Ce document présente une synthèse des travaux réalisés depuis une dizaine d'années au sein de l'University of California, San Francisco (UCSF) puis au Laboratoire des Sciences de l'Image, de l'Informatique et de la Télédétection (LSIIT) et au laboratoire ICube à Strasbourg. Ces activités se situent au confluent de l'informatique, des mathématiques appliqués et des neurosciences. Ce domaine de recherche, appelé neuro-informatique, concerne la conception et la réalisation de méthodes d'analyse, la constitution de base de données et des outils associés dont l'objectif est la compréhension du cerveau. Nos travaux se sont plus particulièrement focalisés sur le traitement et l'analyse de données IRM cérébrales, conduisant à aborder différentes problématiques telles que la reconstruction d'images, l'extraction d'information, la mise en correspondance ou la détection de changements. Les activités de recherche en neuro-informatique soulignent l'apport essentiel des méthodes de traitement de l'information afin de comprendre au travers de grandes masses de données le fonctionnement de systèmes complexes tels que le cerveau.

L’histologie virtuelle est un domaine qui suscite un intérêt de recherche croissant. Nous nous intéressons à une de ces techniques en particulier via l’imagerie de contraste de phase par rayonnement synchrotron. Cette imagerie nous permet d’observer des cerveaux de souris intacts avec une résolution spatiale de 8µm isotropique, soit une résolution similaire à celle d’une histologie optique classique mais sans endommager les tissus par des colorations ou des marquages spécifiques. Ces travaux de thèse sont organisés autour de trois grands axes. Un premier axe présente l’instrumentation photonique qui permet l’obtention du contraste de phase et le paramétrage original qui est proposé pour l’acquisition d’échantillons biologiques de composition hétérogène. Un second axe présente différents traitements d’images développés pour des tâches informationnelles précises telles que l’optimisation de la visualisation, la détection d’agrégats cellulaires et la tractographie de structures fibreuses. Enfin, une application biomédicale de ces traitements est proposée via la détection et la quantification de nanoparticules d’oxyde de fer dans un modèle expérimental d’accident vasculaire cérébral. / Virtual histology is a field of investigation with growing interest in the commmunity of bioimage analysis. We focus on one of these techniques with the phase contrast tomography using synchrotron radiation. This technique allows us to visualize mice brains with no impact and with a spatial resolution of 8µm isotropically, which is a resolution similar to the one obtained with classic optical histology but without damaging samples with specific dyeing. This thesis is organized along three main axes. The first one presents photonic instrumentation which gives us access to the phase information and the original setting of a reconstruction parameter for the acquisition of biological heterogeneous samples. A second axis shows several image processing developed in order to address different informational tasks such as visual optimization, cellular aggregates detection or fiber tractography. Eventually, a biomedical application of these process is proposed by adressing detection and quantification of iron oxide nanoparticles in an experimental model of stroke.

L'imagerie en tenseur de diffusion (DTI) est basée sur la mesure de la mobilité des molécules d'eau permettant l'analyse de la microarchitecture du tissu cérébral. Le trajet des fibres blanches peut être alors reconstruit par des méthodes de tractographie déterministes basées sur la direction principale de la diffusion. Toutefois elle repose sur des outils mathématiques complexes donnant un regard indirect sur les structures anatomiques, et sa validation est un enjeu majeur. Notre objectif a été de concevoir un objet-Test (OT) tri-Dimensionnel permettant la validation de la diffusion dans des faisceaux de fibres imitant l'organisation cérébrale. Cet OT se compose de trois modules: BOITE, SOLUTION, FIBRE réalisés en impression 3D. Il se compose de solutions de glucose et de fibres de dyneema orientées dans les trois orientations de l’espace. Nous nous sommes intéressés au développement d'une méthode de contrôle qualité des mesures quantitatives de diffusion dans le module SOLUTION. / Diffusion Tensor Imaging (DTI) is based on the measurement of water diffusion mobility in order to investigate brain microarchitecture and white fiber connectivity. The trajectory of white fibers bundles can be reconstructed by deterministic tractography methods depending on the principal direction of diffusion in tissu. However, tractography consist to