L'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN) permet l'obtention d'images anatomiques et morphologiques de grande qualité. Il est actuellement possible sur les imageurs cliniques d'obtenir des paramètres de fonction associés aux données morphologiques. Nous nous sommes intéressés à l'imagerie de diffusion par RMN pour les explorations hépatiques. Cette technique mesure les mouvements microscopiques de l'eau dans les tissus permettant l'obtention d'un paramètre fonctionnel nommé coefficient de diffusion apparent (CDA).Nous nous sommes attachés à étudier l'influence des paramètres d'acquisition et de post traitement sur les valeurs mesurées de CDA : valeur de b, taille et position de la région d'intérêt, méthode de suppression de la graisse, utilisation d'un trigger cardiaque, et respiratoire. Nous avons ensuite étudié le potentiel éventuel de cette imagerie pour des applications cliniques : quantification de la fibrose dans le cadre des hépatopathies et optimisation de la caractérisation des lésions focales hépatiques. Dans une dernière partie, nous avons corrélé les données de l'imagerie de diffusion à l'histologie, afin de mieux appréhender l'interprétation de ces nouvelles données. L'imagerie de diffusion a un formidable potentiel pour la détection des lésions focales et pour la caractérisation lésionnelle sous réserve de réaliser un protocole d'acquisition et de post traitement strict permettant de s'affranchir des artéfacts de mouvements. Malgré cela les valeurs mesurées de CDA sont soumises à de très nombreuses contraintes qui limitent encore actuellement son utilisation pour les applications clinique usuelles. / Magnetic Resonance (MR) allows to obtain high quality anatomical and morphological images. Thanks to the recent developments on clinical systems, it is possible to add functional information that we associate with these morphological data. We were interested in Diffusion Weighted Imaging (DWI) by MR for hepatic explorations. This technique measures the microscopic movements of water allowing to obtain a functional parameters like the Apparent Diffusion Coefficient (ADC). However, this information is very sensitive to cardio-respiratory motions. We analysed the different MR parameters; the b value, the size and the position of the region of interest, different methods of fat suppression, and the benefit of a cardiac trigger and/or respiratory trigger. Potential of the DWI for clinical applications are the quantification of the fibrosis within the framework of the diffuse diseases and an optimization of the characterization of the hepatic focal lesions. We correlated DWI with histology, in order to understand the interpretation of the new information obtained. DWI has a large potential for the detection and characterization of the focal lesions. However, the management of motion is important to obtain correct ADC values. We fund many limits to use DWI for clinical routine.

La tractographie et stimulation peropératoire optimiseraient l'exérèse tumorale en conservant la qualité de vie. Les principes du tenseur de diffusion, de la tractographie et de la stimulation cérébrale sont présentés. Une étude de la tractographie des radiations optiques et sa validation sur un modèle lésionnel ont permis de confirmer la faisabilité de la reconstruction. Parmi les algorithmes testés, le plus performant était le " Tensor Line " prédisant un risque de quadranopsie lorsque plus de 5 pour cent des trajectoires avaient une intersection avec le volume lésionnel. La 2ème partie portait sur les processus cognitifs du langage dont la traduction, en stimulation corticale lors de chirurgies éveillées pour 7 patients bilingues. Vingt six zones d'interférences de tâches ont été retrouvées mais aucune n'était spécifique de la traduction qui reste complexe à étudier. Enfin, les perspectives d'intégration de ces 2 techniques sont évoquées à travers 3 cas cliniques. / Tractography and intraoperative stimulation would optimize tumor resection preserving the quality of life. The principles of diffusion tensor, tractography and brain stimulation are shown. A study of tractography of optic radiation and validation on a lesion model was able to confirm the feasibility of the reconstruction. Among the tested algorithms, the most effective was the "Tensor Line" predicting a risk of quadrantanopia when more than 5% of the trajectories have an intersection with the lesion volume. The second part focused on the cognitive process of language whose translation by cortical stimulation during awake surgery for 7 bilingual patients. Twenty-six interference tasks area were found but none was specific to the translation, which is complex to study. Finally, the prospects for integration of these 2 techniques are discussed through three clinical cases.

