Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. Une première partie se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des bres musculaires du c÷ur à partir d'IRM de tenseur de di usion. Dans la deuxième partie est proposée une comparaison la fonction cardiaque de di érents patients ou du même patient a di érents instants par le recalage spatiotemporel de séquences 4D CT. La complexe organisation des bres musculaires cardiaques a un rôle très important dans le comportement électrique et mécanique du c÷ur. Pour étudier cette architecture des bres, nous avons proposé de nouveaux outils algorithmiques d'analyse statistique d'IRM de tenseurs de di usion. La nouveauté de cette approche est de réaliser cette analyse statistique directement sur les tenseurs de di usion l'a où la plupart des études statistiques se font sur des vecteurs ou angles d'orientation décrivant les directions des bres et des feuillets. La variabilité de l'orientation des bres et des feuillets est ensuite directement donnée par la matrice de covariance des tenseurs de di usion de laquelle sont extraites les variabilités des vecteurs propres. L'application de ces outils a une base de données d'IRM de tenseur de di usion de c÷urs de chiens acquis ex vivo a permis d'obtenir un atlas de l'architecture des bres mais aussi de révééler une cohérence de l'orientation des bres et une plus grande variabilité de l'orientation des feuillets. Ensuite, nous avons comparé l'atlas de c÷urs de chien à un c÷ur humain et un modèle synthétique couramment utilisé pour des simulations électromé- caniques ou l'analyse d'images cardiaques. Le c÷ur humain s'est révélé plus proche des c÷urs de chien au niveau de l'orientation des bres que de celle des feuillets. Le modèle synthétique quant à lui s'est montré trop simple pour décrire en détails la complexité de l'architecture des bres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction. Nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage nonlin éaire spatiotemporel de séquences d'images qui permet de comparer cette fonction cardiaque. Le recalage temporel assure la mise en correspondance d'instants physiologiques similaires. Le recalage spatial quant à lui doit assure une cohérence entre le mouvement des points physiques intra-séquence et leur mise en correspondance inter-séquence. Cette cohérence est assurée par les contraintes de trajectoires liant les transformations intras équences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les di érences anatomiques au cours du temps. Sous ces contraintes de trajectoires, le recalage spatial 4D est simpli é en un recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des Demons Di eomorphes Multicanaux. Cette méthode de recalage spatiotemporel est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée a d'autres techniques existantes, cette technique de recalage s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, mais aussi de temps de calcul. Un exemple d'application possible du recalage spatiotemporal est proposé avec la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques avant et après thérapie.

La conception classique de l'organisation des réseaux cérébraux participant au langage décrit deux zones corticales, l'une frontale (Broca), l'autre temporale intervenant respectivement dans la production et la compréhension du langage, unies par un faisceau de substance blanche: le faisceau longitudinal supérieur. L'imagerie par résonance magnétique d'activation (IRMf) a rendu possible la visualisation de zones d'activation corticales, et l'imagerie en tenseur de diffusion avec la tractographie celle des faisceaux de substance blanche. Ces données nouvelles permettent de repenser l'organisation corticale et sous-corticale du langage. L'ensemble des travaux en imagerie d'activation étaye l'hypothèse d'une dissociation dorso-ventrale du traitement du langage. Les zones de traitement de l'information phonétique étant dorsales, et les centres impliqués dans le traitement sémantique plus ventraux. Imagerie d'activation, imagerie du tenseur de diffusion, stimulations corticales et sous-corticales ont permis d'aboutir à un modèle de réseau du langage impliquant une voie dorsale, essentiellement phonologique et une voie ventrale, sémantique présentant deux composantes. La première est directe, par le faisceau fronto-occipital inférieur connectant les aires temporales postérieures à la région orbito-frontale. La seconde est une voie indirecte qui connecte successivement la région occipito-temporale au pôle temporal par l'intermédiaire du faisceau longitudinal inférieur puis le pôle temporal aux aires basifrontales par le faisceau unciné. Cette dernière voie est compensée après résection ou lors des stimulations per-opératoires, suggérant la possibilité de réseaux de suppléance parallèles et bilatéraux. Dans cette vision d'une voie