complex mathematical algorithms reflecting an indirect visualization of white fibers. Our goal consisted to design a 3D phantom which imitates brain's diffusion properties, offering different degrees of diffusion mobility and imitating the organization of brain fibers. The phantom consists of three components 3D-Printing: BOX, SOLUTION, FIBER. The phantom was composed of various glucose solutions and dyneema synthetical fibers organized in all 3 directions. We developed a quality control of quantitative measurements for the SOLUTION's component. We have lead a comparison of fibers reconstruction between tractography and ground truth in FIBER's component. Results show that : ADC values were ranged on those brain values with glucose solutions; FA,

La recherche de prédicteurs d’habilités langagières en aphasie post-accident vasculaire cérébral (AVC) basés sur la matière blanche a récemment vu un élan. Cela a été motivé par l’émergence du modèle à double-voie où des faisceaux de matière blanche dorsaux et ventraux jouent un rôle important dans le langage, ainsi que par l’avènement de la tractographie basée sur l’imagerie par résonance magnétique (IRM) de diffusion permettant l’étude in-vivo des faisceaux de matière blanche et de leurs propriétés structurelles. Les caractéristiques structurelles et la charge lésionnelle des faisceaux de matière blanche ont permis de prédire les troubles langagiers dans la phase chronique dans quelques études. Cependant, les prédicteurs aigus de matière blanche des habilités syntaxiques en aphasie post-AVC chronique sont méconnus. L’exploitation de la tractographie dans l’étude des faisceaux langagiers de matière blanche a été limitée par plusieurs défis méthodologiques, dont la difficulté de reconstruire des faisceaux ayant une architecture complexe. Des progrès méthodologiques ont été récemment introduits afin d’adresser ces limites, dont le plus important est la tractographie basée sur l’imagerie à haute résolution angulaire (« HARDI »). Cependant, la fiabilité test-retest de la reconstruction et des propriétés structurelles d’une approche de tractographie HARDI de pointe n’a pas encore été évaluée. Le premier article de cette thèse visait à évaluer la fiabilité test-retest de la reconstruction et des propriétés structurelles (anisotropie fractionnelle, FA; diffusivité moyenne, axiale et radiale, MD, AD, RD; nombre d’orientations de fibres, NuFO; volume du faisceau; longueur moyenne des « streamlines ») de faisceaux langagiers majeurs (arqué, inférieur fronto-occipital, inférieur longitudinal, unciné, AF, IFOF, ILF, UF) obtenus avec une approche de tractographie HARDI de pointe. La majorité des mesures de propriétés structurelles ont montré une bonne ou excellente fiabilité. Ces résultats ont des implications importantes pour l’utilisation d’une telle approche pour l’étude des faisceaux langagiers de matière blanche, car ils renforcent la confiance dans la stabilité des reconstructions et les propriétés structurelles obtenus avec la tractographie HARDI. Le second article de cette thèse visait à déterminer si et quelles propriétés structurelles (FA, AD, volume du faisceau), et la charge lésionnelle, de l’AF et l’UF gauches dans la phase aigüe (≤ 3 jours), obtenus avec l’approche de tractographie HARDI utilisée dans le premier article, prédisent les habilités syntaxiques dans le discours spontané en aphasie post-AVC chronique (≥ 6 mois). Des régressions multiples ascendantes ont révélé que le volume de l’AF prédit la production des verbes, la complexité des phrases et la complexité de la structure argumentale du verbe. Le volume de l’UF a amélioré la prédiction de cette dernière. Ces résultats indiquent que le volume semble être un bon prédicteur précoce des habilités syntaxiques dans le discours spontané en aphasie post-AVC chronique. Mis ensemble, les résultats de cette thèse soulignent l’utilité d’une approche de tractographie HARDI de pointe et son potentiel pour le développement futur de biomarqueurs précoces pouvant améliorer le pronostic de patients ayant une aphasie post-AVC chronique. Cela pourrait promouvoir l’optimisation des soins et le développement de thérapies pour le bienfait des patients et leurs familles. / The search for white matter predictors of language abilities in post-stroke aphasia has gained momentum in recent years. This growing interest has been driven by the emergence of the dual-stream framework where dorsal and ventral white matter bundles play an important functional role in language, as well as the advent of diffusion magnetic resonance imaging (MRI)-based tractography which allows the in-vivo investigation of white matter bundles and their structural properties. Structural characteristics, as well as the