Haptics is a field of robotics that involves many aspects of engineering, requiring the collaboration of different disciplines like mechanics, electronics, control theory and computer science. Although multi-disciplinarity is an element in common with other robotic application, haptic system has the additional requirement of high performance because of the human perception requirement of 1KHz feedback rate. Such high computing requirement impacts the design of the whole haptic system but it is has particular effects in the design and implementation of haptic rendering algorithms. In the chain of software and hardware components that describe a haptic system the haptic rendering is the element that has the objective of computing the force feedback given the interaction of the user with the device.A variety of haptic rendering algorithms have been proposed in the past for the simulation of three degree of freedom (3DoF) interactions in which a single point touches a complex object as well as 6DoF interactions in which two complex objects interact in multiple points. The use of 3DoF or 6DoF algorithms depends mostly from the type of application and consequently the type of device. For example applications like virtual prototype require 6DoF interaction while many simulation applications have less stringent requirements. Apart the number of degree of freedom haptic rendering algorithms are characterized by the geometrical representation of the objects, by the use of rigid or deformable objects and by the introduction of physical properties of the object surface like friction and texture properties. Given this variety of possibilities and the presence of the human factor in the computation of haptic feedback it is hard to compare different algorithms to asses whether one specific solution performs better than any other previously proposed.The goal of the proposed work is two-fold. First this thesis proposes a framework allowing for more objective comparison of haptic rendering algorithms. Such comparison take into account the perceptual aspect of haptic interaction but tries to remove it from the comparison with the aim of obtaining an objective comparison between algorithms. Second, this thesis proposes a new haptic rendering algorithm for 3DoF interaction and one for 6DoF interaction. The first algorithm for 3DoF interaction provides interaction with rotational friction based on a simulation of the soft finger contact model. The new 6DoF interaction algorithm allows the computation of the haptic feedback of interaction between voxel models.

O objetivo neste estudo foi avaliar a acurácia de softwares de planejamento de implantes sobre imagens de mandíbulas atróficas obtidas por tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) com diferentes protocolos de aquisição. Foram utilizadas 10 mandíbulas desdentadas totais que receberam 8 marcações em regiões normalmente utilizadas para colocação de implantes (4 em região anterior e 4 em região posterior), sobre estas foram aderidos fios ortodônticos a fim de padronizar as regiões. Então as mandíbulas foram submetidas à TCFC com 2 protocolos de aquisição, P1 (voxel 0,25mm) e P2 (voxel 0,125mm), e as imagens analisadas por 3 softwares de planejamento de implantes, sendo eles: Xoran versão 5.0 (XR) (Xoran Technologies® Inc, Ann Harbor, MI, USA); DentalSlice versão 2010 (DS) (Bioparts®, Brasília, Brasil) e OsiriX 1.2 (OX) (Pixmeo®, Genebra, Suiça). Foram realizadas medidas lineares nas regiões de maior extremidade em altura, largura , e altura da crista do rebordo até o teto do canal mandibular. Exatamente sobre as 8 demarcações as mandíbulas foram seccionadas para mensuração direta por meio de paquímetro digital. A correlação intraclasse (ICC) foi utilizada para calcular a confiabilidade intraexaminador (ICC=0,997) e interxaminador (ICC=0,995) obtendo uma excelente reprodutibilidade, assim para P1 e P2 em todos os softwares analisados para todos os tipos de mensurações. Para análise da precisão, os dados foram submetidos a análise estatística pelo teste t de Student, analisados entre dois grupos, e posteriormente a frequência de significância foi analisada pelo teste Exato de Fisher. As imagens mensuradas no software Xoran com voxel 0,125mm obtiveram resultados mais próximos das medidas reais, assim como o volume total de imagens de todos os softwares. Os resultados mostraram diferença entre os softwares Xoran e Osirix para os diferentes voxels, sugerindo apenas o voxel de 0,125mm para o uso do OsiriX em mandíbulas atróficas. / The objective of this study was to evaluate the accuracy of implant planning software of images assessed from atrophic jaws using cone beam computed tomography (CBCT) with different acquisition protocols. Ten total edentulous jaws received 8 markings in areas normally used for implant placement (4 in anterior and 4 posterior region) were used on orthodontic wires bonded to standardize regions. The jaws were scaneded CBCT 2 acquisition protocols , P1 (0.25 mm voxel) and P2 (0.125 mm voxel) , and analyzed by 3 implant planning software images: Xoran version 5.0 (XR) (Xoran Technologies ® Inc. , Ann Arbor , MI , USA) ; DentalSlice 2010 version (DS) (Bioparts ®, Brasilia, Brazil) and OsiriX 1.2 (OX) (Pixmeo ®, Geneva, Switzerland). Linear measurements were made in regions of higher end in height, width , and height of the crest of the ridge to the roof of the mandibular canal. Just about the demarcations jaws were sectioned for direct measurement by digital caliper. The intraclass correlation coefficient (ICC) was used to calculate the intra-rater reliability (ICC = 0.997) and interxaminador (ICC = 0.995) obtaining excellent reproducibility. For accuracy analysis , the data were analyzed statistically by the \" t test , analyzed between two groups, and then the frequency of significance was analyzed by Fisher exact test. The images measured in Xoran software with 0.125 mm voxel got closer to the actual outcomes measures, as well as the total volume of all software images . The results showed differences between the Xoran and OsiriX software for different voxels , suggesting only 0.125 mm voxel for using OsiriX in atrophic jaws .