ventrale sémantique bilatérale, notre travail a pour objet par l'utilisation de l'imagerie fonctionnelle d'activation, d'une part, et de l'imagerie en tenseur de diffusion d'autre part, 1) de vérifier le nombre de faisceaux qui sous-tendent cette voie et en particulier de la part attribuable au faisceau longitudinal moyen; 2) de caractériser les réorganisations de la connectivité fonctionnelle du réseau du langage après une chirurgie de tumeur gliale hémisphérique gauche. Dans la première partie de ce travail, après avoir rappelé la filiation phylogénétique de l'homme et du primate non-humain, en insistant sur les dissemblances qui existent dans leur anatomie corticale et sous-corticale, nous exposons comment ces données ont permis d'aboutir à la découverte du faisceau longitudinal moyen chez l'homme. Nous confirmons la visibilité en imagerie du tenseur de diffusion de ce faisceau et nous précisons ses rapports avec les différents faisceaux de substance blanche constitutifs des voies ventrales et dorsales du langage. Enfin nous discutons ces données tractographiques à la lumière de la dissection et discutons du rôle présumé du faisceau dans le langage. Dans un deuxième temps, nous présentons les concepts de connectivité anatomique, fonctionnelle et effective. Puis nous appliquons un outil d'analyse de la connectivité fonctionnelle à des données périopératoires en tâches de fluence afin de réaliser une cartographie de la plasticité périopératoire de la composante sémantique du langage. Les résultats de cette deuxième étude suggèrent un recrutement de l'hémisphère ipsilatéral à la lésion au décours de la chirurgie. Enfin, nous évoquons la possibilité d'induire une désynchronisation (i.e. une altération de la connectivité) du réseau du mode par défaut par une stimulation peropératoire de la partie postérieure du faisceau cingulaire, induisant une sensation de dépersonnalisation, ces résultats suggérant qu'une des fonctions du noeud le plus postérieur du réseau soit de maintenir un état de conscience du monde extérieur. / According to classical conception of the anatomo-functional organization of language, there are two main cortical areas: a frontal area (Broca) and a temporal one (Wernicke) respectively involved in language production and comprehension. Functional magnetic resonance Imaging (fMRI) reveals cortical areas of activation and diffusion tensor imaging-based tractography (DTI) makes feasible the visualization of white-matter tracts in the human brain. On the basis of these techniques, a new conception of language cortical and sub-cortical organization arose, supporting the hypothesis that language processing network is dissociated in an dorso-ventral way. Dorsal areas of the brain being devoted to phonologic processing and its ventral areas to semantic processing of speech. Different techniques such as fMRI, DTI, intraoperative cortical and subcortical mapping made possible to describe two pathways involved in the language network: a dorsal stream and a ventral stream respectively involved in phonologic and semantic processing. As the dorsal route is composed of a unique pathway, the superior longitudinal fasciculus, the ventral stream appears to be composed of two different pathways. First a direct pathway, the inferior occipitofrontal fasciculus, connecting the posterior temporal areas to the orbitofrontal region. The second one, an indirect pathway, the inferior longitudinal fasciculus links the posterior occipitotemporal to the temporal pole, then relayed by the uncinate fasciculus connecting the temporal pole to the basifrontal areas. According to these observations the aim of our work is In the present work, we aim (1) to confirm that the MdLF is constantly found in control subjects and that it can be delineated from the other fiber tracts that constitute language pathways, (2) to characterize the reorganization of language network's functional connectivity follmowing surgical removal of left hemisphere low grade gliomas. In this study, we confirmed that the MdLF is constantly found in healthy volunteers and we clearly delineate the MdLF from the other fascicles that constitute language pathways, especially the ventral pathway. Considering language plasticity, our findings suggest that in the postoperative period, brain plasticity occurs with an ipsilateral recrutment and increased fonctional connectivity in the left hemisphere. Finally, we report a collaborative work observing that intraoperative electrostimulations of the white matter underlying the left posterior cingulate, while performing a naming task, systematically induced an unresponsive state for few seconds in relationship with a dream-like state. This result provides direct evidence that connectivity underlying the posterior node of the default mode network permits maintained consciousness of the external world.

