Doctorat en sciences psychologiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'hydrocéphalie est un trouble de l'hydrodynamique du liquide cérébro-spinal (LCS) responsable d'une augmentation de volume du compartiment imparti à ce liquide. Nous présentons l'état actuel des connaissances concernant le LCS et sa dynamique (sécrétion, circulation, réabsorption), l'hydrocéphalie et son traitement. Nous abordons également la pression intracrânienne (PIC), indissociable des éléments précédents. Ce travail se compose d'une recherche bibliographique, d'une recherche clinique et d'une recherche fondamentale en laboratoire. Le but de l'étude clinique est de mesurer le débit externalisé de LCS (Q'extcsf) et la PIC chez le patient hydrocéphale porteur d'une dérivation ventriculaire externe (DVE). Douze patients sont inclus. Les moyennes (+/- DS) de Q'extcsf et de la PIC sont respectivement 7.5 +/- 3.4 ml/h et 12.4 +/- 2.7 mmHg. Deux profils de Q'extcsf sont identifiés : un profil de sécrétion continu et un profil de sécrétion discontinu. Les variations à court terme de Q'extcsf et de la PIC ne sont généralement pas reliées, probablement en raison des relations pression/volume à l'intérieur du compartiment intracrânien. Q'extcsf est plus faible que le débit de sécrétion de LCS (21 ml/h), laissant supposer une absorption persistante ou une sécrétion diminuée. Le but de la recherche en laboratoire est de comparer les relations pression/résistance en fonction du débit de deux systèmes de DVE. L'un des systèmes commercialisé présente, pour les bas débits, une résistance très importante, qui décroît quand le débit augmente, pour se stabiliser à 0.05 hPa/ml/h à partir de 20 ml/h. L'autre système présente une résistance pratiquement nulle quel que soit le débit. / Hydrocephalus is a hydrodynamic disorder of cerebrospinal fluid (CSF) responsible for an increasing volume of its dedicated compartment. We present the current knowledge regarding CSF and its dynamic (secretion, circulation and absorption), hydrocephalus and its treatment. In addition, we study intracranial pressure (ICP), a variable indissociable from the previous ones. In addition to this bibliographic research, this work is composed of a clinical research and a fundamental research. The aim of the clinical study is to monitor externalized CSF outflow (Q'extcsf) and ICP in hydrocephalic patients with external ventricular drainage. Twelve patients are included. The mean + SD Q'extcsf and ICP are respectively 7.5 + 3.4 ml/h and 12.4 + 2.7 mmHg. Two patterns of Q'extcsf are identified: a continuous profile and a discontinuous one. The short term variations of Q'extcsf and ICP are usually unrelated, presumably because of the pressure/volume relationships within the intracranial compartment. Q'extcsf is lower than the reference production rate (21 ml/h), raising the question of persistent CSF absorption and/or depressed secretion. The aim of the fundamental research is to compare the pressure/resistance relationships to flow of two external ventricular drainage sets. One of the two existing systems present, for lower outflow, a very important resistance, decreasing with flow increase, and stabilizing at 0.05 hPa/ml/h when flow reaches 20 ml/h. the other system shows an almost nil resistance whatever the flow.

Les travaux présentés dans ce manuscrit proposent plusieurs contributions dans le développement de modèles algorithmiques du cerveau et de ses pathologies. Le point commun entre tous ces travaux est un modèle dit de "seconde génération", spécifique à la géométrie du patient et capable de simuler le comportement mécanique du cerveau. La première partie de cette thèse présente l'utilisation de ce modèle pour l'estimation des déformations du cerveau au cours de deux opérations : l'électrostimulation pour le traitement de la maladie de Parkinson et la résection de tumeur. Dans le premier cas, le pouvoir prédictif du modèle est utilisé pour simuler les déplacements du cerveau à partir des données disponibles avant l'opération. Dans le second, le modèle est utilisé conjointement avec de l'imagerie par résonance magnétique per-opératoire pour estimer les déplacements observés dans les images. Dans la deuxième partie, nous abordons une classe de modèles faisant intervenir les pathologies cérébrales. Ainsi nous proposons un nouveau modèle 3D d'hydrocéphalie consécutive à une hémorragie méningée. Ce modèle permet d'introduire sous la forme d'un couplage entre modèles scalaires et volumiques une composante temporelle dynamique nécessaire en simulation de chirurgie. Ensuite, nous nous intéressons à la modélisation de la croissance du glioblastome. L'évolution de la densité de cellules tumorales dans le parenchyme est simulée par une équation de réaction-diffusion anisotrope prenant en compte la direction des fibres. Enfin, une nouvelle relation d'équilibre est introduite pour modéliser le couplage entre la densité de cellules tumorales et le modèle mécanique.