Für die Visualisierung dreidimensionaler digitaler Objekte ist im Allgemeinen nur ihre Oberfläche von Interesse. Da von den bildgebenden Verfahren das gesamte räumliche Objekt in Form einer Volumenstruktur digitalisiert wird, muss aus den Daten die Oberfläche berechnet werden. In dieser Arbeit wird ein Algorithmus vorgestellt, der die Oberfläche dreidimensionaler digitaler Objekte, die als Menge von Voxeln gegeben sind, approximiert und dabei Polyeder erzeugt, die die Eigenschaft besitzen, die Voxel des Objektes von den Voxeln des Hintergrundes zu trennen. Weiterhin werden nicht-konvexe Objekte klassifiziert und es wird untersucht, für welche Klassen von Objekten die erzeugten Polyeder die minimale Flächenanzahl und den minimalen Oberflächeninhalt besitzen.

O objetivo neste estudo foi avaliar a acurácia de softwares de planejamento de implantes sobre imagens de mandíbulas atróficas obtidas por tomografia computadorizada de feixe cônico (TCFC) com diferentes protocolos de aquisição. Foram utilizadas 10 mandíbulas desdentadas totais que receberam 8 marcações em regiões normalmente utilizadas para colocação de implantes (4 em região anterior e 4 em região posterior), sobre estas foram aderidos fios ortodônticos a fim de padronizar as regiões. Então as mandíbulas foram submetidas à TCFC com 2 protocolos de aquisição, P1 (voxel 0,25mm) e P2 (voxel 0,125mm), e as imagens analisadas por 3 softwares de planejamento de implantes, sendo eles: Xoran versão 5.0 (XR) (Xoran Technologies® Inc, Ann Harbor, MI, USA); DentalSlice versão 2010 (DS) (Bioparts®, Brasília, Brasil) e OsiriX 1.2 (OX) (Pixmeo®, Genebra, Suiça). Foram realizadas medidas lineares nas regiões de maior extremidade em altura, largura , e altura da crista do rebordo até o teto do canal mandibular. Exatamente sobre as 8 demarcações as mandíbulas foram seccionadas para mensuração direta por meio de paquímetro digital. A correlação intraclasse (ICC) foi utilizada para calcular a confiabilidade intraexaminador (ICC=0,997) e interxaminador (ICC=0,995) obtendo uma excelente reprodutibilidade, assim para P1 e P2 em todos os softwares analisados para todos os tipos de mensurações. Para análise da precisão, os dados foram submetidos a análise estatística pelo teste t de Student, analisados entre dois grupos, e posteriormente a frequência de significância foi analisada pelo teste Exato de Fisher. As imagens mensuradas no software Xoran com voxel 0,125mm obtiveram resultados mais próximos das medidas reais, assim como o volume total de imagens de todos os softwares. Os resultados mostraram diferença entre os softwares Xoran e Osirix para os diferentes voxels, sugerindo apenas o voxel de 0,125mm para o uso do OsiriX em mandíbulas atróficas. / The objective of this study was to evaluate the accuracy of implant planning software of images assessed from atrophic jaws using cone beam computed tomography (CBCT) with different acquisition protocols. Ten total edentulous jaws received 8 markings in areas normally used for implant placement (4 in anterior and 4 posterior region) were used on orthodontic wires bonded to standardize regions. The jaws were scaneded CBCT 2 acquisition protocols , P1 (0.25 mm voxel) and P2 (0.125 mm voxel) , and analyzed by 3 implant planning software images: Xoran version 5.0 (XR) (Xoran Technologies ® Inc. , Ann Arbor , MI , USA) ; DentalSlice 2010 version (DS) (Bioparts ®, Brasilia, Brazil) and OsiriX 1.2 (OX) (Pixmeo ®, Geneva, Switzerland). Linear measurements were made in regions of higher end in height, width , and height of the crest of the ridge to the roof of the mandibular canal. Just about the demarcations jaws were sectioned for direct measurement by digital caliper. The intraclass correlation coefficient (ICC) was used to calculate the intra-rater reliability (ICC = 0.997) and interxaminador (ICC = 0.995) obtaining excellent reproducibility. For accuracy analysis , the data were analyzed statistically by the \" t test , analyzed between two groups, and then the frequency of significance was analyzed by Fisher exact test. The images measured in Xoran software with 0.125 mm voxel got closer to the actual outcomes measures, as well as the total volume of all software images . The results showed differences between the Xoran and OsiriX software for different voxels , suggesting only 0.125 mm voxel for using OsiriX in atrophic jaws .