OBJECTIFS : de précédentes études ont déjà démontré le potentiel de l’imagerie en tenseur de diffusion (DTI) pour détecter des anomalies médullaires dans la sclérose en plaques (SEP). L’objectif de ce travail était d’appliquer les techniques de DTI à des patients atteints de SEP et présentant une lésion médullaire symptomatique, afin de mettre en évidence une corrélation entre les variations des paramètres DTI et l’évolution clinique, et d’identifier des facteurs pronostiques prédictifs en DTI. METHODE : réalisation d’une étude prospective monocentrique chez des patients ayant une poussée médullaire de SEP traitée par corticoïdes intraveineux. Les patients étaient évalués cliniquement ainsi qu’en IRM (conventionnelle et DTI), à l’inclusion et à 3 mois. RESULTATS : seize patients ont été inclus. Lors du suivi à 3 mois, 12 patients étaient cliniquement améliorés. Tous sauf un avaient des valeurs de Fraction d’Anisotropie (FA) plus basses que les sujets normaux, au sein des lésions inflammatoires et dans la moelle apparemment normale, à l’inclusion ou lors du suivi à 3 mois. Les patients améliorés à 3 mois avaient une réduction significative de la Diffusivité Radiale (DR) (p=0,02) dans les lésions au cours du suivi. Ils avaient également une réduction significative du Coefficient de Diffusion Apparent moyen (p=0,002), de la Diffusivité Axiale (p=0,02) et de la DR (p=0,02) et une augmentation significative des valeurs de FA (p=0,02) dans la moelle apparemment normale. Les huit patients améliorés sur leur score ASIA (American Spinal Injury Association) sensitif à 3 mois avaient une FA initiale au sein des lésions inflammatoires significativement plus élevée (p=0,009) et une DR significativement plus basse (p=0,04) que les patients non améliorés. CONCLUSION : dans la SEP, l’IRM médullaire avec séquences en DTI détecte plus d’anomalies que l’IRM conventionnelle T2. Ces anomalies sont évolutives et corrélées au pronostic clinique, notamment celles observées dans la moelle épinière apparemment normale. Une diminution moins marquée des valeurs de FA initiales et plus marquée de la DR au sein des lésions inflammatoires est associée à un meilleur pronostic fonctionnel. / PURPOSE: the potential of Diffusion Tensor Imaging (DTI) to detect spinal cord abnormalities in patients with multiple sclerosis has already been demonstrated. The objective of this study was to apply DTI techniques to Multiple Sclerosis patients with a recently diagnosed spinal cord lesion, in order to demonstrate a correlation between variations of DTI parameters and clinical outcome, and to try to identify DTI parameters predictive of outcome. METHODS: a prospective single-centre study of patients with spinal cord relapse treated by intravenous steroid therapy. Patients were assessed clinically and by conventional MRI with DTI sequences at baseline and at 3 months. RESULTS: Sixteen patients were recruited. At 3 months, 12 patients were clinically improved. All but one patient had lower Fractional Anisotropy (FA) and Apparent Diffusion Coefficient (ADC) values than normal subjects in either inflammatory lesions or normal-appearing spinal cord. Patients who improved at 3 months presented a significant reduction in the Radial Diffusivity (p=0.05) in lesions during the follow-up period. They also had a significant reduction in the mean ADC (p=0.002), Axial Diffusivity (p=0.02), Radial Diffusivity (p=0.02) and a significant increase in FA values (p=0.02) in normal-appearing spinal cord. Patients in whom the American Spinal Injury Association sensory score improved at 3 months showed a significantly higher FA (p=0.009) and lower Radial Diffusivity (p=0.04) in inflammatory lesion at baseline compared to patients with no improvement. CONCLUSION: DTI MRI detects more extensive abnormalities than conventional T2 MRI. A less marked decrease in FA value and more marked decrease in Radial Diffusivity inside the inflammatory lesion were associated with better outcome.

