Quentin DUCHÉ Étude des effets de volume partiel en IRM

ANNÉE 2015
THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Européenne de Bretagne
En codirection internationale avec
The Australian e-Health Research Centre, Australia
pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Traitement du Signal et Télécommunications
École doctorale Matisse
présentée par
Quentin DUCHÉ
préparée à l’unité de recherche LTSI – INSERM U1099
Laboratoire Traitement du Signal et de l’Image
ISTIC UFR Informatique et Électronique
Étude des effets de
volume partiel en
IRM cérébrale pour
l’estimation
d’épaisseur
corticale
Thèse soutenue à Rennes
le 18 juin 2015
devant le jury composé de :
Fabrice MÉRIAUDEAU
PU, Université de Bourgogne /Rapporteur
Cyril POUPON
Ingénieur-chercheur, Neurospin, Saclay /Rapporteur
Isabelle MAGNIN
DR INSERM U1044, Lyon / Examinatrice
Habib BENALI
DR INSERM U1146, Paris /Examinateur
Marie CHUPIN
IR CNRS, ICM, Paris /Examinatrice
Hervé SAINT-JALMES
PU-PH, Université de Rennes 1 /Directeur de thèse
Oscar ACOSTA
MCU, Université de Rennes 1 /Co-directeur de thèse
Olivier SALVADO
Group Leader, Biomedical Imaging, AEHRC, Brisbane /
Co-directeur de thèse

2

Table des matières
Table des matières 3
Liste des figures 9
Liste des tableaux 11
Introduction 13
I Contexte, définitions et objectifs 17
1 Contexte clinique 19
1.1 Anatomie cérébrale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2 Maladies neurologiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.1 La maladie d’Alzheimer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.2 Dysplasie corticale focale (DCF) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Imagerie par résonance magnétique 25
2.1 Résonance magnétique nucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.2 Impulsion radiofréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3 Relaxation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.4 Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5 Codage spatial du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.1 Sélection de coupe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.2 Codage de phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3 Codage de fréquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.4 Codage spatial 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6 Séquences IRM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.1 Écho de spin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.6.2 Écho de gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6.3 MPRAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.6.4 MP2RAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Contraste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8 Limites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3

4Table des matières
2.8.1 Bruit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8.2 Inhomogénéités du signal dans le volume . . . . . . . . . . . . . . 33
2.8.3 Effets de volume partiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.9 Neuroimagerie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.9.1 Séquences privilégiées pour la maladie d’Alzheimer . . . . . . . . 36
2.9.2 Séquences privilégiées pour la DCF . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3 Traitement d’images cérébrales en IRM structurelle 39
3.1 Pré-traitements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Extraction du cerveau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.2 Correction des inhomogénéités de signal . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Segmentation des tissus cérébraux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 Estimation de volume partiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 Modèle du mixel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1.1 Formulation du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1.2 Hypothèses simplificatrices . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3.2 Résolution du problème . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2.1 Solution directe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.2.2 En deux étapes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3.3 Estimation des paramètres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Biomarqueurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4.1 Estimation d’épaisseur corticale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1.1 Définition et modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.4.1.2 Approches surfaciques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.4.1.3 Approches basées voxel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2 Détection de lésion DCF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.4.2.1 Épaisseur corticale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.2.2 Transition GM-WM floue . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.2.3 Hyperintensité corticale . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.4.2.4 Utilisation des descripteurs . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.4.2.5 Autres approches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
II Estimation de volume partiel 59
4 Bi-Exponential Magnetic Resonance Signal Model for Partial Volume
Computation 61
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.1 Bi-Exponential Model for MR Signal . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.2.2 Estimation of the tissue parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.2.1 Proton Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Table des matières 5
4.2.2.2 T1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.2.3 Fractional content calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.1 Physical Phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.3.2 Simulated MR data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.1 Physical phantom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.4.2 BrainWeb MRI Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
5 MP2RAGE 73
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.2 Séquence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Reconstruction du signal signé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.4 Influence de l’intensité du champ magnétique B0. . . . . . . . . . . . . 77
5.5 Études . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.5.1 Segmentation MPRAGE/MP2RAGE . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.5.2 Calcul d’une image MP2RAGE "robuste" . . . . . . . . . . . . . 78
5.5.3 Segmentation MP2RAGE à 7T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.5.4 Estimation d’épaisseur corticale MEMPRAGE/MP2RAGE . . . 79
5.6 Bilan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6 New partial volume estimation methods for MRI MP2RAGE 83
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2 MP2RAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6.3 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.3.1 Linear Interpolation of Intensity Means (LIMe) . . . . . . . . . . 86
6.3.2 Quadratic Interpolation of Intensity Means (QIMe) . . . . . . . . 87
6.3.3 Bi-Exponential Model (BiExp) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.4 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.1 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.2 Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.5 Results and Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7 Proposition d’une vérité terrain de volume partiel 95
7.1 Expérience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
7.2 Fantôme physique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.3 Protocole d’acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7.4 Méthodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97