lesion load, of white matter bundles have been previously found to predict language impairments in the chronic phase. However, little is known about acute white matter predictors of syntactic abilities in chronic post-stroke aphasia. Leveraging tractography to study white matter language bundles has been limited by several methodological challenges, such as the difficulty of reconstructing white matter bundles with a complex fiber architecture. A number of methodological advances have been introduced fairly recently to address these limitations, the most important of which is the advent of tractography based on High Angular Resolution Imaging (HARDI). However, the test-retest reliability of the reconstruction and structural properties of a state-of-the-art HARDI-based tractography pipeline has not been previously assessed. The first article of the present thesis aimed to assess the test-retest reliability of the reconstruction and structural properties (fractional anisotropy, FA; mean, axial, radial diffusivity, MD, AD, RD; number of fiber orientations, NuFO; bundle volume; mean length of streamlines) of major white matter language bundles (arcuate, inferior fronto-occipital, inferior longitudinal, and uncinate fasciculi, AF, IFOF, ILF, UF) obtained using a state-of-the-art HARDI-based tractography pipeline. Most measures of structural properties showed good to excellent test-retest reliability. These findings have important implications for the use of such a pipeline for the study of white matter language bundles, as they increase our confidence that the reconstructions and structural properties obtained from the tractography pipeline are stable and not due to random variations in measurement. The second article of the thesis aimed to determine whether and which structural properties (FA, AD, bundle volume), as well as the lesion load, of the left AF and UF in the acute phase post-stroke (≤ 3 days), obtained with the same state-of-the-art HARDI-based tractography pipeline used in the first article, predict syntactic abilities in connected speech in chronic post-stroke aphasia (≥ 6 months). Forward multiple regressions revealed that the left AF’s volume predicted the percentage of verbs produced, the structural complexity of sentences, as well as verb-argument structure complexity. The left UF’s volume improved the prediction of verbs with a complex argument structure. These findings indicate that the bundle volume may be a good early predictor of syntactic ability in connected speech in chronic post-stroke aphasia. Overall, the findings of this thesis highlight the usefulness of a state-of-the-art HARDI-based tractography approach and its potential for the future development of early biomarkers that could improve the prognosis and personalized care of patients with chronic post-stroke aphasia. This would promote the optimization of patient care and the development of therapies for the benefit of patients and their families.

Thèse de doctorat présenté en vue de l'obtention du doctorat en psychologie - recherche intervention, option neuropsychologie clinique (Ph.D) / Il est de plus en plus communément admis que la plupart des fonctions cognitives chez l’humain sont organisées sous forme de réseaux cérébraux distribués plutôt que strictement sous forme de modules anatomiques ségrégués et localisés. Parmi ces fonctions cognitives, nos capacités à nommer des objets ou à formuler des idées sont fondamentales dans la communication verbale et une perturbation de ces capacités peut mener à des limitations significatives au quotidien (ex. manque de fluidité, discours vide de sens, paraphasies et difficultés à se faire comprendre). La combinaison multimodale des données en imagerie par résonance magnétique (IRM) est une façon d’étudier ces réseaux cérébraux. Elle permet d’investiguer simultanément plusieurs pans de l’architecture neurobiologique qui forme ces réseaux cérébraux (ex. les dynamiques fonctionnelles qu’entretiennent les différentes aires cérébrales et leurs connexions anatomiques sous-jacentes). L’intégration de l’IRM fonctionnelle (IRMf) pour guider la tractographie représente une combinaison multimodale pertinente pour étudier le réseau fonctionnel (aires cérébrales) et structurel (fibre de matière blanche) qui permet la dénomination d’images chez l’humain. Néanmoins, la combinaison de ces modalités est complexe et il n’existe à ce jour aucune documentation strictement dédiée à l’intégration l’IRMf pour guider la tractographie (ex. procédurier, bonnes pratiques, etc.). Le premier objectif de cette thèse consistait donc à effectuer une synthèse intégrative des aspects méthodologiques associés à l’intégration de l’IRMf pour guider la tractographie via une étude de la