Comprendre l'organisation de la connectivité structurelle du cerveau ainsi que comment celle-ci contraint sa fonctionnalité est une question fondamentale en neuroscience. L'avènement de l'Imagerie par Résonance Magnétique de diffusion (IRMd) a permis l'estimation de la connectivité des neurones in vivo. Dans cette thèse, nous profitons de ces avancées pour : étudier l'organisation structurelle du cerveau ; étudier la relation entre la connectivité, l'anatomie et la fonction cérébrale ; identifier les régions corticales correspondantes d'un sujet à un autre ; et inférer la connectivité en présence de pathologie. Cette thèse contient trois contributions majeures. La première est un modèle pour la connectivité axonale et une technique efficace pour diviser le cerveau en régions de connectivité homogène. Cette technique de parcellisation permet de diviser le cerveau tant pour un seul sujet que pour une population. Les parcelles résultantes sont en accord avec les parcellations anatomiques, structurelles et fonctionnelles existant dans la littérature. La seconde contribution de cette thèse est une technique qui permet d'identifier les régions correspondantes d'un sujet à un autre. Cette technique, basée sur le transport optimal, offre une meilleure performance que les techniques courantes. La troisième contribution est une technique de segmentation, dite multi-atlas, pour identifier les faisceaux d'axones de la matière blanche de patients atteints d'une pathologie cérébrale. Comme les techniques existantes, notre approche utilise l'information spatiale provenant d'atlas de sujets sains, mais pondère celle-ci avec l'information d'IRMd du patient. Nous montrons que notre technique obtient de meilleurs résultats que les méthodes non pondérées. / Understanding how brain connectivity is organized, and how this constrains brain functionality is a key question of neuroscience. The advent of Diffusion Magnetic Resonance Imaging (dMRI) permitted the in vivo estimation of brain axonal connectivity. In this thesis, we leverage these advances in order to: study how the brain connectivity is organized; study the relationship between brain connectivity, anatomy, and function; find correspondences between structurally-defined regions of different subjects, and infer connectivity in the presence of a brain’s pathology. We present three major contributions. Our first contribution is a model for the long-range axonal connectivity, and an efficient technique to divide the brain in regions with homogeneous connectivity. Our parceling technique can create both single-subject and groupwise structural parcellations of the brain. The resulting parcels are in agreement with anatomical, structural and functional parcellations extant in the literature. Our second contribution is a method to find correspondence between structural parcellations of different subjects. Based on Optimal Transport, it performs significantly better than the state-of-the-art ones. Our third contribution is a multi-atlas technique to infer the location of white-matter bundles in patients with a brain pathology. As existent techniques, our approach aggregates spatial information from healthy subjects, our novelty is to weight such information with the diffusion image of the patient. We show that our technique achieves better results than the non-weighted methods.

Ce mémoire porte sur la segmentation des fibres de la matière blanche et sur le développement d'outils visuels permettant d'interagir avec les résultats. Pour y parvenir, une métrique innovatrice permettant de quantifier la différence entre deux fibres de la matière blanche est créée. Cette mesure fait appel à des notions de multirésolution, de courbure, de torsion afin de caractériser la forme géométrique d'une fibre. Elle regroupe également des mesures plus simples telles la distance du cosinus, la distance euclidienne entre les centres de masse et la différence des longueurs d'arc pour capter respectivement l'orientation, la translation et la taille d'une fibre. Ensuite, une nouvelle technique de segmentation permettant de gérer des quantités importantes de données est développée. Finalement, ces nouvelles méthodes sont validées sur différents jeux de données.