This thesis deals with the global illumination in the scene by using Voxel Cone Tracing method. It is based on the voxelization of a triangle mesh scene. The voxels can be stored to a full regular 3D grid (texture) or to the hierarchic Sparse Voxel Octree for saving of the memory space. This voxel representation is further used for computations of the global indirect illumination in real time within normal triangle mesh scenes for more realistic final image. Values from the voxels are obtained by tracing cones from the pixels which we want to get illumination for.

Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Software zu entwickeln, welche den Benutzer bei der Volumenberechnung aus Punktwolken unterstützt. Dazu werden verschiedene Methoden diskutiert, mit deren Hilfe eine Trennung der Punktwolke in zwei Klassen ('gehört zur Volumenoberfläche' und 'gehört nicht zur Volumenoberfläche') möglich ist. Eine Methode stellt sich, unter bestimmten Bedingungen, als geeignet dar. Mit dieser Methode lässt sich die geforderte Klassifizierung effizient durchführen. Weiterhin gilt es, für die eigentliche Volumenberechnung, Methoden zu analysieren und auf deren Tauglichkeit für die Anwendung in der Punktwolke zu prüfen. Aus diesen Ergebnissen wird ein Verfahren zur Klassifizierung der Scanpunkte und direkt anschließender Volumenmodellerstellung erarbeitet. Die Darstellung des Volumens ist an vorgegebene Rahmenbedingungen, das Verwenden einer bestimmten CAD-Software, gebunden. Mit Hilfe dieser CAD-Software ist eine Darstellungsvariante zu wählen, welche ein zügiges Arbeiten mit dem Volumenmodell ermöglicht. Alle Verfahren und Methoden, einschließlich der dabei auftretenden Probleme werden in Programmcode umgesetzt, damit am Ende eine funktionsfähige, unterstützende Software entsteht.:1 Einleitung 1.1 Thesen / Fragen 1.2 Literatur 1.3 Abgrenzung 2 Grundlagen 2.1 Rahmenbedingungen 2.2 Struktur des Programmierprojektes 2.2.1 Speicherung von Einstellungen / Parametern 2.3 Datengrundlage 2.3.1 Dateiformate der Punktwolkendateien 3 Filterung der Punktwolke 3.1 Das Voxelsystem 3.1.1 Programmierung des Voxelsystems 3.1.2 Speicherung der Voxeldaten 3.2 Filterung mit Hilfe des Voxelsystem 4 Volumenberechnungen 4.1 Erläuterung der verwendeten Säulenprismen 4.1.1 Rasterung der Grundfläche 4.1.2 Umsetzung des Texelsystems als Quadtree 4.2 Einsatz des Texelsystem in der Volumenberechnung 4.2.1 Speicherung der Volumendaten 4.3 Darstellung der Volumendaten 5 Bearbeitungen der Volumendaten 5.1 Füllen von Löchern in der Volumenfläche 5.2 Glätten von Bereichen 6 Die Software in Gänze betrachtet 6.1 Analyse der Effektivität 6.2 Ausblick und Ausbau / The intention of this thesis is to develop a software which supports the user in calculating volumes from point clouds. For this purpose, different methods are discussed that allow a separation of the point cloud into two classes (i.e. 'belongs to the volume surface' and 'does not belong to the volume surface'). One method is shown to be suitable under certain conditions. With this method, the required classification can be carried out efficiently. Furthermore, methods for the volume calculation itself are analyzed and tested to ensure that they are suitable for use in the point cloud. Based on these results, a method for the classification of the scan points and the ensuing generation of the volume model are developed. The representation of the volume is bound to given framework conditions, including the use of a specific CAD software. With the help of this CAD software, a representation variant is to be selected which enables a user to easily work with the volume model. All procedures and methods, including the problems that arise in the process, are converted into program code, so that in the end a functional, helpful software is created.:1 Einleitung 1.1 Thesen / Fragen 1.2 Literatur 1.3 Abgrenzung 2 Grundlagen 2.1 Rahmenbedingungen 2.2 Struktur des Programmierprojektes 2.2.1 Speicherung von Einstellungen / Parametern 2.3 Datengrundlage 2.3.1 Dateiformate der Punktwolkendateien 3 Filterung der Punktwolke 3.1 Das Voxelsystem 3.1.1 Programmierung des Voxelsystems 3.1.2 Speicherung der Voxeldaten 3.2 Filterung mit Hilfe des Voxelsystem 4 Volumenberechnungen 4.1 Erläuterung der verwendeten Säulenprismen 4.1.1 Rasterung der Grundfläche 4.1.2 Umsetzung des Texelsystems als Quadtree 4.2 Einsatz des Texelsystem in der Volumenberechnung 4.2.1 Speicherung der Volumendaten 4.3 Darstellung der Volumendaten 5 Bearbeitungen der Volumendaten 5.1 Füllen von Löchern in der Volumenfläche 5.2 Glätten von Bereichen 6 Die Software in Gänze betrachtet 6.1 Analyse der Effektivität 6.2 Ausblick und Ausbau