portée (article/étude #1). Nos résultats sont organisés en 19 constats qui concernent les défis méthodologiques associés à cette méthode de combinaison multimodale. Nous y proposons également des recommandations, des pistes de solution et avons identifié des lacunes dans les connaissances associées à cette méthodologie. Le second objectif de cette thèse visait à cartographier le réseau cérébral impliqué dans la dénomination d’images en intégrant l’IRMf pour guider la tractographie auprès de jeunes adultes en santé (article/étude #2). En appliquant les connaissances de l’article/étude #1 dans le cadre d’une étude empirique, nous avons pu proposer un modèle neurocognitif de la dénomination d’images. Dans ce modèle, nous validons la présence d’une voie ventrale et dorsale du traitement de l’information. Les résultats suggèrent aussi que les parties postérieures du cortex inférotemporal et du gyrus temporal supérieur peuvent servir d’interface entre ces deux voies du traitement de l’information. Cette étude appuie également la suggestion d'une voie ventrale indirecte qui transige par le lobe temporal antérieur. Finalement, cette thèse propose un outil fort utile pour les chercheurs qui désirent utiliser cette méthode intégrative, avancer les connaissances ou encore développer de nouveaux outils méthodologiques. Grâce à a l’intégration de l’IRMf pour guider la tractographie et la triangulation des données issues d’autres méthodes, cette thèse offre une analyse détaillée des processus cognitifs et des bases neurobiologiques impliqués dans la dénomination d’images. Il s’agit encore ici d’un outil très pertinent pour tous les cliniciens qui ont recours à la dénomination d’images dans le cadre de leur pratique. / It has become more and more consensual that most cognitive functions in humans are organized in distributed brain networks rather than simply segregated and localized modules. Amongst these cognitive functions, our ability to name objects and elaborate ideas is fundamental for verbal communication as naming impairments can lead to significant limitations (i.e., lack of fluidity, empty speech, paraphasias and struggles to be understood). Multimodal magnetic resonance imaging (MRI) data combination provide opportunities for studying brain networks. It allows us to simultaneously investigate different aspects of the neurobiological architecture that forms brain networks (i.e., the functional dynamics that brain areas maintain together and their underlying anatomical connections). The integration of functional MRI (fMRI) to guide diffusion MRI (dMRI) tractography therefore represents an interesting way of combining multimodal MRI to study functional networks (brain areas) and white matter structures that allow picture naming abilities in humans. However, combining different MRI modalities remains a complex challenge and, up to this date, there is no documentation strictly dedicated to the integration of fMRI to guide dMRI tractography (i.e. bests practices, step-by-step guide, recommendations, etc.). The first objective of this thesis was to provide an integrative synthesis of the methodological aspects related to the integration of fMRI to guide dMRI tractography through a scoping review (article/study #1). Our results are organized in 19 findings which concern the methodological challenges associated with this multimodal combination technique. We there offer recommendations, solutions and identify gaps in the literature. The second objective of this thesis was to map the brain network involved in picture naming by integrating fMRI to guide dMRI tractography in healthy young adults (article/study #2). By applying the knowledge obtained from article/study #1 in the context of an experimental study, we were able to propose a neurocognitive model of picture naming. In this model, we confirm the presence of a ventral and dorsal information processing pathway. Our results also suggest that the posterior parts of the inferotemporal cortex and superior temporal gyrus may serve as an interface between these two information processing pathways. This study also supports the hypothesis of an indirect ventral pathway that relays through the anterior temporal lobe. Finally, this thesis offers a useful tool for researchers who wish to use this multimodal integrative method, advance knowledge or develop new methodological tools. Thanks to the integration of fMRI to guide dMRI tractography and the triangulation of data from other methods, this thesis was able to offer a complex and comprehensive look at the cognitive processes and neurobiological basis involved in picture naming. Again, this is also a very relevant tool for all clinicians who use picture naming in their everyday practice.