Cette thèse contribue au manque d'outils informatiques pour l'analyse d'images médicales et le diagnostic, en particulier en ce qui concerne l'étude des volumes du liquide cérébrospinal. La première partie concerne la mesure du volume des compartiments du liquide à partir d'images corps entier, pour une population composée d'adultes sains et de patients atteints d'hydrocéphalie. Les images sont obtenues à partir d'une séquence IRM développée récemment et mettant en évidence le liquide par rapport aux structures voisines, de manière à faciliter sa segmentation. Nous proposons une méthode automatique de segmentation et de séparation des volumes permettant une quantification efficace et reproductible. Le ratio des volumes des compartiments sous-arachnoïdien et ventriculaire est constant chez l'adulte sain, ce qui permet de conserver une pression intracrânienne stable. En revanche, il diminue et varie fortement chez les patients atteints d'hydrocéphalie. Ce ratio fournit un index physiologique fiable pour l'aide au diagnostic de la maladie. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'analyse de la distribution du liquide dans le compartiment sous-arachnoïdien intracrânial supérieur. Il convient de souligner que ce compartiment, particulièrement complexe d'un point de vue anatomique, demeure peu étudié. Nous proposons deux techniques de visualisation de la distribution du volume liquidien contenu dans ce compartiment, qui produisent des images bidimensionnelles à partir des images d'origine. Ces images permettent de caractériser la distribution du volume liquidien et de son réseau, tout en distinguant les adultes sains des patients souffrant d'hydrocéphalie / This work aims to contribute to the lack of computational methods for medical image analysis and diagnosis about the study of cerebrospinal fluid volumes. In the first part, we focus on the volume assessment of the fluid spaces, from whole body images, in a population consisting of healthy adults and hydrocephalus patients. To help segmentation, these images, obtained from a recent "tissue-specific" magnetic resonance imaging sequence, highlight cerebrospinal fluid unlike its neigh borhood structures. We propose automatic segmentation and separation methods of the different spaces, which allow efficient and reproducible quantification. We show that the ratio of the total subarachnoid space volume to the ventricular one is a proportionality constant for healthy adults, to support a stable intracranial pressure. However, this ratio decreases and varies significantly among patients suffering from hydrocephalus. This ratio provides a reliable physiological index to help in the diagnosis of hydrocephalus. The second part of this work is dedicated to the fluid volume distribution analysis within the superior cortical subarachnoid space. Anatomical complexity of this space induces that it remains poorly studied. We propose two complementary methods to visualize the fluid volume distribution, and which both produce two-dimensional images from the original ones. These images, called relief maps, are used to characterize respectively, the fluid volume distribution and the fluid network, to classify healthy adults and patients with hydrocephalus, and to perform patient monitoring before and after surgery

Il n'existe pas de méthode non invasive validée pour déterminer la valeur absolue de la pression intracrânienne (PIC). Le liquide céphalorachidien (LCS) et le liquide cochléaire sont reliés par l'aqueduc cochléaire. Le but de ce projet est d'utiliser l'absorbance de l'oreille, optimale lorsque les structures vibrantes sont en position de repos, de sorte que les étriers lorsque la pression à l'extérieur de l'oreille (dans le conduit auditif externe -P_cae ) contrarie la PIC par les osselets de l'oreille moyenne. Les sujets ont été testés dans différentes positions d'inclinaison du corps, ce qui augmente la PIC, à l'aide d'un tympanomètre à large bande. 78 oreilles (sujets témoins entre 20 et 30 ans) ont montré que l'absorbance est maximale à toutes les fréquences à P_cae = 0 mmH2O en position début, elle diminue de façon complexe à P_cae zéro, mais à nouveau identique l'absorbance maximale à P_cae = 13 mm H2O ± 7 en position allongée, et 23 mm H2O ± 14 en position Trendelenburg (-30°), en 68 oreilles sur 78. Les 10 oreilles restantes présentaient un dysfonctionnement anatomique. Un modèle physique a été établi à partir d'un modèle d'oreille électromécanique classique, qui reproduit le comportement observé en attribuant à la PIC la cause des changements d'absorbance et en prédisant la capacité du P_cae pour compenser les changements d'absorbance dus à la PIC. De plus, 3 patients traités par un test de perfusion ont été testés, ainsi que 2 patients traités par ponction lombaire. Ces patients ont montré l'effet de la pression positive et négative dans les courbes d'absorbance. La littérature permet d'établir une corrélation entre la PIC absolue (dans chaque position du corps) et l'absorbance, nous pouvons conclure qu'en raison de la géométrie de l'oreille moyenne, la relation d'équilibre entre les valeurs absolues est PIC = 15 x P_cae , où 15 est le rapport des surfaces entre la MT et la platine de l’étrier. Des sujets suivis par une mesure invasive de la PIC seront nécessaires pour la continuation de cette étude. / There is no validated non-invasive method for determining the absolute value of intracranial pressure (ICP). Ear connect cerebrospinal fluid (CSF) and cochlear fluid via cochlear aqueduct. The goal of this project is to use ear absorbance, optimal when the vibrating structures are in resting position, so the stapes when the pressure outside the ear (in the external ear canal -Peec) counteracts the ICP through the middle ear ossicles. Subjects are testing in different tilt body position, which increase ICP, using a tympanometer Wideband. 78 ears of control subjects between 20 and 30 years have shown that the absorbance is maximum at all frequencies at Peec = 0 mmH2O in standing posture, decreases in a complex way at zero Peec, but again identical to the maximum absorbance at Peec = 13 mm H2O ± 7 in supine, and 23 mm H2O ± 14 in Trendelenburg posture (-30 °), this in 68 ears out of 78. The remaining 10 ears had an anatomical dysfunction. A physical model was established from a classical electromechanical ear model, which reproduces the observed behavior by attributing to the ICP the cause of changes in absorbance and predicting the ability for Peec to offset the absorbance changes due to ICP. Furthermore, 3 patients treated with a perfusion test were tested as well as 2 patients treated by a lumbar puncture. These patients showed the effect of positives and negatives pressure in absorbance curves. Literature make possible a correlation between absolute ICP (in every tilt body position) and absorbance, we can conclude that due to the geometry of the middle ear, the equilibrium relationship between absolute values is ICP = 15 x Peec, where 15 is the ratio of the areas between the tympanic membrane and the stape plate. Subjects tested by invasive measurement of ICP will be required for the continuation of this study.