Notre vision de l'épilepsie du lobe temporal avec sclérose hippocampique a beaucoup évolué grâce aux techniques de neuroimagerie multimodale. Initialement perçue comme maladie restreinte à la lésion, à savoir la sclérose hippocampique (SH), elle est aujourd'hui considérée comme un modèle de pathologie en réseau. Cette thèse a pour but d'approfondir les caractéristiques du réseau sous tendant cette épilepsie.Nous avons pour cela recueilli des données de connectivité structurelle, d'EEG et de données cognitives chez une cohorte de 44 patient avec SH unilatérale (22 droite, 22 gauche) et chez 28 sujets contrôle. Nous avons déterminé les régions d'intérêt corticales et le volume hippocampique avec Freesurfer et la connectivité structurelle (locale ou en réseau) avec MRtrix ou FSL.Trois principaux résultats émergent de ces études :1. La connectivité globale montre un pattern de déconnexion très marqué de l'hémisphère gauche en cas de SH gauche. La SH semble donc s'accompagner d'une atteinte de réseau plus importante lorsqu'elle se situe dans l'hémisphère dominant pour le langage.2. La connectivité hippocampo-thalamique est augmentée du côté de la SH. Cette augmentation semble dysfonctionnelle, car corrélée avec une baisse de fonctions cognitives exécutives. 3.L'EEG de ces patients révèle des anomalies interictales ipsi-latérales qui sont corrélées avec une diminution de fonctions cognitives exécutives. Nos données confirment ainsi le concept de l'épilepsie du lobe temporal en tant que pathologie de réseau. L'atteinte structurelle, mais également cognitive s'étend sur des régions à distance de l'hippocampe et affecte notamment les réseaux de langage de l'hémisphère dominant / Our vision of temporal lobe epilepsy (TLE) with hippocampal sclerosis has much evolved in recent years. Initially regarded as a disease centered on a single lesion, it is now perceived as a genuine network disease, which we intended to explore with a multimodal approach. We examined structural connectivity, fMRI, EEG and cognitive dysfunction in a cohort of 44 patients with unilateral hippocampal sclerosis (HS, 22 with right, 22 with left HS) and 28 healthy age and gender matched control participants. Cortical regions of interest and hippocampal volumes were determined with Freesurfer, structural connectivity with MRtrix (pairwise disconnections and component effects with Network Based Statistics), or for hippocampal-thalamic connections with FSL. We found a pronounced pattern of disconnections most notably in the left hemisphere of patients with left TLE. Network Based Statistics showed large bi hemispheric clusters lateralized to the diseased side in both left and right temporal lobe epilepsy. We suggest that hippocampal sclerosis is associated with widespread disconnections if situated in the dominant hemisphere. We then determined streamline connections between hippocampus and thalamus and found an increase in connections in relation to the HS. This increase was seemingly dysfunctional as the number of hippocampal-thalamic connections was negatively correlated with performance in executive tasks. EEG analysis revealed predominantly ipsilateral epileptic discharge. The number of sharp waves was highly correlated with a number of executive functions depending on the frontal lobe, hence at distance of the HS. Our data thus confirms the concept of temporal lobe epilepsy as a network disease that finds its expression both in widespread, though lateralized alterations of structural connectivity and in neuropsychological dysfunction way beyond the hippocampus.

Ce mémoire rapporte la mise en oeuvre de la technique d'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) de l'hélium-3 hyperpolarisé à 0,1 T puis à 1,5 T, in vivo, chez l'Homme sain. L'utilisation des gaz hyperpolarisés en IRM entraîne deux conséquences majeures : l'absence de régénération de l'aimantation longitudinale et une diffusion très rapide. Prenant en considération ces deux contraintes, différentes stratégies d'acquisition sont comparées à bas champ (0,1 T) : séquences "single-shot" (RARE et EPI) et "multi-shot" (FLASH). On montre ainsi que la séquence RARE permet d'acquérir des images de bonne qualité en moins de 400 ms avec peu de gaz ; la séquence EPI a l'avantage de la rapidité mais entraîne davantage d'artefacts, en particulier en raison du terme de Maxwell ; ces deux séquences sont intrinsèquement limitées en résolution à 5 mm in vivo ; la séquence FLASH, moins efficace en termes de rapport signal sur bruit, permet cependant d'atteindre de meilleures résolutions. Les avantages de l'utilisation d'un bas champ magnétique en régime hyperpolarisé sont discutés : en particulier, le rapport signal sur bruit est, dans une très large gamme, indépendant du champ principal. Des mesures RMN puis IRM de diffusion utilisant la technique CPMG sont présentées et permettent de mettre en évidence la restriction due à la structure alvéolaire des poumons.