Im Rahmen der additiven Fertigungsplanung bietet die geometriebasierte individuelle Fertigungsparametrisierung das Potential die Fertigungsgeschwindigkeit und -qualität weiter zu steigern. Dafür ist eine automatische Erkennung der zu fertigenden Geometriennotwendig, weshalb diese Arbeit die Eignung von faltungsbasierten künstlichen neuronalen Netzen zur Detektion von Regelgeometrien in Voxeldaten untersucht. Hierfür wird ein faltungsbasierter Detektionsalgorithmus entworfen und implementiert, welcher in der Lage ist, zylindrische, sphärische und ebene Flächen zu identifizieren. Dieser Algorithmus erreicht bei der Analyse von realen CAD-Daten eine Intersection over Union von 77,99% bzw. einen Dice-Score von 87,63 %. Dies entspricht den von vergleichbaren Algorithmen erreichten Genauigkeitswerten und bestätigt die Eignung des gewählten Ansatzes.:Kurzfassung III Abstract IV Abkürzungsverzeichnis VII Formelzeichen und Symbole VIII 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Struktur der Arbeit 2 2 Stand der Forschung 4 2.1 Überblick CAM-Prozess 4 2.2 Geometrierepräsentationen 5 2.3 Deep Learning und faltungsbasierte neuronale Netze 9 2.3.1 Grundlagen des maschinellen Lernens 9 2.3.2 Künstliche Neuronale Netze 12 2.3.3 Faltungsbasierte neuronale Netze 15 3 Anforderungen und Konzeption 24 3.1 Vorgehensmodell und Anforderungen 24 3.2 Lösungskonzept 27 3.2.1 Struktur des Algorithmus 27 3.2.2 Versuchsplanung 31 4 Datengenerierung 32 4.1 Trainings- und Validierungsdaten 32 4.2 Testdaten 37 5 Auswahl, Training und Optimierung eines CNN-Algorithmus 39 5.1 Auswahl und Vorstellung des CNN-Algorithmus 39 5.2 Training des CNN-Algorithmus 41 5.3 Optimierung des CNN-Algorithmus 46 6 Transferlernen und Postprocessing 50 6.1 Transferlernen 50 6.1.1 Generierung von Trainings- und Validierungsdaten 51 6.1.2 Auswirkungen des Transferlernens 53 6.2 Postprocessing 55 6.2.1 Ersetzen von unsicheren Klassifizierungsergebnissen 55 6.2.2 Ersetzen von Ausreißern 57 7 Diskussion der Ergebnisse 58 7.1 Erreichte Detektionsleistung 58 7.2 Beschränkungen der Implementierung 61 8 Zusammenfassung 65 8.1 Zusammenfassung 65 8.2 Ausblick 66 Literaturverzeichnis 68 Abbildungsverzeichnis 75 Tabellenverzeichnis 77 Anlagenverzeichnis 78 Selbstständigkeitserklärung 79 / In the context of additive manufacturing planning, geometry-based individual manufacturing parameterization offers the potential to further increase manufacturing speed and quality. For this purpose, an automatic detection of the geometries to be manufactured is necessary, which is why this thesis investigates the suitability of convolution-based artificial neural networks for the detection of regular geometries in voxel data. Therefore, a convolutional-based detection algorithm is designed and implemented, which is able to identify cylindrical, spherical and planar surfaces. This algorithm achieves an intersection over union detection accuracy of 77.99% and a dice score of 87.63 %, respectively, when analyzing real CAD data. This is in line with the accuracy values achieved by comparable algorithms and confirms the suitability of the chosen approach.:Kurzfassung III Abstract IV Abkürzungsverzeichnis VII Formelzeichen und Symbole VIII 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Zielstellung 2 1.3 Struktur der Arbeit 2 2 Stand der Forschung 4 2.1 Überblick CAM-Prozess 4 2.2 Geometrierepräsentationen 5 2.3 Deep Learning und faltungsbasierte neuronale Netze 9 2.3.1 Grundlagen des maschinellen Lernens 9 2.3.2 Künstliche Neuronale Netze 12 2.3.3 Faltungsbasierte neuronale Netze 15 3 Anforderungen und Konzeption 24 3.1 Vorgehensmodell und Anforderungen 24 3.2 Lösungskonzept 27 3.2.1 Struktur des Algorithmus 27 3.2.2 Versuchsplanung 31 4 Datengenerierung 32 4.1 Trainings- und Validierungsdaten 32 4.2 Testdaten 37 5 Auswahl, Training und Optimierung eines CNN-Algorithmus 39 5.1 Auswahl und Vorstellung des CNN-Algorithmus 39 5.2 Training des CNN-Algorithmus 41 5.3 Optimierung des CNN-Algorithmus 46 6 Transferlernen und Postprocessing 50 6.1 Transferlernen 50 6.1.1 Generierung von Trainings- und Validierungsdaten 51 6.1.2 Auswirkungen des Transferlernens 53 6.2 Postprocessing 55 6.2.1 Ersetzen von unsicheren Klassifizierungsergebnissen 55 6.2.2 Ersetzen von Ausreißern 57 7 Diskussion der Ergebnisse 58 7.1 Erreichte Detektionsleistung 58 7.2 Beschränkungen der Implementierung 61 8 Zusammenfassung 65 8.1 Zusammenfassung 65 8.2 Ausblick 66 Literaturverzeichnis 68 Abbildungsverzeichnis 75 Tabellenverzeichnis 77 Anlagenverzeichnis 78 Selbstständigkeitserklärung 79