L’épilepsie insulaire (ÉI) est une forme rare d’épilepsie focale qui, en raison des défis liés à son diagnostic, est difficilement cernable. De plus, la prise en charge des patients avec ÉI s’avère complexifiée par le fait que cette pathologie est fréquemment résistante aux médicaments anti-crises. Pour ces cas médico-réfractaires, la chirurgie insulaire est une option viable. Cela dit, les patients subissant une telle intervention développent fréquemment des déficits neurologiques postopératoires; heureusement, la grande majorité de ceux-ci récupèrent complètement et rapidement. Or, le mécanisme sous-tendant ce singulier rétablissement fonctionnel demeure à ce jour mal compris. Deux modalités modernes d’IRM structurelle, soit l’analyse d’épaisseur corticale et la tractographie, ont permis, dans les dernières années, de décrire les altérations architecturales caractéristiques et potentiellement diagnostiques de divers types d’épilepsie ainsi que de caractériser les remodelages plastiques qui suivent la chirurgie de l’épilepsie extra-insulaire. Cependant, à ce jour, aucune étude ne s’est encore penchée sur le cas de l’ÉI. De ce fait, les études qui constituent cette thèse exploitent l’IRM structurelle afin, d’une part, de dépeindre les altérations d’épaisseur du cortex et de connectivité de matière blanche associées à l’ÉI et, d’autre part, de définir les réarrangements de connectivité subséquents à la chirurgie insulaire pour contrôle épileptique. Les deux premières études de cette thèse ont révélé que l’ÉI était associée à un pattern majoritairement ipsilatéral d’atrophie corticale et d’hyperconnectivité impliquant principalement des sous-régions insulaires et des régions connectées à l’insula. De manière intéressante, la topologie de ces changements correspondait, au moins en partie, à celle du réseau épileptique de l’ÉI. Ensuite, la troisième étude visait à décrire, par le biais d’une méta-analyse, l’histoire naturelle postopératoire des patients subissant une chirurgie pour ÉI. Cette analyse a, entre autres, confirmé que cette chirurgie était efficace (66.7% de disparition des crises) et qu’elle était fréquemment accompagnée de complications neurologiques (42.5%) qui, dans la plupart des cas, étaient transitoires (78.7% des complications) et récupéraient entièrement dans les trois mois postopératoires (91.6% des complications transitoires). Finalement, la quatrième étude a révélé que la chirurgie pour ÉI était suivie d’altérations de connectivité diffuses et bilatérales. Notamment, les connexions présentant une augmentation de connectivité concernaient particulièrement des régions localisées soit près de la cavité chirurgicale ou dans l’hémisphère controlatéral à l’intervention. De plus, la majorité de ces renforcements structurels se sont produits dans les six premiers mois suivant la chirurgie, un délai comparable à celui durant lequel la majeure partie de la récupération fonctionnelle postopératoire a été observée dans notre méta-analyse. En somme, nos résultats suggèrent que les altérations morphologiques en lien avec l’ÉI peuvent correspondre à son réseau épileptique sous-jacent. La topologie de ces changements pourrait constituer un biomarqueur structurel diagnostique qui aiderait à la reconnaissance de l’ÉI et, concomitamment, favoriserait possiblement un traitement chirurgical plus adapté et plus efficace. De plus, les augmentations de connectivité postopératoires pourraient correspondre à des réponses neuroplastiques permettant de prendre en charge les fonctions altérées par la chirurgie. Nos constats ont ainsi contribué à la caractérisation des mécanismes étayant la singulière récupération fonctionnelle accompagnant la chirurgie pour ÉI. À plus grande échelle, nos travaux offrent un aperçu du potentiel de l’IRM structurelle à assister au diagnostic de l’épilepsie focale ainsi qu’à participer à la description des changements plastiques subséquents à une résection neurochirurgicale. / Insular epilepsy (IE) is a rare type of focal epilepsy that is difficult to diagnose. In addition to the challenging nature of IE detection, management of patients with this condition is complicated by the tendency of insular seizures to be resistant to anti-seizure medications. For such medically refractory cases, insular surgery constitutes a viable and long-lasting therapeutic option. That said, patients who undergo an insular resection for seizure control frequently develop postoperative neurological deficits; fortunately, most of these impairments recover fully and rapidly. While this favorable postoperative course contributes to improving the outcome of IE surgery, the mechanism underlying the functional recovery remains unknown. Two contemporary structural MRI modalities, namely cortical thickness analysis and tractography, have recently been used to describe characteristic structural alterations of focal epilepsies and to elucidate the postoperative plastic remodeling associated with surgery for extra-insular epilepsy. While these analyses added to our understanding of several localization-related epilepsies, none specifically studied IE. In this thesis, we exploit structural MRI techniques to, first, depict the alterations of cortical thickness and white matter connectivity in IE and, second, define the progressive rearrangements that follow insular surgery for epilepsy. The first two studies of the current thesis showed that IE is associated with a primarily ipsilateral pattern of cortical thinning and hyperconnectivity that mainly involves insular subregions and insula-connected regions. Interestingly, the topology of these changes corresponded, at least in part, to the epileptic network of IE. Furthermore, the third study aimed to describe, via a meta-analysis, the postoperative outcome of patients undergoing surgery for IE. Among other findings, the