d’un rat en
Utilisant un champ de tenseurs d’ordre4………………………………...56
 Cartes de diffusivité moyenne et d’anisotropie fractionnelle généralisée
calculées à partir d’un champ de tenseurs d’ordre4……………………58
5. Conclusion…………………………………………………………………………..58
Conclusion générale…………………………………………………………………..59
Références Bibliographiques……………………………………………………….60
Annexes…………………………………………………………………………………..67