Succédant à une théorisation centrée sur le rôle des déficits des fonctions exécutives, les modèles contemporains du trouble déficit de l'attention / hyperactivité (TDAH) mettent en avant l’hétérogénéité d’une catégorie diagnostique impliquant des déficits neuropsychologiques, voies cérébrales et mécanismes étiopathogéniques multiples. En dépit de cette évolution, la majorité des études d'imagerie cérébrale des corrélats structurels du trouble menées à ce jour ont été conduites au niveau de la catégorie diagnostique, sans spécification supplémentaire. Cette approche comparant en moyenne un groupe de patients avec TDAH à un groupe de sujets sains a donné des résultats très variables d'une étude à l'autre, la comparaison inter-étude étant toutefois rendue difficile par la présence de facteurs confondants, tels que des différences en terme de régions d’intérêt examinées, de comorbidités acceptées chez les patients, de pourcentages de sujets masculins et féminins, de fenêtre d’âge sélectionnée, de méthodologie d'analyse ou encore de pourcentage de patients traités par méthylphénidate. Dans ce doctorat, nous nous sommes appuyés sur la morphométrie voxel-à-voxel pour isoler l’influence sur les volumes de matière grise de deux facteurs d’hétérogénéité intra-catégorielle dans le TDAH : le genre d’une part, et un polymorphisme génétique (Val158Met du gène Catéchol-O-méthyltransferase (COMT)) d’autre part ; ces deux facteurs présentant l’intérêt de moduler le risque associé de développer un trouble de type externalisé. Nous avons également comparé les volumes de matière grise d’enfants avec TDAH ayant reçu un traitement par méthylphénidate, de patients n'ayant jamais été exposé à la médication, et de sujet sains. Ces recherches expérimentales ont été inscrites dans une discussion plus générale de l’hétérogénéité des résultats de la littérature structurelle consacrée au TDAH et des sources neuropsychologiques de cette hétérogénéité. Dans notre étude des effets du genre sur les volumes de matière grise dans le TDAH, nous reportons pour la première fois une interaction entre genre et diagnostic, avec des corrélats structurels du trouble différents chez les garçons et les filles avec TDAH dans des régions de la ligne médiane du cerveau, impliquées à la fois dans la régulation émotionnelle et dans le fonctionnement du mode de réseau par défaut. Nous suggérons que ces différences structurelles pourraient contribuer aux différences de risque associé pour les troubles internalisés et externalisés présentées par les garçons et filles avec TDAH. Dans notre étude explorant l'influence du polymorphisme Val158Met sur les volumes de matière grise, nous mettons en évidence une modulation génétique des corrélats structurels du trouble : les sujets homozygotes pour l'allèle Val158, identifiés dans la littérature comme à risque pour le développement d'un trouble des conduites, présentent des volumes de matière grise supérieurs dans le noyau caudé comparativement aux sujets sains, tandis que les patients avec TDAH porteurs d'un allèle Met158 présentent des volumes de matière grise plus faibles dans le cortex préfrontal inférieur droit, une région cruciale pour les processus de contrôle attentionnel. Enfin, dans notre étude des corrélats structurels de l'exposition au méthylphénidate, nous reportons un effet potentiellement normalisateur du traitement sur les volumes de matière grise de l'insula et du pole temporal, des volumes de matière grise plus faibles chez les patients traités comparativement aux sujets sains dans le gyrus frontal moyen et dans le gyrus précentral, et une association entre volume de matière grise dans le nucleus accumbens gauche et durée d'exposition au méthylphénidate chez les sujets traités. (...) / Previous models of Attention Deficit / Hyperactivity Disorder (ADHD) such as Barkley’s or Brown’s conceptualized ADHD as essentially a developmental impairment of executive function. Against this view, it is now recognized that ADHD is a heterogeneous disorder, involving multiple deficits and multiple neuronal pathways. Despite this current theoretical framework, most structural brain imaging studies in ADHD have compared groups of children with ADHD with typically developing children, without trying to identify subgroups within the diagnostic category. This approach has yielded heterogeneous findings, possibly due to inter-studies variations in the type and number of comorbidities, the percentage of medicated participants included, the number of girls included, and/or methodological and statistical differences. Patients participating in these studies were also often exposed to methylphenidate, and potential medication effects on grey matter volumes are still unclear in certain brain regions such as the frontal lobe, despite a therapeutic action involving the preferential activation of catecholamine neurotransmission within the prefrontal cortex. In this thesis, we used voxel-based morphometry to study the influence of two important risk factors for the development of comorbid conditions in ADHD. The first of these two factors was gender, and the second a genetic polymorphism of the Catechol-O-methyltransferase gene known to put children with ADHD at risk for developing a conduct disorder (Val158Met). We also compared grey matter