analysis revealed that insular surgery was effective (66.7% seizure freedom rate) but was associated with a significant risk of neurological complications (42.5%) which, in most cases, were transient (78.7% of all complications) and recovered fully within three months (91.6% of transient complications). Finally, the fourth study showed that surgery for IE was followed by a diffuse pattern of bilateral structural connectivity changes. Notably, connections exhibiting an increase in connectivity were specifically located near the surgical cavity and in the contralateral healthy hemisphere. In addition, the majority of the structural strengthening occurred in the first six months following surgery, a time course that is consistent with the short delay during which most of the postoperative functional recovery was observed in our meta-analysis. Our results suggest that the morphological alterations in IE may reflect its underlying epileptic network. The topology of these changes may constitute a structural biomarker that could help diagnose IE more readily and, concomitantly, potentially enable a more targeted and more effective surgical treatment. Moreover, the postoperative increases in connectivity may be compatible with compensatory neuroplastic responses, a process that arose to recoup the functions of the injured insular cortex. Our findings have therefore contributed to the characterization of the driving process that supports the striking functional recovery seen following surgery for IE. On a larger scale, our work provides insights into the potential of structural MRI to assist in the diagnosis of focal epilepsy and to describe plastic changes following neurosurgical resections.

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La connaissance de l’architecture tridimensionnelle (3D) des fibres est cruciale dans la compréhension de la fonction du cœur humain. L’imagerie par résonance magnétique du tenseur de diffusion (IRM-DT) est une technique permettant de mesurer la diffusion des molécules d’eau dans des tissus humains, et donc d’étudier de manière non-invasive l’architecture 3D des fibres du cœur humain. Dans l’IRM-TD cardiaque, la tractographie des fibres est essentielle pour représenter et visualiser l’architecture des fibres, mais souvent utilisée qualitativement comme une dernière étape qui consiste à visualiser sur l’écran l’architecture myocardique obtenue à partir des données IRM-TD. Cependant, cette visualisation qualitative n’est pas suffisante pour décrire de manière objective et complète l’architecture des fibres. L’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles approches pour la tractographie et pour la description quantitative de l’architecture des fibres cardiaques du cœur humain en IRM-TD cardiaque. Les travaux de cette thèse se focalisent sur trois axes. Le premier est le développement d’un algorithme de tractographie probabiliste, qui prend en compte la corrélation spatiale des fibres pendant le suivi des fibres myocardiques. Les résultats expérimentaux montrent que la méthode proposée est robuste au bruit. Les fibres produites sont plus régulières et plus lisses, et la configuration des fibres cardiaques est plus facile à observer. Le second axe concerne une nouvelle notion de dépliement de fibres pour décrire les fibres du cœur humain, qui sont souvent complexes dans l’espace 3D. L’idée est d’analyser cette architecture 3D dans un espace réduit à deux dimensions (2D), en utilisant une technique d’apprentissage de variété. L’approche de dépliement proposée permet la description quantitative de l’architecture 3D de fibres cardiaques dans un plan 2D. Les résultats montrent qu’il est beaucoup plus facile d’observer et d’étudier les caractéristiques des fibres cardiaques après les avoir dépliées, et qu’il semble exister des formes de fibres caractéristiques du cœur humain. Le dernier axe consiste en la fusion de fibres, qui est obtenue en moyennant les fibres selon une grille. Cette approche fournit des architectures de fibres simplifiée à différentes échelles, et permet de mieux mettre en évidence la configuration des fibres cardiaques. / It is important to study the cardiac fiber architecture in order to understand the heart function. Diffusion tensor MRI (DT-MRI) is the only noninvasive technique that allows studying cardiac fiber architecture in vivo. Tractography is essential in representing and visualizing cardiac fiber architecture in DT-MRI, but is often employed qualitatively. The motivation of this thesis is to develop technique for studying the cardiac fiber architecture from the fiber tracts provided by the tractography process in cardiac DT-MRI. Our goal is to develop tractography algorithm and approaches for the quantitative description of cardiac fiber architecture. My work is composed of three main axis. The first is the development of a probabilistic tractography algorithm, which takes fiber spatial correlation into accounts in tracing fibers. Experimental results show that the proposed method is meaningfully more robust to noise than the streamlining method, and produces more regular and smoother fibers, which enables cardiac fiber configurations to be more clearly observed. The second concerns a new framework, namely cardiac fiber unfolding, which is an isometric mapping. Our fiber unfolding framework allows the quantitative description of three dimensional cardiac fiber architecture in a two dimensional plan. Our experimental results show that fiber tract pattern can be observed much easier by unfolding them in a plane, and several cardiac fiber patterns were found. The last axis consists in merging fibers, which is achieved by averaging fibers according to a grid. This fiber merging approach provide simplified fiber architecture at different scale as output that highlights the cardiac fiber configuration.