1er objectif : Mieux caractériser les surdités neuro-sensoriellesNous avons démontré dans ce travail de thèse que nous étions capablesd’individualiser le saccule et l’utricule pour faire le diagnostic d’hydropscompartiment par compartiment. L’intérêt repose sur les propriétés biomecaniquesdifferentes de ces deux structures notamment en terme decompliance. En isolant l’hydrops sacculaire, nous avons démontré qu’ilétait lié à la présence de surdité neurosensorielle pour les patients avecune Maladie de Ménière mais également qu’il pouvait être détecté pourdes patients présentant des surdités isolées sur les basses fréquences, quine sont habituellement pas classées comme porteurs cliniquement de laMaladie de Ménière. Nous avons mis au point une séquence 3D-FLAIRutilisable en pratique clinique pour la détection d’hydrops sacculaire,utilisable quelque soit le champ magnétique et le constructeur.Pour les patients porteurs de schwannomes cochléo-vestibulaires, nousavons démontré que le degré de perte auditive était cette fois liée à laprésence d’un hydrops utriculaire. Ce diagnostic peut être porté sansinjection de produit de contraste puisque la présence d’un schwannomeobstructif entraine mécaniquement une augmentation du taux protidiquedans la périlymphe et donc une discrimination périlymphe/endolymphesur les séquences T2 en echo de gradient.En revisitant l’anatomie histologique avec la remnographie, nous avonsproposé une théorie bi-compartimentale pour les échanges endolymphe/liquidecéphalorachidien ; supposant que l’utricule et le saccule joue un rôle detampon entre le cerveau et la cochlée. En cas d’obstruction mécanique,au niveau de l’aqueduc du vestibule pour la maladie de Ménière et dunerf cochléo-vestibulaire pour les tumeurs du conduit auditif interne ; letampon ne joue plus son rôle. Surviennent alors des lésions cellulaires desstéréocils de la cochlée et la surdité attenante.2ème objectif : Mieux caractériser les altérations structurelles neuronalesrétro-cochléaires des surdités neurosensoriellesDu point de vue biophysique de l’IRM, l’étude du nerf cochléaire possèdel’avantage de posséder une structure simple essentiellement composéed’une seule population de fibre à modéliser par voxel, au prix d’une régiond’étude compliquée intricant de l’os, du liquide et de l’air dans l’ostemporal. Nous avons donc commencer par développer un algorithmede pré-traitement des données de diffusion qui utilise toutes les toolboxrécentes pour corriger les artéfacts de susceptibilité magnétique, de mouvements, de champ B0 et B1, les courants de Foucaults, les arrtéfactsde Gibbs. Nous avons utilisée une séquence de Diffusion optimisée pourêtre utilisable en pratique clinique en cas de mouvements des patients,construite par bloc de 15 directions.Nous avons ensuite appris à utiliser des biomarqueurs quantitatifs, notammentle coefficient de diffusion apparent des fibres, directement issusdu signal de Diffusion dont nous avons préalablement testé la fiabilitésur des données de diffusion multi-compartimentale de haute qualité auniveau de l’encéphale. Nous avons ensuite proposée une méthode originaled’extraction de l’information des voxels du nerf cochléaire appelée spectralclustering pour obtenir ce coefficient de densité des fibres de façon robusteau niveau de notre population témoin. Enfin, nous avons implémenté unalgorithme de Manifold Learning pour l’analyse de ce signal de diffusion,qui surpasse les biomarqueurs scalaires en confrontation à des modèlespathologiques auditifs en tenant compte de l’hétérogénité du signal dediffusion dans un cluster. Nous avons ainsi démontré que les patientsporteurs de la maladie de Ménière présentaient une augmentation de ladensité de fibre, en faisant de particulier bosn candidats à l’implantationcochléaire, en accord avec les premières études cliniques fonctionnellessur le sujet. / Sensorineural hearing loss (SNHL) is a common functional disorder in humans. Besides clinical investigations, magnetic resonance imaging (MRI) is the modality of choice to explore the central auditory pathways. Indeed, new MRI sequences and postprocessing methods have revolutionized our understanding of inner ear and brain disorders.The inner ear is the organ of sound detection and balance. Within the inner ear, there are two distinct compartments filled with endolymph and perilymph.The accumulation of endolymph fluid is called “endolymphatic hydrops”. Endolymphatic hydrops may occur as a consequence of a variety of disorders, including Meniere’s Disease, immune-mediated diseases or internal auditory canal tumors.Previous classification for grading the amount of endolymph liquid using MRI has proposed a global semi-quantitative evaluation, without distinguishing the utricle from the saccule, whose biomechanical properties are different in terms of compliance.This