volumes in children with ADHD exposed to methylphenidate, never-medicated children with ADHD and typically developing children. These experimental studies were part of a more general discussion of ADHD neuropsychological and neurobiological heterogeneity. In our study exploring the influence of gender on the structural correlates of ADHD, we report for the first time a gender-by-diagnosis interaction, with grey matter volume differences in boys and girls with ADHD in midline cortical structures, involved in emotional regulation and part of the default mode network. We propose that these differences may contribute to explain why girls with ADHD more often develop inattentive and internalizing symptoms, whereas externalizing symptoms are predominant in boys with ADHD. In our study investigating the effects of Val158Met in ADHD, we report the first evidence of a COMT-related genetic modulation of ADHD-related grey matter volume alterations. Indeed, children with ADHD at higher risk for developing a conduct disorder (children homozygotes for the Val158 allele) presented increased grey matter volumes in the caudate nucleus when compared with typically developing children, whereas children carrying a Met158 allele presented with decreased grey matter volumes in the right inferior frontal cortex, a region known for its key role in attention. Finally, we measured grey matter volumes in medicated children with ADHD, never-medicated children with ADHD and typically developing children using both whole-brain voxel-based morphometry and automated tracing procedures in chosen regions of interest. We document potential methylphenidate-related grey matter volume normalization and deviation in previously unexplored frontal and temporal regions, and report a positive association between treatment history and grey matter volume in the nucleus accumbens, a key region for reward processing. Our first two experimental studies therefore contribute to a better understanding of the influence of important sources of within-category heterogeneity, while the third helps clarifying the potential confounding effect of medication exposure in previous structural brain imaging studies in ADHD.

Succédant à une théorisation centrée sur le rôle des déficits des fonctions exécutives, les modèles contemporains du trouble déficit de l'attention / hyperactivité (TDAH) mettent en avant l’hétérogénéité d’une catégorie diagnostique impliquant des déficits neuropsychologiques, voies cérébrales et mécanismes étiopathogéniques multiples. En dépit de cette évolution, la majorité des études d'imagerie cérébrale des corrélats structurels du trouble menées à ce jour ont été conduites au niveau de la catégorie diagnostique, sans spécification supplémentaire. Cette approche comparant en moyenne un groupe de patients avec TDAH à un groupe de sujets sains a donné des résultats très variables d'une étude à l'autre, la comparaison inter-étude étant toutefois rendue difficile par la présence de facteurs confondants, tels que des différences en terme de régions d’intérêt examinées, de comorbidités acceptées chez les patients, de pourcentages de sujets masculins et féminins, de fenêtre d’âge sélectionnée, de méthodologie d'analyse ou encore de pourcentage de patients traités par méthylphénidate. Dans ce doctorat, nous nous sommes appuyés sur la morphométrie voxel-à-voxel pour isoler l’influence sur les volumes de matière grise de deux facteurs d’hétérogénéité intra-catégorielle dans le TDAH : le genre d’une part, et un polymorphisme génétique (Val158Met du gène Catéchol-O-méthyltransferase (COMT)) d’autre part ; ces deux facteurs présentant l’intérêt de moduler le risque associé de développer un trouble de type externalisé. Nous avons également comparé les volumes de matière grise d’enfants avec TDAH ayant reçu un traitement par méthylphénidate, de patients n'ayant jamais été exposé à la médication, et de sujet sains. Ces recherches expérimentales ont été inscrites dans une discussion plus générale de l’hétérogénéité des résultats de la littérature structurelle consacrée au TDAH et des sources neuropsychologiques de cette hétérogénéité. Dans notre étude des effets du genre sur les volumes de matière grise dans le TDAH, nous reportons pour la première fois une interaction entre genre et diagnostic, avec des corrélats structurels du trouble différents chez les garçons et les filles avec TDAH dans des régions de la ligne médiane du cerveau, impliquées à la fois dans la régulation émotionnelle et dans le fonctionnement du mode de réseau par défaut. Nous suggérons que ces différences structurelles pourraient contribuer aux différences de risque associé pour les troubles internalisés et externalisés présentées par les garçons et filles avec TDAH. Dans notre étude explorant l'influence du polymorphisme Val158Met sur les volumes de