L’IRM de diffusion est une modalité d’imagerie médicale qui suscite un intérêt croissant dans larecherche en neuro-imagerie. Elle permet de caractériser in vivo l’organisation neuronale et apportepar conséquent de nouvelles informations sur les fibres de la matière blanche. En outre, il a étémontré que chaque région corticale a une signature spécifique pouvant être décrite par des mesuresde connectivité. Notre travail de recherche a ainsi porté sur la conception d’une méthode deparcellisation du cortex entier à partir de ces métriques. En se basant sur de précédents travaux dudomaine (thèse de P. Roca 2011), ce travail propose une nouvelle analyse de groupe permettantl’obtention d’une segmentation individuelle ou moyennée sur la population d'étude. Il s’agit d’unproblème difficile en raison de la variabilité interindividuelle présente dans les données. Laméthode a été testée et évaluée sur les 80 sujets de la base ARCHI. Des aspects multimodaux ontété abordés pour comparer nos parcellisations structurelles avec d’autres parcellisations ou descaractéristiques morphologiques calculées à partir des modalités présentes dans la base de données.Une correspondance avec la variabilité de l’anatomie corticale, ainsi qu’avec des parcellisations dedonnées d’IRM fonctionnelle, a pu être montrée, apportant une première validationneuroscientifique. / Résumé anglais :Diffusion MRI is a medical imaging modality of great interest in neuroimaging research. Thismodality enables the characterization in vivo of neuronal organization and thus providinginformation on the white matter fibers. In addition, each cortical region has been shown to have aspecific signature, which can be described by connectivity measures. Our research has focused onthe design of a whole cortex parcellation method driven by these metrics. Based on the previouswork of P. Roca 2011, a new group analysis is proposed to achieve an individual or populationaveraged segmentation. This is a difficult problem due to the interindividual variability present inthe data. The method was tested and evaluated on the 80 subjects of the ARCHI database.Multimodal aspects were investigated to compare the proposed structural parcelliations with otherparcellations or morphological characteristics derived from the modalities present in the database. Aconnection between the variability of cortical anatomy and parcellations of the functional MRI datawas demonstrated, providing a first neuroscientist validation.

Episode dépressif caractérisé (EDC) devient de plus en plus fréquent dans le monde entier. Les imageries fonctionnelles et volumétriques ont trouvé des activations anormales et des réductions de la substance grise cérébrale des patients d’EDC. Pourtant, le pattern des connexions cérébrales (le connectome structurel) des patients en EDC en imagerie de diffusion est peu connu et incomplet. L’objectif de ce travail est d’étudier le connectome structurel des patients d’EDC. Pendant 3 ans du 03/2014 au 03/2017, 56 patients d’EDC et 31 sujets sains de contrôles ont inclus dans l’étude. Tous ces patients ont reçu le même traitement de dépression de venlafaxine et ont été suivi 3 mois. Ils ont reçu l’évaluation clinique et d’IRM anatomique et de la diffusion cérébrale à l’inclusion et à 3 mois.Les contrôles ne sont évalués qu’à l’inclusion. A 3 mois, 37 patients sur 56 ont fini toutes les évaluations.On a trouvé que l’ancienne usage de l’antidépresseur (AD) et l’ancien épisode de dépression lient respectivement à l’augmentation et à la diminution de l’anisotropie cérébrale des patients déprimés. Aucune différence de l’anisotropie cérébrale entre les patients et les sujets sains à l’inclusion et à 3 mois du traitement n’a été détectée. La réponse à l’AD ne lie pas à l’anisotropie cérébrale des patients à l’inclusion et à 3 mois. La topographie des connexions semble modifiée mais pas significative. Ce résultat a mis en évidence pour la première fois 2 affections opposites de l’AD et de la dépression sur le connectome structurel cérébral à long terme. / Major depressive disorder (MDD) is expanding on worldwide. Functional and volumetric imaging found abnormal activities and reductions in cerebral gray matter in MDD patients. However, the pattern of brain connections (structural connectome) of MDD patients in diffusion imaging remains unclear. The objective of this work is to study the structural connectome of MDD patients. For 3 years from 03/2014 to 03/2017, 56 MDD patients and 31 healthy controls (HC) were included in the study. All of these patients received the same venlafaxine depression treatment and were followed for 3 months. They received clinical evaluation and anatomical MRI and cerebral diffusion at baseline and at 3 months. HC are evaluated once at inclusion. At 3 months, 37 out of 56 patients completed all assessments. The old use of the antidepressant drugs (AD) and the previous episode of depression have been found to be related to the increased and decreased of cerebral anisotropy in depressed patients, respectively. No differences in cerebral anisotropy between patients and HC at baseline and at 3 months of treatment were detected. The response to AD is not related to patients’ cerebral anisotropy at baseline and at 3 months. The topography of the connections seems modified but not significant. This result showed for the first time 2 opposing affections of AD and depression on the cerebral structural connectome in long term.