work had two main objectives: 1°) to better characterize the role of endolymphatic hydrops in SNHL occurrence; 2°) to study secondary auditory pathways alterations.Part 1: Understanding the role and pathophysiology of endolymphatic hydrops in SNHL occurrence.Endolymphatic hydrops can be identified using MRI, acquired 4-6-hours after injection of contrast media. This work has demonstrated the feasibility and improved this technique in a clinical setting.Using optimized morphological sequences, we were able to illustrate inner ear microanatomy based on temporal bone dissection, and to distinguish the saccule and the utricle.In accordance with a multi-compartmental model, we observed that the saccular hydrops was a specific biomarker of low-tone SNHL in the context of typical or atypical forms of Meniere’s Disease. In addition, utricular hydrops was linked to the degree of hearing loss in patients with schwannomas. We raise the hypothesis that both saccule and utricle compartment play the role of a buffer in endolymph reabsorption. When their compliance is overstretched, inner ear endolymph regulation fails, subsequently leading to cochlear lesions such as loss of the shorter stereocilia of the hair cells, as suggested by experimental animal modelsThus, we were able to prove the high prevalence of endolymphatic hydrops in patients with SNHL.Part 2: Development of new imaging biomarkers to study the central auditory pathways.Diffusion-Weighted Imaging play a crucial role because it can help to assess the intracellular compartment by displaying the Brownian movements of water molecules. In the context of cochlear lesions, anterograde axonal degeneration has only been demonstrated in animal models. In the context of retrocochlear lesions, no MRI sequences have previously showed efficiency in distinguishing the cochlear from the facial nerve. This is crucial for safe surgery procedure.We have designed optimized postprocessing tools to explore SNHL patients with High-Angular Resolution DWI acquisition. We have included in the clinical setting software tools for B0 and B1 bias field artifacts’ correction, Denoising process, Gibbs artifacts’ correction, Susceptibility and Eddy Current artifacts management.The ultimate goal was to properly study the Fiber Orientation Distribution (FOD) along the auditory pathways in case-controlled studies, using top-of-the-art methods of fixels analysis and a newly developed toolbox with Machine Learning analysis of the Diffusion signal.We have studied reproducibility of these two methods on Multi-Shell Diffusion gradient scheme by test-retest procedure. We have then used the fixel method to seek for auditory pathways alterations in Meniere’s Disease and Machine Learning automatic analyses to extract Inner Auditory Canal cranial nerves.Thus, we have developed a new method for cranial nerves’ tractography using FOD spectral clustering, efficient in terms of computer requirement and in tumor condition.

Ce mémoire présente l'ensemble des étapes de pré-traitement appliquées aux images provenant de l'imagerie par résonance magnétique de diffusion afin de conseiller les meilleurs paramètres dans une étude de tractographie. L'imagerie de diffusion nous donne l'information locale des déplacements moyens des molécules d'eau dans le cerveau. Cette information nous permet d'inférer l'architecture de la matière blanche. La reconstruction du signal de diffusion fait appel à différentes méthodes plus ou moins aptes à restituer la complexité des configurations de fibres. Dans ce mémoire, nous proposons une nouvelle méthode de reconstruction du phénomène de diffusion basée sur la décomposition en ondelettes sphériques. Ensuite, en combinant ces informations à tous les points du cerveau nous reconstruisons le réseau de fibres de la matière blanche par un algorithme de tractographie déterministe. Afin d'initier cet algorithme, nous proposons une nouvelle méthode d'initialisation dans le but de mieux gérer la complexité des configurations de fibres au sein d'un seul voxel. Les fibres reconstruites sont très difficiles à évaluer dans le cerveau car nous ne connaissons pas la configuration réelle des fibres. Pour être en mesure d'évaluer nos méthodes de reconstruction, nous utilisons un fantôme calquant la complexité des configurations de fibres trouvées dans le cerveau. Dans ce mémoire, nous proposons un ensemble de métriques et un système de notations permettant d'évaluer automatiquement la qualité des résultats d'une tractographie. Nous concluons l'étude concernant les données synthétiques par un ensemble de conseils sur les paramètres à utiliser afin d'obtenir des résultats de tractographie optimaux. Finalement, nous évaluons qualitativement les résultats de tractographie issus de données réelles afin de confirmer nos choix sur les données fantômes.