matière grise, nous mettons en évidence une modulation génétique des corrélats structurels du trouble : les sujets homozygotes pour l'allèle Val158, identifiés dans la littérature comme à risque pour le développement d'un trouble des conduites, présentent des volumes de matière grise supérieurs dans le noyau caudé comparativement aux sujets sains, tandis que les patients avec TDAH porteurs d'un allèle Met158 présentent des volumes de matière grise plus faibles dans le cortex préfrontal inférieur droit, une région cruciale pour les processus de contrôle attentionnel. Enfin, dans notre étude des corrélats structurels de l'exposition au méthylphénidate, nous reportons un effet potentiellement normalisateur du traitement sur les volumes de matière grise de l'insula et du pole temporal, des volumes de matière grise plus faibles chez les patients traités comparativement aux sujets sains dans le gyrus frontal moyen et dans le gyrus précentral, et une association entre volume de matière grise dans le nucleus accumbens gauche et durée d'exposition au méthylphénidate chez les sujets traités. (...) / Previous models of Attention Deficit / Hyperactivity Disorder (ADHD) such as Barkley’s or Brown’s conceptualized ADHD as essentially a developmental impairment of executive function. Against this view, it is now recognized that ADHD is a heterogeneous disorder, involving multiple deficits and multiple neuronal pathways. Despite this current theoretical framework, most structural brain imaging studies in ADHD have compared groups of children with ADHD with typically developing children, without trying to identify subgroups within the diagnostic category. This approach has yielded heterogeneous findings, possibly due to inter-studies variations in the type and number of comorbidities, the percentage of medicated participants included, the number of girls included, and/or methodological and statistical differences. Patients participating in these studies were also often exposed to methylphenidate, and potential medication effects on grey matter volumes are still unclear in certain brain regions such as the frontal lobe, despite a therapeutic action involving the preferential activation of catecholamine neurotransmission within the prefrontal cortex. In this thesis, we used voxel-based morphometry to study the influence of two important risk factors for the development of comorbid conditions in ADHD. The first of these two factors was gender, and the second a genetic polymorphism of the Catechol-O-methyltransferase gene known to put children with ADHD at risk for developing a conduct disorder (Val158Met). We also compared grey matter volumes in children with ADHD exposed to methylphenidate, never-medicated children with ADHD and typically developing children. These experimental studies were part of a more general discussion of ADHD neuropsychological and neurobiological heterogeneity. In our study exploring the influence of gender on the structural correlates of ADHD, we report for the first time a gender-by-diagnosis interaction, with grey matter volume differences in boys and girls with ADHD in midline cortical structures, involved in emotional regulation and part of the default mode network. We propose that these differences may contribute to explain why girls with ADHD more often develop inattentive and internalizing symptoms, whereas externalizing symptoms are predominant in boys with ADHD. In our study investigating the effects of Val158Met in ADHD, we report the first evidence of a COMT-related genetic modulation of ADHD-related grey matter volume alterations. Indeed, children with ADHD at higher risk for developing a conduct disorder (children homozygotes for the Val158 allele) presented increased grey matter volumes in the caudate nucleus when compared with typically developing children, whereas children carrying a Met158 allele presented with decreased grey matter volumes in the right inferior frontal cortex, a region known for its key role in attention. Finally, we measured grey matter volumes in medicated children with ADHD, never-medicated children with ADHD and typically developing children using both whole-brain voxel-based morphometry and automated tracing procedures in chosen regions of interest. We document potential methylphenidate-related grey matter volume normalization and deviation in previously unexplored frontal and temporal regions, and report a positive association between treatment history and grey matter volume in the nucleus accumbens, a key region for reward processing. Our first two experimental studies therefore contribute to a better understanding of the influence of important sources of within-category heterogeneity, while the third helps clarifying the potential confounding effect of medication exposure in previous structural brain imaging studies in ADHD.