Le trouble bipolaire est un trouble de l’humeur chronique marqué par l'alternance de dépressions, d'épisodes maniaques et de rémissions. La neuroimagerie permet l'étude de l'anatomie et du fonctionnement cérébral des patients bipolaires. Des études existantes avaient ainsi retrouvé des anomalies dans les aires du traitement des émotions chez les patients bipolaires. L'IRM anatomique avait permis de mettre en évidence certaines modifications morphométriques des régions associées (amygdale, gyrus cingulaire, thalamus) ainsi que des hypersignaux de la substance blanche. En imagerie fonctionnelle, lors du traitement d'informations émotionnelles, les patients bipolaires présentaient une hyperactivation d'un réseau ventro-limbique et une hypoactivation d'un réseau dorsal cognitif. Nous avons tout d’abord utilisé l'IRM de diffusion pour étudier la connectivité anatomique dans le trouble bipolaire. Dans une première étude, nous avons reconstruit le faisceau uncine, reliant le réseau dorsal cognitif au réseau ventro-limbique, chez 16 patients bipolaires et 16 contrôles en utilisant les techniques de suivi de fibres dites de tractographie exploitant les données d'IRM de diffusion. Les patients bipolaires avaient plus de fibres reconstruites dans le faisceau uncine gauche. Dans le même échantillon, en étudiant l'anisotropie du processus de diffusion dans tout le cerveau, nous avons également identifié une augmentation diffuse de la connectivité anatomique chez les patients. Enfin, nous avons réalisé une étude multicentrique internationale d’IRM de diffusion incluant 118 patients 10 bipolaires et 86 contrôles. Nous avons alors montré une diminution significative de l'anisotropie le long du corps calleux, du cingulum gauche et du faisceau arqué gauche chez les patients. Les patients bipolaires avec caractéristiques psychotiques avaient une anisotropie du corps calleux plus basse que les patients sans caractéristiques psychotiques. Dans une seconde partie de notre travail, nous avons étudié l'interférence produite par une information émotionnelle sur un traitement cognitif chez les patients. Nous avons comparé 17 patients bipolaires euthymiques à 17 sujets contrôles en IRM fonctionnelle lors d'un paradigme de type go/no-go émotionnel. Notre étude apporte des arguments tendant à démontrer l'existence d'une altération de la modulation par une information émotionnelle d’un traitement cognitif chez les patients avec une hyperactivation d’un réseau fronto-cingulo-striatal. Enfin, nous avons réalisé une synthèse quantitative de la littérature s'intéressant à l'imagerie anatomique, fonctionnelle et de diffusion dans le trouble bipolaire. Nous avons retrouvé chez les patients une diminution d’activation dans les tâches émotionnelles et une diminution du volume de substance grise dans des régions frontales et dorsales, tandis que sont présentes des hyperactivations dans des régions limbiques. L'ensemble de ces résultats a permis de préciser le modèle neural du trouble bipolaire avec les anomalies les plus importantes au niveau des zones impliquées dans la régulation automatique des émotions. Nos travaux ont significativement contribué à faire envisager le trouble bipolaire comme lié à des anomalies de la connectivité préfronto-limbique. Ils ouvrent aussi des perspectives de travail pour progresser dans la compréhension de sa physiopathologie. En particulier, le suivi prospectif d'une cohorte de patients permettra d'évaluer l'influence de l'évolution de la maladie bipolaire sur la structure cérébrale. Les techniques récentes d'IRM de diffusion permettront de mieux comprendre la signification physiopathologique des anomalies identifiées. Enfin, la reconceptualisation dimensionnelle proposée par le DSM-5 et le NIMH permettra probablement d'identifier des dimensions plus pertinentes que les catégories