Dans cette thèse, nous avons développé des outils pour simuler des imageslongitudinales réalistes de cerveau présentant de l’atrophie ou de lacroissance. Cette méthode a été spécifiquement élaborée pour simuler leseffets de la maladie d’Alzheimer sur le cerveau. Elle se fonde sur un modèle dedéformation du cerveau qui décrit les effets biomécaniques d’une perte detissue due à une carte d’atrophie prescrite. Nous avons élaboré une méthodepour interpoler et extrapoler les images longitudinales d’un patient en simulantdes images avec une carte d’atrophie spécifique au sujet. Cette méthode a étéutilisée pour interpoler des acquisitions temporelles d’Images par RésonnanceMagnétique (IRM) de 46 patients souffrant de la maladie d’Alzheimer. Pour cefaire, des cartes d’atrophie sont estimées pour chaque patient, d’après deuxacquisitions IRM temporelles distinctes. Les IRM cliniques présentent du bruitet des artefacts. De plus, les acquisitions longitudinales présentent desvariations d’intensité d’une image à l’autre. Nous avons donc élaboré uneméthode qui combine le modèle de déformation du cerveau, ainsi que lesdifférentes images cliniques disponibles d’un patient donné, afin de simuler lesvariations d’intensité des acquisitions longitudinale. Pour finir, les outils desimulation d’images réalistes développés au cours de cette thèse sont mis àdisposition en open-source. / This thesis develops a framework to simulate realistic longitudinal brainimages with atrophy (and potentially growth), particularly in the case ofAlzheimer's Disease (AD). The core component of the framework is a braindeformation model: a carefully designed biomechanics-based tissue loss modelto simulate the deformations having the prescribed atrophy. The thesispresents a method to interpolate or extrapolate longitudinal images of asubject by simulating images with subject-specific atrophy patterns. Themethod was used to simulate interpolated time-point Magnetic ResonanceImages (MRIs) of 46 AD patients by prescribing atrophy estimated for eachpatient from the available two time-point MRIs. Real MRIs have noise andimage acquisition artefacts, and real longitudinal images have variation ofintensity characteristics among the individual images. In this thesis, wepresent a method that uses our brain deformation model and different availableimages of a subject to add realistic variations of intensities in the syntheticlongitudinal images. Finally, the software developed during the thesis tosimulate realistic longitudinal brain images with our brain deformation modelis released open-source.

L'analyse des changements morphologiques du cerveau dans des séries temporelles d'images est un sujet important en neuroimagerie. Bien que le développement des bases de données longitudinales ait aidé à réduire la variabilité inter-individu, il reste encore de nombreux biais qui doivent être évités lors de l'estimation des évolutions longitudinales. De plus, lorsque les changements intra-sujet sont très faibles par rapport à la variabilité inter-sujet, il est crucial de savoir si les méthodes existantes peuvent capturer sans biais les changements longitudinaux. Dans la plupart des études, les changements longitudinaux sont limités à leur composante volumétrique scalaire afin d'en faciliter l'analyse. Cependant, les changements cérébraux ne sont généralement pas uniquement volumétriques et dans ce cas multivarié, l'interprétation est alors plus difficile. Cette thèse adresse ces problèmes en suivant trois axes principaux. Premièrement, nous proposons une chaîne de traitement longitudinale reposant sur la morphométrie à partir de déformations et ayant pour but d'estimer de manière robuste les changements longitudinaux. Afin d’éviter de rajouter du biais, nous détaillons tout l'enchaînement des étapes de traitement. En plus de cette contribution, nous intégrons une modification de l'algorithme de recalage non-linéaire qui consiste à masquer le terme de similarité tout en conservant la symétrie de la formulation. Cette contribution augmente la robustesse des résultats vis-à-vis des artefacts d'intensité situés en bordure du cerveau et augmente ainsi la sensibilité de l'étude statistique réalisée sur les déformations longitudinales / Analysing the progression of brain morphological changes in time series of images is an important topic in neuroimaging. Although the development of longitudinal databases has helped reducing the inter-individual variability, there still exist numerous biases that need to be avoided when capturing longitudinal evolutions. Moreover, when the intra-subject changes are very small with respect to the inter-subject variability it is crucial to know if the available methods can capture the longitudinal change with no bias. In most of the studies, these longitudinal changes are limited to scalar volumetric changes in order to ease their analysis. However, one can observe that brain changes are not limited to volumetry. In this multivariate case, the interpretation is more difficult. This thesis addresses these problems along three main axes. First, we propose a longitudinal Deformation-based Morphometry processing pipeline to robustly estimate the longitudinal changes. We detail the whole sequencing of the processing steps as they are key to avoid adding bias. In addition to this contribution we integrate a modification to the non-linear registration algorithm by masking the similarity term while keeping the symmetry of the formulation. This change increases the robustness of the results with respect to intensity artifacts located in the brain boundaries and leads to increased sensitivity of the statistical study on the longitudinal deformations. The proposed processing pipeline is based on freely available software and tools so that it is fully reproducible