L'un des problèmes fondamentaux de l'imagerie cardiaque par résonance magnétique du tenseur de diffusion (IRM-TD) est sa faible résolution spatiale, à cause des limitations matérielles des scanners IRM actuels. L'objectif principal de ce travail de thèse est de développer de nouvelles approches pour améliorer la résolution des données d'IRM-TD afin de mieux représenter l'architecture myocardique du coeur humain et de la comparer avec des résultats issus d'autres techniques d'investigation telles que l'imagerie par lumière polarisée. Dans ce cadre, le travail porte sur trois parties principales. La première concerne le développement d'une nouvelle approche pour l'interpolation des champs de vecteurs propres principaux issus de l'IRM-TD cardiaque humaine. Cette approche consiste d'abord à supprimer les vecteurs corrompus par le bruit au lieu de débruiter de manière uniforme le champ entier de vecteurs, et ensuite à interpoler le champ de vecteurs en utilisant la modèle Thin-Plate-Spline (TPS) afin d'exploiter la corrélation entre les composantes du vecteur. La deuxième partie concerne une nouvelle famille de méthodes d'interpolation pour les champs de tenseurs, basée soit sur les angles d'Euler soit sur le quaternion. Ces méthodes exploitent les caractéristiques du tenseur et préservent les paramètres de tenseurs, tels que le déterminant du tenseur, l'anisotropie fractionnelle (FA) et la diffusivité moyenne (MD). En outre, cette partie compare les principales approches d'interpolation au niveau des images pondérées en diffusion et des champs de tenseurs, et les résultats montrent qu'il serait préférable d'effectuer l'interpolation des données d'IRM-TD au niveau des champs de tenseurs. La troisième partie étudie le changement des paramètres MD et FA après un infarctus du myocarde chez les cochons, et l'influence des méthodes d'interpolation sur ces paramètres dans la zone infarctus et la zone distante. Les résultats montrent que la zone infarctus présente une diminution significative de FA et une augmentation significative de MD, comparée avec la zone distante, et que les méthodes d'interpolations du tenseur ont plus d'influence sur FA que sur MD, ce qui suggère que l'interprétation de ces paramètres cliniques après l'interpolation doive être prise avec précaution. / One of fundamental problems in human cardiac diffusion tensor magnetic resonance imaging (DT-MRI) is its poor spatial resolution, due to the hardware limitations of MRI scanners. The main purpose of this PhD work is to develop new approaches to improving the resolution of cardiac DT-MRI data in order to better understand the myocardial architecture of the heart and compare it with results issues from other investigation techniques such as polarized light imaging. Within this framework, the present work is composed of three main parts. The first part concerns a new approach to interpolating primary eigenvector fields from human cardiac DT-MRI using Thin Plate Spline (TPS) model. This approach removes the noise-corrupted vectors rather than denoising the whole vector field in a uniform manner, and uses TPS model in order to exploit the correlation between vector components during interpolation. The second part is dealt with a new category of feature-based methods for diffusion tensor field interpolation using either Euler angles or quaternion. These feature-based methods well preserve tensor parameters, such as tensor determinant, fractional anisotropy (FA) and mean diffusivity (MD) values. In this part are also compared the main interpolation approaches at the level of diffusion weighted images and tensor fields. The results show that the interpolation of DT-MRI data should be performed at the level of tensor fields. The last part investigates changes in MD and FA after myocardial infarction in porcine hearts, and the influence of diffusion tensor interpolation methods on FA and MD in both infarction and remote region. It is found that the infarction region showed significantly decreased FA and increased MD than the remote region, and that diffusion tensor interpolations have more significant influence on FA than on MD, which suggests that precaution should be taken when performing the clinical analysis based on the parameters after diffusion tensor interpolations.