diagnostiques actuelles. / [Summary made by the web site Reverso] The bipolar disorder is a confusion of the chronic humor marked by the alternation of depressions, manic episodes and forgiveness. The neuroimaging allows the study of the anatomy and the cerebral functioning of the bipolar patients. Existing studies had so found anomalies in the areas of the treatment of the feelings at the bipolar patients. The anatomical MRI had allowed to highlight certain morphométriques modifications of the regions associated (tonsil, gyrus cingulaire, thalamus) as well as hypersignals of the white material. In functional imaging, during the processing of emotional information, the bipolar patients presented a hyperactivation of a network ventro-limbique and a hypoactivation of a cognitive dorsal network. We used first of all the MRI of distribution to study the anatomical connectivity in the bipolar disorder. In a first study, we reconstructed the beam uncine, connecting(binding) the cognitive dorsal network with the ventro-limbique network, at 16 bipolar patients and 16 controls by using the techniques of follow-up of said fibers of tractographie exploiting the data of MRI of distribution. The bipolar patients had more fibers reconstructed in the beam left uncine. In the same sample, by studying the anisotropie of the process of distribution in all the brain, we also identified a diffuse increase of the anatomical connectivity at the patients. In the same sample, by studying the anisotropie of the process of distribution in all the brain, we also identified a diffuse increase of the anatomical connectivity at the patients. Finally, we realized a study international multicentrique of MRI of distribution including 118 bipolar patients 10 and 86 controls. We then showed a significant decrease of the anisotropie along the corpus callusum, along the left(awkward) cingulum and along the left hooked beam at the patients. The bipolar patients with psychotic characteristics had an anisotropie of the corpus callusum lower than the patients without psychotic characteristics. In a second part of our work, we studied the interference produced by an emotional information about a cognitive treatment at the patients. We compared 17 bipolar patients euthymiques on 17 subjects controls in functional MRI during one paradigm of type emotional go / no-go. Our study brings arguments tending to demonstrate the existence of a change of the modulation by an emotional information of a cognitive treatment at the patients with a hyperactivation of a fronto-cingulo-striatal network. Finally, we realized a quantitative synthesis of the literature being interested in the anatomical, functional imaging and of distribution in the bipolar disorder. We found at the patient's a decrease of activation in the emotional tasks and a decrease of the volume of grey matter in frontal and dorsal regions, whereas are present hyperactivations in limbiques regions. All these results allowed to specify the neural model of the bipolar disorder with the most important anomalies at the level of zones implied in the self-regulation of the feelings. Our works significantly contributed to make envisage the bipolar disorder as bound to anomalies of the préfronto-limbique connectivity. They also open working perspectives to progress in the understanding of its physiopathology. In particular, the forward-looking follow-up of patients' troop will allow to estimate the influence of the evolution of the bipolar disease on the intellectual structure. The recent techniques of MRI of distribution will allow to understand better the physiopathological meaning of the identified anomalies. Finally, the dimensional reconceptualisation proposed by the DSM-5 and the NIMH will probably allow to identify dimensions more relevant than the current diagnostic categories.

Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau “modèle composite” qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire. / Le travail de cette thèse est méthodologique centré autour de l'imagerie du tenseur de diffusion par résonance magnétique (DTI) avec des développements incluant des simula- tion Monte Carlo des signaux RMN de diffusion dans des modèles géométriques du tissu cérébral et des acquisitions de séquence DTI haute résolution 3D pour aboutir à l'imagerie "fibre tracking" dans le cerveau de souris. Différents modèles géométriques de la substance blanche, grise ou encore incluant les deux structures sont proposés. Le principe de leur génération est décrit ainsi que la gestion des contraintes liées à la compartimentation. Il est montré aussi le principe de l'élaboration d'un nouveau “modèle composite” qui per- met de modéliser des géométries complexes comme le mélange de différentes structures ou encore des différentes orientations des axes des fibres de la substance blanche. Un avantage au modèle composite est sa simplicité et le gain en temps de calcul. Les résul- tats des simulations ont été confrontés à des données in vivo et ont permis d'interpréter l'origine des signaux et d'évaluer l'impact de certains paramètres géométriques sur ces signaux. Ils ont permis aussi d'optimiser les conditions d'acquisition. Une application majeure des développements de l'imagerie 3D haute résolution est son application dans un modèle apparenté à la schizophrénie chez la souris. Par comparaison à des souris nor- males, il est montré, pour la première fois en utilisant DTI et l'imagerie fibre tracking, une baisse du volume de la matière blanche et une réduction, voire une absence de la partie post-commissurale du fornix, un tract qui relaie l'hippocampe vers le corps mamillaire.

La résolution actuelle des IRM pondérées en diffusion suggère qu'il y a entre un et deux tiers des voxels de la matière blanche qui contiennent plusieurs faisceaux de fibres qui se croisent. L'IRM par tenseur de diffusion (DTI) classique est intrinsèquement limitée à ces endroits par son hypothèse de base qu'un seul faisceau traverse chaque voxel de l'image. Le but de cette thèse est donc de développer des techniques d'IRM à haute résolution angulaire (HARDI) pour pouvoir retrouver une ou plusieurs fibres et surmonter aux limites DTI. L'imagerie par q-ball (QBI) est une technique récente qui permet d'estimer la distribution d'orientation des fibres (ODF). La technique de QBI ainsi que l'ODF de diffusion des fibres permettent de retrouver plusieurs directions de fibres en chaque voxel de l'image. Ceux-ci joueront donc un rôle important tout au long de ce document. Cette thèse propose plusieurs contributions originales. D'abord, nous développons l'estimation robuste du signal HARDI en utilisant une base modifiée d'harmoniques sphériques et un terme de régularisation. Ensuite, nous proposons la modélisation du coefficient de diffusion apparent (ADC) pour étudier les mesures d'anisotropie HARDI et faire la classification des voxels contenant une distribution isotrope, une distribution d'une seule population de fibres et une distribution de plusieurs faisceaux fibres. Nous proposons de plus, le développement d'une solution analytique pour estimer l'ODF de diffusion en QBI ainsi qu'un nouvel algorithme de segmentation de ces images d'ODF obtenues par le QBI. Nous présentons également le calcul de l'ODF de fibres avec une nouvelle méthode de déconvolution sphérique à partir des données QBI. Enfin, nous développons de nouveaux algorithmes de suivi de fibres (tracking) déterministes et probabilistes à partir de l'ODF du q-ball et l'ODF de fibres. Finalement, tous ces nouveaux algorithmes sont testés et appliqués sur des données HARDI simulées, sur un fantôme biologique et sur des données réelles de plusieurs sujets dans des régions complexes avec plusieurs faisceaux qui se croisent.Nos résultats illustrent clairement la valeur ajoutée de nos méthodes HARDI sur la plupart des méthodes courantes en DTI qui négligent ces faisceaux complexes, ce qui peut amener à une mauvaise analyse et interprétation de l'anatomie et des fonctions cérébrales.