Succédant à une théorisation centrée sur le rôle des déficits des fonctions exécutives, les modèles contemporains du trouble déficit de l'attention / hyperactivité (TDAH) mettent en avant l’hétérogénéité d’une catégorie diagnostique impliquant des déficits neuropsychologiques, voies cérébrales et mécanismes étiopathogéniques multiples. En dépit de cette évolution, la majorité des études d'imagerie cérébrale des corrélats structurels du trouble menées à ce jour ont été conduites au niveau de la catégorie diagnostique, sans spécification supplémentaire. Cette approche comparant en moyenne un groupe de patients avec TDAH à un groupe de sujets sains a donné des résultats très variables d'une étude à l'autre, la comparaison inter-étude étant toutefois rendue difficile par la présence de facteurs confondants, tels que des différences en terme de régions d’intérêt examinées, de comorbidités acceptées chez les patients, de pourcentages de sujets masculins et féminins, de fenêtre d’âge sélectionnée, de méthodologie d'analyse ou encore de pourcentage de patients traités par méthylphénidate. Dans ce doctorat, nous nous sommes appuyés sur la morphométrie voxel-à-voxel pour isoler l’influence sur les volumes de matière grise de deux facteurs d’hétérogénéité intra-catégorielle dans le TDAH : le genre d’une part, et un polymorphisme génétique (Val158Met du gène Catéchol-O-méthyltransferase (COMT)) d’autre part ; ces deux facteurs présentant l’intérêt de moduler le risque associé de développer un trouble de type externalisé. Nous avons également comparé les volumes de matière grise d’enfants avec TDAH ayant reçu un traitement par méthylphénidate, de patients n'ayant jamais été exposé à la médication, et de sujet sains. Ces recherches expérimentales ont été inscrites dans une discussion plus générale de l’hétérogénéité des résultats de la littérature structurelle consacrée au TDAH et des sources neuropsychologiques de cette hétérogénéité. Dans notre étude des effets du genre sur les volumes de matière grise dans le TDAH, nous reportons pour la première fois une interaction entre genre et diagnostic, avec des corrélats structurels du trouble différents chez les garçons et les filles avec TDAH dans des régions de la ligne médiane du cerveau, impliquées à la fois dans la régulation émotionnelle et dans le fonctionnement du mode de réseau par défaut. Nous suggérons que ces différences structurelles pourraient contribuer aux différences de risque associé pour les troubles internalisés et externalisés présentées par les garçons et filles avec TDAH. Dans notre étude explorant l'influence du polymorphisme Val158Met sur les volumes de matière grise, nous mettons en évidence une modulation génétique des corrélats structurels du trouble : les sujets homozygotes pour l'allèle Val158, identifiés dans la littérature comme à risque pour le développement d'un trouble des conduites, présentent des volumes de matière grise supérieurs dans le noyau caudé comparativement aux sujets sains, tandis que les patients avec TDAH porteurs d'un allèle Met158 présentent des volumes de matière grise plus faibles dans le cortex préfrontal inférieur droit, une région cruciale pour les processus de contrôle attentionnel. Enfin, dans notre étude des corrélats structurels de l'exposition au méthylphénidate, nous reportons un effet potentiellement normalisateur du traitement sur les volumes de matière grise de l'insula et du pole temporal, des volumes de matière grise plus faibles chez les patients traités comparativement aux sujets sains dans le gyrus frontal moyen et dans le gyrus précentral, et une association entre volume de matière grise dans le nucleus accumbens gauche et durée d'exposition au méthylphénidate chez les sujets traités. (...) / Previous models of Attention Deficit / Hyperactivity Disorder (ADHD) such as Barkley’s or Brown’s conceptualized ADHD as essentially a developmental impairment of executive function. Against this view, it is now recognized that ADHD is a heterogeneous disorder, involving multiple deficits and multiple neuronal pathways. Despite this current theoretical framework, most structural brain imaging studies in ADHD have compared groups of children with ADHD with typically developing children, without trying to identify subgroups within the diagnostic category. This approach has yielded heterogeneous findings, possibly due to inter-studies variations in the type and number of comorbidities, the percentage of medicated participants included, the number of girls included, and/or methodological and statistical differences. Patients participating in these studies were also often exposed to methylphenidate, and potential medication effects on grey matter volumes are still unclear in certain brain regions such as the frontal lobe, despite a therapeutic action involving the preferential activation of catecholamine neurotransmission within the prefrontal cortex. In this thesis, we used voxel-based morphometry to study the influence of two important risk factors for the development of comorbid conditions in ADHD. The first of these two factors was gender, and the second a genetic polymorphism of the Catechol-O-methyltransferase gene known to put children with ADHD at risk for developing a conduct disorder (Val158Met). We also compared grey matter volumes in children with ADHD exposed to methylphenidate, never-medicated children with ADHD and typically developing children. These experimental studies were part of a more general discussion of ADHD neuropsychological and neurobiological heterogeneity. In our study exploring the influence of gender on the structural correlates of ADHD, we report for the first time a gender-by-diagnosis interaction, with grey matter volume differences in boys and girls with ADHD in midline cortical structures, involved in emotional regulation and part of the default mode network. We propose that these differences may contribute to explain why girls with ADHD more often develop inattentive and internalizing symptoms, whereas externalizing symptoms are predominant in boys with ADHD. In our study investigating the effects of Val158Met in ADHD, we report the first evidence of a COMT-related genetic modulation of ADHD-related grey matter volume alterations. Indeed, children with ADHD at higher risk for developing a conduct disorder (children homozygotes for the Val158 allele) presented increased grey matter volumes in the caudate nucleus when compared with typically developing children, whereas children carrying a Met158 allele presented with decreased grey matter volumes in the right inferior frontal cortex, a region known for its key role in attention. Finally, we measured grey matter volumes in medicated children with ADHD, never-medicated children with ADHD and typically developing children using both whole-brain voxel-based morphometry and automated tracing procedures in chosen regions of interest. We document potential methylphenidate-related grey matter volume normalization and deviation in previously unexplored frontal and temporal regions, and report a positive association between treatment history and grey matter volume in the nucleus accumbens, a key region for reward processing. Our first two experimental studies therefore contribute to a better understanding of the influence of important sources of within-category heterogeneity, while the third helps clarifying the potential confounding effect of medication exposure in previous structural brain imaging studies in ADHD.