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Différentes méthodes ayant pour objectif une utilisation optimale d'antennes radio-fréquences spécialisées en imagerie par résonance magnétique sont développées et validées. Dans un premier temps, il est démontré qu'une méthode alternative de combinaison des signaux provenant des différents canaux de réception d'un réseau d'antennes mène à une réduction significative du biais causé par la présence de bruit dans des images de diffusion, en comparaison avec la méthode de la somme-des-carrés généralement utilisée. Cette réduction du biais engendré par le bruit permet une amélioration de l'exactitude de l'estimation de différents paramètres de diffusion et de diffusion tensorielle. De plus, il est démontré que cette méthode peut être utilisée conjointement avec une acquisition régulière sans accélération, mais également en présence d'imagerie parallèle. Dans une seconde perspective, les bénéfices engendrés par l'utilisation d'une antenne d'imagerie intravasculaire sont étudiés. Suite à une étude sur fantôme, il est démontré que l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire offre le potentiel d'améliorer significativement l'exactitude géométrique lors de mesures morphologiques vasculaires, en comparaison avec les résultats obtenus avec des antennes de surface classiques. Il est illustré qu'une exactitude géométrique comparable à celle obtenue grâce à une sonde ultrasonique intravasculaire peut être atteinte. De plus, plusieurs protocoles basés sur une acquisition de type balanced steady-state free-precession sont comparés dans le but de mettre en évidence différentes relations entre les paramètres utilisés et l'exactitude géométrique obtenue. En particulier, des dépendances entre la taille du vaisseau, le rapport signal-sur-bruit à la paroi vasculaire, la résolution spatiale et l'exactitude géométrique atteinte sont mises en évidence. Dans une même optique, il est illustré que l'utilisation d'une antenne intravasculaire permet une amélioration notable de la visualisation de la lumière d'une endoprothèse vasculaire. Lorsque utilisée conjointement avec une séquence de type balanced steady-state free-precession utilisant un angle de basculement spécialement sélectionné, l'imagerie par résonance magnétique intravasculaire permet d'éliminer complètement les limitations normalement engendrées par l'effet de blindage radio-fréquence de l'endoprothèse. / Specific methods for an optimal use of specialized magnetic resonance radiofrequency coils are developed and validated. First, an improved combination of signals from the different channels of an array coil is shown to lead to a significant reduction of the noise bias in diffusion images, in comparison to the generally accepted sum-of-squares combination method. This reduction of the noise bias is demonstrated to greatly improve the accuracy of the estimated diffusion and diffusion tensor parameters, both for a standard non-accelerated acquisition and when parallel imaging is used. In a second scope, the benefits arising from the use of an intravascular imaging antenna are investigated. Using a phantom study, it is demonstrated that intravascular magnetic resonance imaging offers the potential to improve the geometrical accuracy of morphological vascular measurements in comparison to standard surface magnetic resonance imaging and that a geometrical accuracy comparable to the one obtained using intravascular ultrasound can be reached. Several protocols based on a balanced steady-state free-precession sequence are compared in order to highlight the relations between several acquisitions parameters and the achieved geometrical accuracy. In particular, important relations between the vessel size, the vessel wall signal-to-noise ratio, the in-plane resolution and the achieved accuracy are illustrated. In a similar manner, the use of an intravascular antenna is demonstrated to be highly beneficial for an improved in-stent lumen visualization. When used with a balanced steady-state free-precession acquisition with a carefully chosen flip angle, intravascular magnetic resonance imaging can effectively eliminate the hindering aspect of the radiofrequency shielding effect caused by the presence of the vascular stent.