Si l'imagerie par résonance magnétique (IRM) montre la charge lésionnelle qui reflète le caractère inflammatoire de la sclérose en plaques (SEP), il n'existe pas de marqueur permettant de prédire son évolution ou de caractériser les phénomènes de neurodégénérescence. Par conséquent, cette étude a pour objectif premièrement d'identifier des marqueurs de l'intégrité tissulaire par IRM de tenseur de diffusion (DTI), permettant de détecter les dommages tissulaires de type inflammatoire et/ou dégénératif, et deuxièmement de caractériser leur évolution par une analyse longitudinale, chez des patients de différentes formes cliniques. A cette fin, nous avons proposé une première approche régionale des substances blanche (SB) et grise (SG) sous-corticale et une deuxième approche statistique globale analysant par TBSS les variations d'anisotropie de la SB et par VBM la densité de la SG. Les résultats obtenus dans la SB montrent des variations de la fraction d'anisotropie (FA), et des diffusivités radiales et axiales reflétant respectivement une atteinte myélinique et une atteinte axonale alors que la SG présente une augmentation de la FA suggérant une atteinte dendritique neuronale. L'analyse par TBSS et VBM montre des anomalies touchant plutôt les régions sous-corticales chez les patients rémittents qui s'étendent aux régions corticales chez les patients de forme progressive. Longitudinalement, on retrouve essentiellement des changements de FA dans la SB et d'atrophie de la SG chez les patients rémittents. Ces travaux montrent que la DTI constitue une méthode sensible pour une meilleure détection et compréhension des altérations cérébrales et de leur évolution dans la SEP.

Ce travail de thèse s'est consacré à la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques à partir d'images médicales. Une première partie se concentre sur l'anatomie cardiaque avec une étude statistique de l'architecture des bres musculaires du c÷ur à partir d'IRM de tenseur de di usion. Dans la deuxième partie est proposée une comparaison la fonction cardiaque de di érents patients ou du même patient a di érents instants par le recalage spatiotemporel de séquences 4D CT. La complexe organisation des bres musculaires cardiaques a un rôle très important dans le comportement électrique et mécanique du c÷ur. Pour étudier cette architecture des bres, nous avons proposé de nouveaux outils algorithmiques d'analyse statistique d'IRM de tenseurs de di usion. La nouveauté de cette approche est de réaliser cette analyse statistique directement sur les tenseurs de di usion l'a où la plupart des études statistiques se font sur des vecteurs ou angles d'orientation décrivant les directions des bres et des feuillets. La variabilité de l'orientation des bres et des feuillets est ensuite directement donnée par la matrice de covariance des tenseurs de di usion de laquelle sont extraites les variabilités des vecteurs propres. L'application de ces outils a une base de données d'IRM de tenseur de di usion de c÷urs de chiens acquis ex vivo a permis d'obtenir un atlas de l'architecture des bres mais aussi de révééler une cohérence de l'orientation des bres et une plus grande variabilité de l'orientation des feuillets. Ensuite, nous avons comparé l'atlas de c÷urs de chien à un c÷ur humain et un modèle synthétique couramment utilisé pour des simulations électromé- caniques ou l'analyse d'images cardiaques. Le c÷ur humain s'est révélé plus proche des c÷urs de chien au niveau de l'orientation des bres que de celle des feuillets. Le modèle synthétique quant à lui s'est montré trop simple pour décrire en détails la complexité de l'architecture des bres. L'acquisition de séquences d'images cardiaques permet d'observer le mouvement cardiaque et donc sa fonction. Nous avons proposé un nouvel algorithme de recalage nonlin éaire spatiotemporel de séquences d'images qui permet de comparer cette fonction cardiaque. Le recalage temporel assure la mise en correspondance d'instants physiologiques similaires. Le recalage spatial quant à lui doit assure une cohérence entre le mouvement des points physiques intra-séquence et leur mise en correspondance inter-séquence. Cette cohérence est assurée par les contraintes de trajectoires liant les transformations intras équences décrivant le mouvement cardiaque aux transformations inter-séquences décrivant les di érences anatomiques au cours du temps. Sous ces contraintes de trajectoires, le recalage spatial 4D est simpli é en un recalage multicanal 3D résolu avec une nouvelle version des Demons Di eomorphes Multicanaux. Cette méthode de recalage spatiotemporel est appliquée au recalage inter-sujet de séquences 4D CT pour évaluation. Comparée a d'autres techniques existantes, cette technique de recalage s'est révélée le meilleur compromis en terme de précision, de régularité spatiale et temporelle, mais aussi de temps de calcul. Un exemple d'application possible du recalage spatiotemporal est proposé avec la comparaison de l'anatomie et de la fonction cardiaques avant et après thérapie.